以科研项目为支撑的短学期实践教学设计

徐 慧

以科研项目为支撑的短学期实践教学设计

徐 慧

（湖北工业大学 计算机学院，湖北 武汉 430068）

为了落实我校“721”梯级、分类、多元人才培养模式改革措施，切实强化网络工程专业和物联网工程专业本科生短学期实践教学环节，尝试依托现有科研项目为本科生专业实践提供支撑。该文从选题、实施和过程管理3个方面进行了介绍。

短学期；实践教学；科研项目

我校在本科教学层次上积极推进“721”梯级、分类、多元人才培养模式改革，不断完善实践教学体系，除了春季和秋季两个常规学期外，还特别增加了夏季和冬季两个短学期，分别为4周和2周，专门用于本科生的专业实践教学。为了落实这一改革措施，强化网络工程专业和物联网工程专业本科生的短学期实践教学环节，采取了依托现有科研项目为本科生专业实践提供支撑的做法。本文从以科研项目为支撑视角出发，提出网络工程专业和物联网工程专业本科生短学期实践教学设计方案，以帮助学生通过科研项目提升专业实践能力。

1 短学期实践教学的选题

1.1 以科研项目作为选题基础

以教师科研项目作为本科生短学期实践教学选题的基础，是我校在本科教学层次上积极推进“721”梯级、分类、多元人才培养模式改革中，逐渐成熟起来的短学期实践教学实施方案。我国不少高校也有类似的研究与尝试，例如，文献[1]从本科生科研训练的内涵、训练计划对师生的要求、对学生的能力要求及训练流程、训练计划实施、保障举措等5个方面对基于教师科研项目的本科生科研训练计划进行了研究。

针对网络工程专业与物联网工程专业本科生，下一代互联网体系结构是其短学期实践教学选题的重要内容。在下一代互联网体系结构项目中，斯坦福大学的Clean Slate研究组提出了关于如何改变传统互联网体系结构的方案，即软件定义网络（software-defined networking，SDN），其核心思想是开放网络基础设施，将数据平面与控制平面分离，实现可编程化的控制，从而无须改动网络设备便可实现新型的网络协议和拓扑构架。目前，推进SDN标准化的开放网络基金会（open networking foundation，ONF）[2]对OpenFlow标准与规范进行了维护和发展。ONF提出的OpenFlow协议使用基于流的方法，并采用主从模型，允许OpenFlow控制器作为主设备去控制大部分网络操作，特别是作为从设备的OpenFlow交换机的转发规则。SDN技术可以作为网络工程专业和物联网工程专业本科生虚拟化实践教学的基础。文献[3]提出了基于SDN的安全攻防虚拟仿真实战平台，文献[4]提出了基于SDN的网络虚拟化实验教学方案。

本文以国家自然科学基金资助项目“SDN管理信息的基元表示与可拓方法研究”和“SDN网络管理的信息模型融合问题研究”为支撑，为网络工程专业和物联网工程专业本科生短学期实践教学设计了“下一代互联网体系结构”方向的选题。

1.2 短学期实践教学选题过程中的问题

尽管有国家级科研项目作为支撑，短学期实践项目选题工作也并非一帆风顺。原以为直接使用科研项目题目作为本科生短学期实践项目选题题目，会使学生备感挑战性，从而获得学生青睐，但实际情况却是，这类研究风格的题目让人望而却步，少有学生选择。

为了避免科研项目的理论研究部分对学生造成较大的心理负担，尝试对科研项目本身进行合理分解，将需要突破性理论研究的部分留给项目组研究生，而将一般性的理论研究、实验验证和系统开发按模块划分为本科生短学期实践项目。同时，将选择短学期实践项目的学生条件设置为网络工程专业和物联网工程专业有一定专业基础的高年级本科生，以帮助他们更好地理解下一代互联网体系结构，为今后的毕业实习和毕业设计打下基础。

2 短学期实践教学的具体实施

2.1 帮助学生理解科研项目所涉及的背景知识

研究表明，SDN可用于优化网络管理[5-8]。对于SDN而言，除了数据平面、控制平面和应用平面之外，还需要一个管理平面。从短学期实践教学的角度，首先应努力帮助学生理解SDN层次结构，特别是管理平面与控制平面的各种关联方式，以及它们与南向的数据平面和北向的应用平面之间的交互，如图1所示。

然而，SDN管理平面仍缺乏成熟的实现方案。在SDN与非SDN的集成环境中，不同网络管理领域的互操作性尤为重要，其目的在于实现统一的操作与管理。本文前期工作[9]对SDN与非SDN的统一网络管理展开了研究，并提出可拓实验思路，为网络工程专业和物联网工程专业本科生以科研项目为支撑的短学期实践教学实施方案提供了设计基础。

图1 SDN层次结构

2.2 帮助学生从专业课程实验过渡到科研项目实践

作为本科生短学期实践教学支撑的项目，是国家自然科学基金资助项目“SDN管理信息的基元表示与可拓方法研究”和“SDN网络管理的信息模型融合问题研究”，构建SDN网络管理与非SDN网络管理共存的异构网络管理实践场景是这两个项目的重要内容。购置了OpenFlow交换机等SDN网络设备，补充并更新了现有的支持简单网络管理协议（simple network management protocol，SNMP）的非SDN网络管理设备，以满足网络工程专业和物联网工程专业短学期实践教学需要，支撑“721”梯级、分类、多元人才培养模式改革，切实强化实践教学环节。

ONF在已有的网络配置（network configuration，NETCONF）协议及其管理信息元模式YANG语言的基础上，提出并维护、发展了面向SDN网络管理的OpenFlow管理与配置协议OF-CONFIG（目前的最新版本是1.2）[10]。其中，NETCONF协议[11]作为OF-CONFIG的传输协议，而YANG语言[12]则有利于OF-CONFIG数据模型的定义。需要注意的是，OF-CONFIG协议还在不断发展中，仍不够成熟，而其管理对象也仅局限于OpenFlow网络。以国家自然科学基金资助项目为支撑，图2给出本科生短学期教学所依托的SDN网络管理与非SDN网络管理共存的实践场景。

如图2所示，管理信息结构第二版（structure of management information version 2，SMIv2）是SNMP MIB的数据建模语言，而YANG是OF-CONFIG MIB的数据建模语言，同时，基于OF-CONFIG的网络管理采用的是NETCONF协议操作。

由此可见，引入SDN网络管理与非SDN网络管理共存的实践场景，有利于网络工程专业和物联网工程专业本科生更好地理解科研项目实施过程中所面临的技术挑战，启发他们在短学期实践过程中积极探索这两类网络管理的融合方案。

图2 SDN网络管理与非SDN网络管理共存的实践场景

3 短学期实践教学的过程管理

借助于我校实习管理云服务平台，可以对短学期实践教学活动进行过程管理。

将短学期实践教学活动中的报名审核、周日志批阅、实习评价、报告批阅、实习成绩鉴定和实习检查等具体环节进行合理分解和有效管理。以周日志批阅为例，主要是对学生每周提交的短学期实践周志进行批阅，一方面为学生提供总结反思的平台，学生利用此平台对短学期实践的具体工作内容、遇到的问题、解决方案和感想进行详细总结，另一方面也便于短学期实践指导教师了解学生工作进度并为学生提供指导。

4 结语

本文针对网络工程专业和物联网工程专业本科生短学期实践教学，提出以科研项目为支撑的短学期实践教学设计方案，并从选题、实施和过程管理3个方面进行了介绍。短学期实践教学设计方案旨在为网络工程专业和物联网工程专业本科生提供一个依托真实科研项目提升专业实践能力的平台，从而促进我校本科教学“721”梯级、分类、多元人才培养模式改革。

[1] 杨秀平，李二超.基于教师科研项目的本科生科研训练计划研究[J].实验技术与管理，2017, 34(9): 16–19.

[2] Open Networking Foundation[EB/OL]. Available: www.openn­etworking.org, 2019.

[3] 叶福玲，张栋，林为伟.基于软件定义网络的安全攻防虚拟仿真实战平台[J].实验技术与管理，2018, 35(11): 125–129.

[4] 申海杰，陈靖，陈晓范，等.基于SDN的网络虚拟化实验教学方案[J].微型电脑应用，2018, 34(1): 32–36.

[5] LARA A, KOLASANI A, RAMAMURTHY B. Simplifying Network Management using Software Defined Networking and OpenFlow[C]. IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommuncations Systems, 2012: 24–29.

[6] KIM H, FEAMSTER N. Improving Network Management with Software Defined Networking[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(2): 114–119.

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[8] KUKLINSKI S, CHEMOUIL P.Network Management Challenges in Software-Defined Networks[J]. IEICE Transactions on Communications, 2014, E97-B(1): 2–9.

[9] 徐慧. SDN与非SDN的统一网络管理及其可拓实验思路[J].实验技术与管理，2015, 32(12): 194–196.

[10] Open Networking Foundation. OpenFlow Management and Configuration Protocol 1.2 (OF-CONFIG 1.2)[EB/OL].Available: https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow-config/of-config-1.2.pdf, 2014.

[11] ENNS R, BJORKLUND M, SCHOENWAELDER J, et al.Network Configuration Protocol (NETCONF)[G]. RFC 6241, 2011.

[12] BJORKLUND M. ed. YANG - A Data Modelling Language for the Network Configuration Protocol (NETCONF)[G]. RFC 6020, 2010.

Design of short-term practical teaching based on scientific research projects

XU Hui

(School of Computer Science, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

In order to implement the reform measures of “721” cascade plan, classification and multi-talent training mode in the university, the short-term practical teaching of undergraduate students majoring in network engineering and Internet of things engineering has been strengthened, and the support for undergraduate students’ professional practice relying on existing scientific research projects is provided. This paper introduces the topic selection, implementation and process management for the reform program.

short-term; practical teaching; scientific research project

TP393；G642

A

1002-4956(2019)09-0169-03

2019-01-23

国家自然科学基金资助项目（61602162，61440024）；教育部产学合作协同育人项目（201702065074，201801193001）；湖北省高等学校省级教学研究项目（2017307）；湖北工业大学校级教学研究项目（2018016，2015017，2013018）；湖北工业大学博士科研启动基金计划项目（BSQD12029）

徐慧（1983—），女，湖北武汉，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为网络与服务管理。

E-mail: xuhui@mail.hbut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.043