新工科背景下面向虚拟仿真实训的计算机网络工程实验教学探索

李广琼 陈荣元 黄少年 季洁

摘要：随着“互联网+”、大数据、人工智能等新型领域的不断兴起，对新工科背景下高校教师所授课程提出了新的标准和要求，作为服务于地方经济发展，实践性特别强的工商类大学计算机专业，计算机网络工程实验的教学改革势在必行。本文主要针对湖南工商大学计算机专业计算机网络工程实验的教学模式现状和存在的主要问题，提出针对课程改革的具体措施并有待实施。

关键词：新工科;计算机网络工程实验

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0109-03

Abstract： With the rise of Internet plus， big data， artificial intelligence and other new fields， under the background of the new engineering college teachers taught course put forward new standards and requirements， as in the service of local economic development， particularly strong practical computer professional business school， computer network engineering experiment teaching reform is imperative. Aiming at the present situation and existing problems of the teaching mode of computer network engineering experiment in Hunan University of Technology and Business， this paper puts forward some concrete measures for the course reform and needs to be implemented.

Key words： new engineering ; computer network engineering experiment

为了促进和深化高等教育中工程教育的改革，2016年，我国开始着手启动工程教育专业认证体系。当前，国家正在推动“中国制造2025”，创新性驱动发展，实施“一带一路”，“互联网+”等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高的要求，迫切需要加快工程教育改革创新。2017年，教育部高教司发布开展新工科研究与实践的通知，同年，新工科建设复旦共识，共同探讨了新工科的内涵特征、新工科建设与发展的路径选择;出台了新工科建设“北京指南”，审议通过《新工科研究与实践项目指南》;致力于新工科“建设天大行动”，计划到2020年，探索形成新工科建设模式，主动适应新技术、新产业、新经济发展，到2030年，形成中国特色、世界一流工程教育体系，有力支撑国家创新发展，到2050年，形成领跑全球工程教育的中国模式，建成工程教育强国。新工科建设由复旦共识、天大行动和北京指南三部分组成，打开了高校人才培养的新局面，找到了工程教育改革的新路子。随着国家对新工科建设和发展的逐步推进，推动新工科背景下的计算机类专业课程的教学改革，已成为必然趋势。

新工科研究和实践围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展。更加注重模式创新。建设区域共享型人才培养实践平台，探索多学科交叉融合的工程人才培养模式，探索面向复杂工程问题的课程模式，强化工程人才的创新创业能力培养，探索个性化人才培养模式，探索工程教育信息化教学改革，推进信息技术与工程教育深度融合。在线虚拟仿真实训平台作为线下课堂的补充手段，无论从效果上还是方法上都获得了很大的改善，有效弥补了线下课堂实验的不足，提升了实验教学的效果和质量。因此，新工科背景下，研究基于在线虚拟仿真实训系统的计算机网络工程实验教学改革具有非常重要的意义。

1 计算机网络工程实验课程教学现状

由湖南工商大学计算机科学与技术专业2016版的人才培养方案得知，计算机网络工程实验课程的学分是0.5，一共10次实验，是计科专业的专业必修课，实验的内容围绕交换机与路由器设备进行，主要有，交换机基本配置与VLAN划分，交换机TRUNK配置，交換机VTP与STP配置，静态路由配置，RIP路由配置，OSPF路由配置，访问控制列表ACL配置，网络地址转换NAT配置，HDLC和PPP的基本配置，单臂路由与三层交换机实现VLAN间路由配置。实验课堂主要在线下完成，上实验课前，由教师发布本次实验的内容，讲解本次实验相关联的理论知识点，学生在实验的课堂按时完成教师布置的实验任务，在实验过程中学生出现配置问题由教师在现场进行指导解决。

现有计算机网络工程实验课程存在的主要问题有：一是学生在每次实验中，鲜有同学分析问题，深入了解本次实验的理论知识背景，直接进入解决问题的模式，将实验拓扑图照着教师给出的模板画好后，直接进行问题的配置，因此，在实验过程中出现的配置问题，很多同学不知道如何来解决，实验虽然成功了，但是模仿的因素占多数，创新的成分占少数，有时候教师稍微改动一下拓扑图，同学们便不能灵活运用。导致配置出现了瓶颈。二是同学们在实验完成后缺乏总结的习惯，自认为已经掌握了本次实验的全部知识点，但实验结束后，教师提出的思考问题，也只有少数同学能够解答出来，同学们在网络工程实验的学习中容易进入快餐化式的学习模式，并不能很好地吸收营养知识和精华。

教学手段单一，实验课主要在线下课堂完成，而线上教学的手段不够丰富，学生缺乏课前预习的环节互动和课后问题解答的平台，教学的信息化手段还太单一。

2新工科背景下面向虚拟仿真实训的计算机网络工程实验教学改革

新工科背景下，对人才的培养提出了更高的要求，由培养经验型人才向培养创新创业型人才转变，由培养单一型人才向培养多学科交叉融合型人才转变，由培养能简单解决工程问题的人才向培养能解决复杂工程问题的人才转变。

2.1 计算机网络工程虚拟仿真实验教学思路与内容的规划

计算机网络工程实验作为网络工程理论课的实践课，积累了十多年的教学经验，有一套完善的实验教学方法与体系，有一支从事该课程教学的教学经验丰富的教师队伍，有专门的计算机网络工程实验室，有大型综合性网络工程项目设计的校企合作企业，形成了符合湖南工商大学商科特色的计算机网络工程虚拟仿真实验体系。

2.2 計算机网络工程虚拟仿真实验教学内容的设计

计算机网络工程虚拟仿真实验是一门实践性很强的课程，教学内容需要根据工商大学计算机科学与技术专业的特点量身定制，教学内容的设计由多年从事计算机网络工程课程群教学的教师团队参与完成。教学内容设计的主要原则有，选取重点实验内容作为计算机网络工程的必修实验，这些虚拟仿真实验是交换机、路由器配置中使用频率很高的实验，比如交换机虚拟局域网的划分，路由器中静态路由的配置，路由器中动态路由的配置。

根据计算机网络工程课程群的特点以及教师团队多年的经验，将计算机网络工程虚拟仿真实验设计为如下几个模块：

（1） 交换机模块实验，该部分的内容主要有VLAN划分、TRUNK配置、VTP配置、STP配置。

（2） 路由器模块实验，该部分的内容主要有静态路由配置、RIP路由配置、EIGRP路由配置、OSPF路由配置、ACL访问控制列表、NAT网络地址转换服务、DHCP动态主机设置协议、HDLC和PPP协议、帧中继协议。

（3） 交换机与路由器结合的模块实验，该模块的主要实验有单臂路由协议、三层交换实现VLAN间路由。

所制订的计算机网络工程虚拟仿真实验模块代表了该课程的核心技术，内容之间相互关联，并结合了工商大学计算机专业人才培养的特点，培养出理论基础扎实、实践能力强的学生，能够满足企业对人才的需求。

计算机网络工程虚拟仿真实验平台由有多年执教经验的教师队伍进行设计和架构，经过多年的课程建设，目前使用的平台主要有在线虚拟仿真实验平台，网络工程实验室虚拟仿真平台，网络工程实验室物理设备平台，在进行教学内容的设计和规划时，根据学生的实际情况交叉立体使用各个平台，使学生突破固有的实验环境，在不同的实验平台中运用自如，完成实验任务，较好地提高了学生的动手能力，使学生能够适应社会人才的需求。

虚拟仿真平台的内容根据该门课程增加的最新前沿问题实时进行调整，课程组老师通过参加计算机网络有关的国际会议，查阅与计算机网络相关的国际国内期刊，与计算机网络同行的定期交流等方式提升自己的业务水平，并将最新的成果增加到虚拟仿真平台。

2.3 基于工程教育模式CDIO的计算机网络工程虚拟仿真实验体系设计

通过分析湖南工商大学计算机科学与技术专业人才培养要求和特点，制定了适合本校本专业的计算机网络工程虚拟仿真实验体系，将CDIO工程教育模式融入网络工程虚拟仿真实验教学中，CDIO表示构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate），这种理念注重培养学生综合设计项目的能力和解决项目中实际问题的能力。根据CDIO工程教育模式的特点，将计算机网络工程虚拟仿真实验划分为如下虚拟仿真实验板块，分别是基于CDIO模式的交换机VLAN虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的跨交换机TRUNK虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的单臂路由虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的静态路由虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的动态路由RIP虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的动态路由OSPF虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的ACL访问控制列表虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的NAT网络地址转换虚拟仿真实践应用、基于CDIO模式的PPP虚拟仿真实践应用。

2.4 计算机网络工程虚拟仿真实验课程的考核方式与资源共享

根据工商大学计算机专业人才培养的要求，结合计算机网络工程虚拟仿真实验课程的教学特点，设计了多项课程资源供学生使用，充分运用各种信息化教学手段，比如视频、PPT、图片、动画等将复杂的问题简单化，将抽象的问题具体化，改善教学质量，使学生更容易理解和掌握。

目前计算机网络工程虚拟仿真实验课程建设的主要资源有：计算机网络工程虚拟仿真实验课程实践教学大纲，课程考试大纲，课程实验仿真视频，课程PPT，计算机网路工程虚拟仿真在线实训系统等内容。

计算机网络工程虚拟仿真实验考核内容的设计：考核分为在线实训系统，线下期末实验的考核，实验报告，实验课程作业，考勤等构成，每个环节都设置了考核比例，明确了考核要求，最终形成学生在该门课程上的分数。这样的考核机制打破了往年期末考试一考定终身的机制，既锻炼了学生的实践能力，又更合理地评价学生学习该门课程的综合素质和能力。

3 线上与线下混合式课堂虚拟仿真实践平台的建设

为了补充线下课堂教学模式的局限性，构建了计算机网络工程虚拟仿真在线课堂的平台，在线课堂的主要模块有：在线实训作业、在线普通作业、在线试卷、在线资源、视频直播和在线分班。

进入在线实训作业的任务目录后，学生可以点击项目右侧的开启挑战，开始不同任务的实践训练。在训练系统中，页面分为两个部分，一部分说明实践目标，提供任务相关描述、知识说明、操作要求等，另一部分则是仿真了网络工程实验系统，学生可以在该系统中完成网络工程虚拟仿真实验。在虚拟仿真实验过程中遇到不能解决的问题时，可以查看左边页面中的相关理论知识，这个部分以图文的形式清晰展现了详细的操作步骤，可以有效帮助学生实现知识的灵活运用，从而达到提升实践能力的目的。教师可以通过在后台查看实训作业的完成情况，判断学生的学情，参考后台相关统计数据及时对课堂内容进行调整，从而提高学生的学习效率。

在线普通作业是教师在每次课后为学生布置的在线作业，教师布置作业时可以上传作业文档，可以从题库中选择，教师设置好作业完成的日期，学生提交后，对于客观题后台可以自动批改，对于主观题需要人工批阅，教师批阅完成后学生可以查看批阅结果。

在线考试系统是网络工程虚拟仿真系统的特色功能之一，由于2020年发生了新冠疫情，大学生在春季学期是以网课的方式完成的相关课程的学习，在这种背景下，开发了计算机网络工程和计算机网络工程实验两门课程的在线考试系统，考试系统主要包括了题库，生成试卷，组织考试，成绩评阅与试卷分析这几部分，题库需要导入到后台的数据库，试卷生成时可以从题库中选择题目，也可以由教师自己输入题目。组织考试时教师要设定试卷的发布时间、截止时间、答题时长，评阅成绩时客观题由系统自动评阅，主观题由教师在机器上评阅完成，主观题和客观题的评阅全部完成后，系统后台自动计算出学生的总分。试卷分析能够自动分析学生的最高分、最低分、平均分，可以统计失分率较高的题和得分率较高的题，为后面的教学的设计和规划提供科学的指导性建议。

在线资源放置了计算机网络工程实验这门课程的上课资源，学生在课前需要提前了解课程的知识点，或者学生在下课后遇到不懂的内容都可以下载课程资源进行学习。

视频直播放置了计算机网络工程虚拟仿真实验的视频播放，分别有交换机VLAN虚拟仿真实验视频、跨交换机TRUNK虚拟仿真实验视频、单臂路由虚拟仿真实验视频、静态路由虚拟仿真实验视频、动态路由RIP虚拟仿真实验视频、动态路由OSPF虚拟仿真实验视频、ACL访问控制列表虚拟仿真实验视频、NAT网络地址转换虚拟仿真实验视频、PPP虚拟仿真实验视频。

在线分班模块是根据2017级计算机科学与技术专业学生进行分班，有利于教师对学生以班级为单位进行管理，减少了教师的工作量，分班模块设计得较为灵活，可以随时删除分班。

4 计算机网络工程虚拟仿真实验教学改革成效

4.1 在线课堂的应用及成效对比

在今年春季学期发生疫情的情况下，在线课堂发挥了重要的作用，教师运用腾讯课堂在线直播上课后，作业、课前预习、课后复习、实训、考试等教学环节都由在线课堂承担。而在后疫情时期，尽管课堂由线上教学搬到线下教学，但课堂其他的环节均可以由在线课堂代替，很大程度上减轻了教师的教学工作量。

总结在线课堂的线上应用，在教学方面有如下几个方面的改进：一是学生在操作仿真实验中，线上的仿真实验首次通关率高于线下的仿真实验首次通关率，如表1所示。二是从数据得知，线上考试的平均分和最高分都比线下考试有所提高，如表2所示。三是线上考试人工阅卷时间与线下考试人工阅卷时间的对比，线上阅卷时间缩短了很多，极大地提高了教师的阅卷效率，如表3所示。

4.2基于CDIO的计算机网络工程虚拟仿真实验教学改革成效

在进行网络工程虚拟仿真实验的教学设计时，按照CDIO模式进行，即将每一个实验环节分为构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行，具体应用到仿真实验中，以静态路由为例，第一步，构思，进行拓扑图的建立;第二步，设计IP地址、子网掩码与网关;第三步，实现静态路由的配置;第四步，运行，测试网络是否连通。学生按照CDIO的思想完成网络工程虚拟仿真实验，较好地提高了学习的效率，运用CDIO模式完成实验的平均效率为1.74，优秀学生完成实验的效率可以达到4.68，而未运用CDIO模式完成实验的平均效率为1。工作效率如图1所示。

5 结论

在新工科背景下，对专业人才培养提出了更高的要求，在网络工程实验课程中加入新思想，新方法，加快推进课程的教学改革势在必行，引入CDIO工程教育模式，通过线上与线下虚拟仿真实验，在线教学视频与资源，在线课堂等多种形式的教学模式，使学生获得该课程的教学模式的多种体验，最终在学习效率、学习成绩、实验通关率等获得了较大的提升，学生对该课程的学习氛围浓厚，提高了学生在后续的网络工程课程设计中的实践动手能力，进一步提高了人才培养的质量。

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【通联编辑：唐一东】