CDIO教育理念引领下的计算机网络实验教学体系

第 9 期2019 年 9 月 10 日计算机教育
Computer Education
中图分类号：G642
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CDIO教育理念引领下的计算机网络
实验教学体系
李 楠1，李玉龙1，张华卫2
（1.兰州交通大学 计算机科学与技术国家级实验教学示范中心，甘肃 兰州 730070；
2.兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070）
摘 要：针对计算机网络实验教学中存在的问题，在CDIO教育理念的指引下，就实验教学内容、实验室建设、师资力量及考核方法方面，提出相应改革方案，重构计算机网络实验教学体系，结合兰州交通大学具体的实验教学案例，介绍基于CDIO教育理念的实验项目的设计、实施全过程。

关键词：计算机网络；CDIO；实验教学体系；创新能力
0 引 言
中国互联网络信息中心发布的第42次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2018年6月，中国网民规模达到8.02亿，普及率为57.7%；2018年上半年新增网民2 968万人，较2017年末增长3.8%[1]，互联网已经深入到社会生活的各个方面，因此，有必要加强计算机网络应用人才的培养。

计算机网络课程目前已经成为高校计算机专业的核心课程[2-3]，理论知识点多、技术更新快、学生理解困难，必须通过相配套的实验课程进行理论知识的巩固与理解。

如何改进实验课程教学理念，规范实验教学内容，建立与理论教学相配套的实验教学体系，更好地为培养应用型创新人才服务，是当前计算机网络实验教学中需要考虑的首要问题[4]。

1 CDIO 教育理念在计算机网络实验教学中的意义
CDIO是由麻省理工学院（MIT）、瑞典皇家工学院等4所大学共同倡导的一整套工程教育理念和实施体系[5]。

在CDIO教育理念的指引下，实践教学应该增加综合性实验和开放创新性实验的数量，充分提升学生的主动性和创新意识；要加强实验室设备的改造升级，让更多学生进行实践操作；创造机会让学生参与教师的科研项目开发，了解项目开发的整个流程。

2 CDIO引领下计算机网络实验教学体系的构建
为了真正在实践教学中体现“构思—设计—实现—运行”，需要对计算机网络实验教学进行一系列的改革。

2.1 加大经费投入，完善实验室设备
以兰州交通大学为例，网络实验室仅有6个实验机柜，每个实验机柜内有4台交换机、2台路由器，配有6台可供实验的PC机，通常只能分批次地实验；由于交换机初始化配置端口仅有6个，路由器配有2个以太网口，无法进行相对复杂的综合性实验项目。

按照一次安排整班（60人）实验来计算，还需要增加4个实验机柜，包括16台交换机和12台路由器，同时对于实验室的每台路由器均需要增加1个串口模块。

完善设备后，学生都能有充
基金项目：兰州交通大学2019年度创新创业课程建设项目“基于FPGA新技术的《数字电子技术》课程教学研究与探索”（2019CXCYKC16）；兰州交通大学2018年实验教改项目（2018031）。

第一作者简介：李楠，女，讲师，研究方向为计算机网络和网络安全，108329140@。

文章编号：1672-5913(2019)09-0030-04
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分的动手机会，完成较复杂的综合性实验。

2.2 提升教师的实践教学能力
由于网络实验室的教师多数没有管理网络工程项目的实践经验，教学中无法培养学生对网络组态和网络设备的感性认识，仅停留在理论角度，无法做到“学有所用、学以致用”。

我校定期与锐捷、H3C、思科等国内外著名的网络设备厂商联系，对教师进行有针对性的培训，去年组织实验教师参加了锐捷公司的“园区网项目实战教师集训营”培训，拓宽了教学思路，对提升实践教学能力大有帮助；同时要求教师积极参与网络相关的实际工程项目，为实验教学积累实践经验。

2.3 设计虚实结合的计算机网络实验教学体系
计算机网络实验教学中典型实验案例不足，导致实验教学内容过于单一化。

实验主要为基础验证性实验，或者是简单的设计性实验（见表1）。

在CDIO理念指引下，对计算机网络实验教学内容加以优化处理，形成层次化、递进式的计算机网络实验教学体系（见表2）。

表1 传统计算机网络实验项目
序号实验项目名称实验类型
1
交换机和路由器的启动及
基本配置
基础验证性实验2VLAN配置实验设计性实验
3VLAN间的路由实验设计性实验
4静态路由实验设计性实验
5RIP路由实验设计性实验
6NAT配置实验设计性实验
7ACL配置实验设计性实验
表2 新计算机网络实验教学体系
实验模块实验内容实验类别教学方法实验方式
局域网组建锐捷网络实验室认识及网线制作基础验证性
任务驱动真实设备无线局域网组建基础验证性
交换机和路由器的启动及基本配置基础验证性
网络应用FTP服务器的安装和配置基础验证性
任务驱动真实设备WWW服务器的安装和配置基础验证性
DNS服务器的安装和配置基础验证性
Web服务器的安装和配置基础验证性
协议分析以太网链路层帧格式分析 基础验证性
任务驱动虚拟软件ARP 地址解析协议分析 基础验证性
TCP 传输控制协议分析基础验证性
DHCP 动态主机配置协议分析 基础验证性
DNS 域名服务协议 基础验证性
网络互连配置跨交换机的VLAN设计性
项目引领虚实结合配置SVI实现VLAN间路由设计性
端口聚合配置设计性
快速生成树RSTP配置设计性
单臂路由的配置设计性
配置静态路由设计性
配置RIP协议设计性
网络安全交换机的端口安全设计性
项目引领虚实结合配置NAT设计性
配置标准IP ACL设计性
使用防火墙实现安全的访问控制设计性
使用防火墙实现安全NAT 设计性
配置防火墙地址绑定 设计性
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基础验证性实验是以知识和动手能力为基础，让学生了解各种网络设备的功能、接口以及各种线缆的连接方式等，学生应针对老师提出的问题，具备通过实际操作将其解决的能力；设计性实验要求学生在对知识运用的基础上，可以从不同的角度设计方案，以培养创新思维和创新能力；综合性实验则是若干知识点及相关技术相结合的实验，在做基础验证性实验时，就要让学生弄清楚问题及解决方法；开放创新性实验使用的网络技术都是最新技术，技术复杂程度高，可以引导学生采用虚拟软件进行实验，详细分析计算机网络数据通信的过程。

由于各个实验项目的特点不同，采用“虚拟软件+真实设备”的方式开展实验项目，解决实验设备不足或无法进行复杂实验的缺陷，既能够提高实验教学的效果，同时又能使学生的实践动手能力及创新思维得到提升。

2.4 设计实践项目
CDIO 理念强调的是“做中学”[6-7]，依托项目案例进行实验教学活动。

在实际的教学中，以具体的项目为线索，在项目之中体现教学目标和教学内容，学生能够掌握实验项目的所有环节，逐步培养学生的实践能力、自学能力以及团队协作能力。

本文以“VLAN 间的通信”为例进行实验项目设计。

该实验项目以2~3人为一个小组，共同参与实验的全过程。

实验模块
实验内容实验类别
教学方法实验方式
工程实践
简单以太网组建综合性项目引领虚实结合
中小型企业网组建综合性三层交换综合实验
综合性子网划分综合实验综合性ACL、NAT 综合实验综合性RIP 协议综合实验综合性网络性能监测及故障分析
综合性总公司与异地分公司网络互联构建 综合性网络新技术
中小型VoIP 网络构建
开放创新性项目引领虚拟软件
IPV6地址配置
开放创新性IPV6静态路由与默认路由
开放创新性
（续）表2
2.4.1 设计背景
某高校有电信学院、自动化学院、土木工程学院、环境工程学院，4个学院内部网络都是独立的局域网，为了实现信息共享，现在要求学院之间能够相互通信。

2.4.2 需求分析
各个学院自身网络应便于管理，保持相对独立；利用交换机、路由器等网络设备，实现独立局域网之间的通信。

2.4.3 规划方案
各个学院局域网的独立性可以通过VLAN 划分得以保证[8]
，在此基础上，为了解决多个局域网之间的互连，利用所学的知识，可以考虑通
过二层交换机、三层交换机、路由器等网络设备进行局域网扩展。

需要注意不同品牌型号的交换机，结构、性能、价格、配置方式都不同。

3种局域网互联规划方案如图1
所示。

（1）单臂路由
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心
(2)路由协议
(3)三层交换机
图1
"VLAN 间的通信”规划方案
最终测试各个局域网之间是否可以正常通信。

2.4.6 估算项目成本
学生要对整个项目中所用到网络设备、网线、水晶头的数猷及价格进行计算，培养学生在设计方案选取时的成本意识。

2.4.7 修改设计报告
实验报告书写时要注意书写格式及规范化的语言，实验教师通过答疑、QQ 等方式多次对设计报告进行修改。

2.5 实施过程和结果并重的考核方式
科学合理的实验考核方式，能够较好地反映学生对知识的掌握程度和实践操作水平，激发学生的创新思维和创新意识，教师也能在考核过程中总结经验，持续改进和完善实验教学。

计算机网络实验成绩包括平时成绩(55%)＋实验报告(45%),平时成绩包括实验预习成绩(10%)、考勤成绩(5%)、实验操作成绩(30%)和答疑成绩(10%)4部分，其中，答疑成绩包括学生对所做实验的延伸操作及创新发挥。

这种过程和结果并蜇的实验考核评价方式，要求学生重视实验的全过程，能够调动学生学习的积极性，提升学生的实践操作能力及创新能力，明显改善实验教学效果。

2.4.4 设计网络拓扑图与网络布局图
网络拓扑图反映网络中各实体间的结构关系，用于解释原理；网络布局图用于描述网络设备的实际布线情况。

在布局设计中，学生可以集思广益，体现创新性。

在规划设计后，学生需要使用Visio软件画图；指导教师审阅后，修改完善；学生要利用Packet Tracer模拟器进行设备选型、连线、配置及仿真调试；各小组学生答辩，讲解自己的设计方案及仿真过程；最后对所有设计方案进行评价，选出好的设计方案供其他小组参考学习。

这种方式可以增强学生的团队协作能力，培养学生的创新能力。

2.4.5 实施阶段
学生动手制作网线，使用网络测试仪测试，从制作质量、通信情况等方面进行评比，提高学生的实践操作能力和竞争意识；学生通过查找资料了解H3C 、思科、锐捷等各种网络设备的特点，小组内讨论学习，选择其中一种设备进行配置，
参考文献：
[1]中国互联网信息中心．笫42次《中国互联网发展状况统计报告》[EB/OL ].(2018-08-20)[2019-03-14]. http: ///
hlwfzyj/hlw 立bg/hlwtjbg/201808/t20180820_ 70488.htm.
[2]张晓明，陈明，杜天苍，等．计算机网络实践教学体系与能力培养[J].实验室研究与探索，2013,32(10): 401-404, 411. [3]谢瑞杰．构建虚实结合的计算机网络实验室[J].实验科学与技木，2014,12(2): 189-193.
[4]陈潮，新慧云.CDIO视野下的计算机网络实验教学探索与实践[J].计算机时代，2016(5):81-83, 86[5]覃德泽．基于CDIO的计算机网络专业实验教学改革方案[J].贺州学院学报，2011,27(2): 110-113.
[6]明仲，蔡茂国，朱安民．虚实结合和科教融合的计算机实验教学体系[J].计算机教育，2016(7):154-158. [7]周如旗，袁学文．基于CDIO理念的计算机网络课程教学设计[J].计算机育，2012(8):90-94. [8]唐灯平．利用三层交换机实现vlan间通信[J]电脑知识与技术，2009,5(18): 4898-4899.
3
结语
在响应国家对高校应用型人才培养的要求下，基千CDIO工程的教育理念，对计算机网络课程的实验教学内容进行归类和优化，改善实验环境，增加师资力址，运用多种实验教学方法及手段，同时采取过程和结果并重的考核评价方式，逐步形成新的实验教学体系，以进一步提高学生的实践操作能力、团队协作能力及创新意识。

我校计算机科学与技术专业学生一年多的教学实践表明，重构的计算机网络实验教学体系行之有效，对于培养创新应用荆人才具有重要意义。

（编辑：宋文婷）。