面向工程思維能力培養的網絡工程仿真實訓教學

胡勝紅　胡長坤　譚生龍

摘要：針對網絡工程實訓教學中工程思維能力培養不足，設計方法掌握較差等問題，分析仿真項目實訓設計方法亟需解決的困難和問題，介紹培養工程思維能力的仿真實訓教學方案的構建方法，基于仿真項目設計和優化調整的新實訓教學流程，輔以思考題激發思維訓練。

關鍵詞：網絡工程；仿真項目；實訓教學

0 引言

網絡工程項目是企業信息化建設的重要構成部分，為信息系統集成提供可靠的運行環境。計算機網絡工程課程是網絡工程專業最重要的專業基礎課之一，旨在通過理論和實訓教學相結合的模式培養學生從事網絡項目設計與施工、運維的工程實踐能力。其中，實訓教學中較難把握的是如何培養學生的工程思維能力，不能僅僅讓學生被動地參與實際（模擬）項目的訓練，而是要在實訓教學中創造條件訓練和引導學生去思考、總結和分析，形成把握網絡工程設計的思維能力，成為合格的網絡工程師。

日前，同內各高校在網絡工程實訓教學中主要存在兩種模式：一種是利用已有的實驗室設備組織實訓，另一種是與企業合作，將實訓項目外包給企業代為培訓。這兩種模式都有一定弊端，依賴現有網絡設備使項目規模受到限制，且難以跟上網絡新技術的變化；企業代培注重工程化訓練，不善于利用新教學方法啟發學生的思維能力。而仿真實訓教學能夠在現有設計方案上設想和重構性能更佳的方案，允許學生評測和思考新舊方案之間的性能差異，且可以引入新技術、新思想，而不用估計修改拓撲帶來的各種施工開銷，因此，網絡工程實訓課迫切需要通過仿真項目教學培養工程思維能力。

1 仿真實訓教學概述

網絡仿真是一種利用數學建模和統計分析方法模擬網絡的行為，建立網絡設備、鏈路和協議模型，模擬網絡流量的傳輸，從而獲取特定的網絡特性參數的技術。仿真實訓教學方法是指在網絡仿真軟件中構造網絡拓撲結構，配置必要的性能指標，根據運行測試結果評估或驗證網絡設計方案的教學方法。仿真實訓教學可以使用的網絡仿真軟件包括PacketTracer、NetSim、Opnet、NS-2等，這些軟件各有特點：①基于PacketTracer、NetSim等仿真軟件的教學方案易于實現連通性方面的測試，利于提高學生對網絡設備互聯性能的掌握和理解，常用于較低層次的網絡實訓教學中；②基于Opnet、NS-2等仿真軟件的仿真教學能模擬大規模網絡的運行場景，提供與實際的網絡、設備、協議層次完全對應的模型庫，同時使用豐富的統計量收集和分析工具實現各通信層的性能評估，既可以用作高層次實訓教學也可以用于完成實習和畢業設計。近年來第①種網絡工程實訓教學方法受到較大程度重視，因為PacketTracer等軟件操作簡單、直觀，無需較高的理論知識，學生也容易掌握。而第②種方案從性能優化的角度解決了網絡設計高層次的問題，更利于培養學生的工程思維。

仿真實訓教學的難點是構造網絡模型和分析網絡性能，因此，正確評估這兩個步驟的難度是成功進行仿真實訓教學的關鍵。構造網絡模型是網絡邏輯設計的關鍵步驟，需要理解并掌握運用網絡邏輯設計方法構造符合需求的網絡拓撲。網絡工程項目的邏輯設計方法包括分層設計和組件設計，實際上這兩種設計思想是密不可分的。分層設計思想使用抽象的方法整體概括了網絡系統在接入層、匯聚層和核心層的功能需求。然而各層的內部連接仍然不夠清晰，需要進一步劃分為不同組件，依據一定的功能需求獨立設計。網絡工程教學應指導初學者通過一定周期的實踐教學，逐步領悟和掌握兩種設計方法的要領。網絡性能分析通常作為構造和實現大規模網絡或應用新技術時預防風險、提高可行性的必要措施，是高水平網絡工程師最重要的技術素質。一般性能分析包括時延、吞吐量、抖動、丟包率等，分層性能分析還包括對各層協議參數的運行監控?，F有網絡性能分析的模擬設計任務通常被用來評估多媒體業務、無線網絡業務、IPv6新業務等的運行性能。

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仿真實訓教學方案

傳統的網絡工程實訓課教學一般采用“以項目為導向、以自主設計為主導、以答辯為驗證手段”的項目管理思想，結合目前已有的實驗條件和學生動手能力發布一定數量的項目選題，由學生根據選題要求完成“需求分析”“邏輯設計”和“測試與驗證”等實訓任務，最后提交實訓報告。新的仿真實訓教學方案增加了“仿真設計分析”和“優化與調整”兩個關鍵步驟，如圖1所示，引導學生在實訓過程中對仿真結果進行分析和比較，對邏輯設計結果進行反復改進和提高，直到實現優化的網絡設計方案，重視了工程思維能力訓練。

1）任務發布。

實訓課程開始前，教師將選題資料發布給學生。選題資料包括項目需求描述、初次仿真包、設計思考題和項目報告書模板等。每3位學生分為一組，每組選題都不一樣，學生需要在1周實訓時間內完成需求分析、邏輯設計、仿真設計分析、測試與驗證等項目。仿真實驗完成配置和測試任務后，組內開展仿真結果分析，完成思考題。最后，每位學生提交一份符合基本標書規范的實訓報告，特別優秀的學生還被要求答辯，將學習經驗介紹給其他學生，答辯順利可以獲得小禮品。

2）需求分析。

需求分析工作留給學生自行完成，時間為一天，上午搜集資料，下午整理資料，填寫需求采集表。

3）邏輯設計。

在邏輯設計階段，學生要使用Visio 2003繪制出詳細的網絡結構圖，使用PacketTracer等仿真軟件畫出實驗拓撲結構圖，或在教師提供的初次設計圖上加以修改。

4）仿真設計分析。

有些仿真實訓任務難度較小，要求所有學生必須完成；有些難度較大，屬于選做型，通常挑選少數優秀學生完成，并給予一定平時成績獎勵。選做題目一旦順利完成，必須參與答辯。

（1）初次仿真包設計：為了降低學生完成仿真任務的難度，同時也讓學生對項目的邏輯設計結果有一個初步認識，我們為學生提供了能夠直接測試和運行的初次仿真包。學生在動手實驗前先觀察初次仿真包的運行情況，對一些指標作出合理分析。endprint

（2）二次仿真設計：二次仿真設計是指學生在教師提供的實驗任務和初次仿真包的基礎上，根據實驗任務要求進行獨立思考，完成最終的仿真設計任務。這一步任務的成功與否取決于學生的主動性和實驗思考題的引導。例如，“多層交換設計”項目中，VLAN路由的問題復雜性有3個層次：單交換機不同VLAN如何路由、多交換機同一VLAN如何路由、多交換機不同VLAN如何路由，通過思考題逐步引導學生完成這3個層次的仿真設計。再例如“WLAN網絡互聯設計”中，Cisco AP和Linksys WRT300N配置方法大同小異，但AP通常用作集中器和橋接器用，而WRT300N則是一個寬帶路由器，通過思考題也可以引導學生深入理解這兩類無線設備的用途差別。

5）測試與驗證。

測試與驗證針對不同仿真任務有所不同，有些任務需要進行連通性測試，有些任務需要對路由協議性能進行測試，有些任務則需要對時延、吞吐量、丟包率等進行QoS測試。

6）優化與調整。

學生完成仿真任務測試后，如果發現問題或有新的想法，可以在指導教師的幫助下進行新的設計。優化與調整是通過精心設計的思考題來激發的，是鍛煉學生思維能力的關鍵步驟。

3 實訓效果分析

筆者嘗試仿真實訓教學方法5年有余，近年來通過總結和整理，將主要教學內容編寫成教材并出版，得到國內同仁廣泛支持。實際教學效果也比較大，往屆學生中有2人在畢業3年內通過CCIE認證，有5人通過CCNP認證。2012年取得H3C網絡大賽湖北省賽區本科組第5名（三等獎），Cisco網絡大省級一等獎2人。

以2013年教學情況為例，我們對42人的?？瓢嗉壗y計了前6個任務的完成情況，對一個27人的本科班級統計了后6個任務的完成情況，實訓教學效果分析如表1所示。其中一般難度任務的實訓項目完成情況較好，基本上所有學生都能順利完成實驗任務；而較難級別任務選題學生數不多，且完成率低于選題學生的50%；最后一個“無線網絡仿真與分析”項目始終無人選擇。

4 結語

網絡工程實驗教學的關鍵是通過不同層次的實驗內容設計幫助學生掌握系統化的網絡工程項目設計方法。本文結合項目驅動式教學思想，通過在傳統實訓教學方案的基礎上增加“仿真設計分析”和“優化與調整”兩個環節，構建了切實可行的教學方案，培養了學生的工程化思維能力，在學生高層次就業和專業競賽中取得較好成績。未來的工作還將進一步研究仿真項目的規模化和難易搭配的合理性問題，使實驗計劃的編排更合理。

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（見習編輯：劉麗麗）endprint