面向實踐型人才培養(yǎng)的交換與路由課程教學實踐

齊建東　高寶

摘要：交換與路由課程是高等學校網(wǎng)絡工程專業(yè)必修課。文章通過介紹北京林業(yè)大學的課程內容、實踐條件、實驗教學實施方式、授課方式和考核方式，闡述以培養(yǎng)實用型人才為目標，圍繞虛擬教學平臺開展的理論及實踐教學方案。

關鍵詞：交換與路由；實踐教學；虛擬實驗平臺

0 引言

2012年7月，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會發(fā)布了《高等學校網(wǎng)絡工程專業(yè)規(guī)范（試行）》，這也是首次對網(wǎng)絡工程專業(yè)內涵等的統(tǒng)一認識與界定。網(wǎng)絡工程專業(yè)在培養(yǎng)目標上，側重網(wǎng)絡的設計、規(guī)劃、管理、維護等5大層面。作為構建網(wǎng)絡連通性的交換技術和路由技術，是上述專業(yè)目標得以實現(xiàn)的基礎[2]。交換與路由技術關注于建立網(wǎng)絡的連通性，是把各種網(wǎng)絡物理設備連接在一起的紐帶，是各種網(wǎng)絡上層應用得以實施的底層基礎。交換與路由課程內容在網(wǎng)絡層次模型上的落腳點是TCP/IP模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。

顧名思義，交換與路由課程在內容上由交換技術和路由技術兩部分組成。其中交換技術研究園區(qū)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)交換技術，在物理設備上圍繞二層、三層交換機展開；路由技術側重互聯(lián)網(wǎng)中通信子網(wǎng)的網(wǎng)絡連通性，通常屬于運營商的管理范圍，在物理設備上圍繞路由器、三層交換機展開。交換與路由課程的前修課是計算機網(wǎng)絡原理課程，是針對計算機網(wǎng)絡原理中IP路由、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等章節(jié)內容的深化和實踐。合理的計算機網(wǎng)絡原理的知識結構和知識內容，是交換與路由課程開展的必要支撐。交換與路由課程的后續(xù)課包括有網(wǎng)絡工程、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡協(xié)議分析等。綜上可以看出，交換與路由是一門實踐類課程，是在計算機網(wǎng)絡原理基礎上的應用環(huán)節(jié)。教育部推出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）旨在培養(yǎng)適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的各類型高質量工程技術人才，重點強調培養(yǎng)學生的實踐能力。就交換與路由課程而言，與這一目標十分貼切。

1 交換與路由課程內容

北京林業(yè)大學網(wǎng)絡工程專業(yè)在交換與路由知識的學習上，共涵蓋兩門課程：交換與路由（56學時）、交換與路由綜合實驗（40學時），理論學習與實踐操作并重。兩門課程獨立考核，總學時數(shù)高達96學時，可以反映出交換與路由技術對網(wǎng)絡工程專業(yè)的重要程度。56個學時的交換與路由課程包含了46學時的理論、10學時的課程實驗。理論部分專注原理剖析，主要知識點包括路由協(xié)議基礎、距離向量路由協(xié)議、鏈路狀態(tài)路由協(xié)議、路徑向量路由協(xié)議、RIPv1/2路由協(xié)議原理、OSPF路由協(xié)議原理、BGP路由協(xié)議原理、訪問控制列表、路由控制、交換基礎、交換知識點（VLAN、STP、VTP等）。10學時的課程實驗屬于針對課堂理論講解的驗證性實驗。40學時的交換與路由綜合實驗課程是對理論學習的綜合性實驗，從復雜拓撲結構人手、建立分散的知識點之間的關聯(lián)。

2 交換與路由課程教學過程

2.1 課程特點及教材選用

交換與路由作為網(wǎng)絡工程專業(yè)的核心課程，不僅在教育科研領域深受重視，在工業(yè)界也扮演著重要角色。網(wǎng)絡設備生產(chǎn)商中，華為、思科（Cisco）、詹博（Juniper）3家企業(yè)占據(jù)市場絕大部分份額，也都建立起了面向網(wǎng)絡工程師的針對交換和路由方向的網(wǎng)絡認證考試。其中，思科公司在網(wǎng)絡教育以及網(wǎng)絡知識普及上所做出的貢獻尤為突出，和國內眾多高校合作建立思科網(wǎng)絡技術學院。思科出版社也出版發(fā)行了各個網(wǎng)絡教育層次的教材，但通常以認證為導向。國內也有部分高校出版了“交換與路由”相關教材，但從調研來看，目前還沒有成熟度較高的經(jīng)典教材。鑒于此，我們在為北京林業(yè)大學學生授課過程中，參考業(yè)界領先的思科網(wǎng)絡教育學院教材，在其基礎上對內容進行裁剪，形成適合北京林業(yè)大學網(wǎng)絡工程專業(yè)學生特點的教學講義。自編教材首先要符合本科教學學時數(shù)；教學內容上原理和實踐并重，既側重原理，又不能光說不練，但也不以企業(yè)認證為目標。教學實踐表明，枯燥的網(wǎng)絡協(xié)議等理論知識，只有和實踐操作結合在一起，才會更容易被吸收消化。交換與路由課程與計算機程序設計語言課程有很大的相似性，只記住理論，而不動手實踐，便毫無意義。要動手實踐，必須依托目前主流網(wǎng)絡設備生產(chǎn)商的產(chǎn)品。

2.2 網(wǎng)絡實驗室實踐條件

截止2012年，北京林業(yè)大學網(wǎng)絡工程實驗室有25臺Cisco 2821路由器、12臺Cisco Catalyst2950二層交換機、13臺Cisco Catalyst 3650三層交換機、一臺PC服務器。設備數(shù)量總體較少，以一個標準班30人計算，也不足以讓每個學生都在一個較大的拓撲上進行操作。實驗室的建設需要一個過程，在資金投入有限、設備不能立即到位的前提下，我們劃分了兩個階段，充分利用網(wǎng)絡實驗的教學資源，具體做法是：課程初期，讓學生在網(wǎng)絡實驗室中了解、認知網(wǎng)絡物理設備，用較少的設備就可以完成一些基本的驗證性實驗；課程后期：我們把網(wǎng)絡設備整合成5套拓撲，每個拓撲由5臺路由器和2臺三層交換機組成，可以滿足交換與路由課程全部教學內容的實驗要求。實驗室采取開放策略，學生可以預約時間隨時操縱物理設備。教學實踐表明，這種方案一定程度上彌補了由于設備數(shù)量不足所帶來的教與學的困境。

2.3 構建虛擬平臺

在熟悉對網(wǎng)絡物理設備的連接、配置以后，課上的理論講解、課下的自主學習，都切換到Dynamips虛擬平臺。Dynamips仿真了部分型號思科路由器硬件環(huán)境，加載真實的思科網(wǎng)絡操作系統(tǒng)iOS，類似于VMware、VirtualBox等可以加載PC操作系統(tǒng)。Dynamips啟動以后，通過Telnet方式連接Console口來登錄路由器，之后的操作就和登錄到真實物理設備完全一致了。基于此，我們編寫了如何構建網(wǎng)絡虛擬平臺的教學文檔，內容涵蓋了GNS3、Dynamips、Wireshark、Vware、VirtualBox、JUNOS、PIX防火墻、ASA、IDS，全面講解了在GNS3集成環(huán)境下，各網(wǎng)絡軟件的配置、使用，在學期初就下發(fā)給學生并組織集體學習。在GNS3環(huán)境下，借助于Dynamips等虛擬機，學生可以在自己的筆記本電腦上構建一個包含二層交換機、三層交換機、幀中繼交換機、ATM交換機、路由器、防火墻、IDS等設備較完整的Intemet環(huán)境。GNS3提供了以鼠標拖曳方式構建拓撲，在網(wǎng)絡運行中，也可以動態(tài)地改變拓撲結構，具有較強的靈活性。96學時的教學實踐表明，Dynamips實驗環(huán)境可以支撐本科階段交換與路由課程中路由部分的全部內容、交換部分的大部分內容。學生可以不受時間、實驗室的限制，自主學習。endprint

2.4 課堂教學

課堂教學由兩部分組成：理論講解、現(xiàn)場實驗驗證。教師在課堂環(huán)境現(xiàn)場實驗來驗證協(xié)議原理及交互過程是本課程教學的特色之一。其中理論講解環(huán)節(jié)采用多媒體方式，圍繞路由協(xié)議原理的分析、協(xié)議特性進行講解；鼓勵學生把筆記本電腦帶進教室，既可以做電子筆記，動手能力強的學生還可以隨時跟進教師的課堂實驗驗證；鼓勵學生進行問題攻擊，在攻擊性問題的講解過程中，往往能讓全部學生都集中注意力。在動手實踐環(huán)節(jié)，每次講解完一個知識點，馬上就當場實驗驗證。路由協(xié)議的工作原理，反映在路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包封裝上，而GNS3環(huán)境下Dynamips和Wireshark做了很好的集成，直接在拓撲結構的鏈路上實施數(shù)據(jù)包捕獲，可以查看協(xié)議的交互完整過程和數(shù)據(jù)包封裝細節(jié)。把枯燥的協(xié)議和鮮活的協(xié)議數(shù)據(jù)包有機結合在一起，提升了學生學習積極性。不僅是記住原理，還要啟發(fā)學生這個協(xié)議是怎么實現(xiàn)的，和生活中哪些場景有關聯(lián)。

2.5 分解實驗

交換與路由在教學內容上，各章節(jié)的知識點相對獨立，自成體系。以路由為例，在講解完路由基本原理，讓學生了解了DV型路由協(xié)議、LS路由協(xié)議、PV型路由協(xié)議的基本原理以后，就可以獨立講解RIP、OSPF、路由控制、ISIS、BGP等各個協(xié)議。各個協(xié)議在知識結構上相互獨立，通過路由控制把各個協(xié)議重新組合在一起，進行互操作。為此，我們?yōu)槊總€章節(jié)都單獨給出了分解實驗，并且給每個實驗文檔加以4位數(shù)字的編號，同一類型知識點文檔的數(shù)字中第一個數(shù)字相同，學生可以快速索引到關于相關知識點的文檔。除了分解實驗之外，會提供給學生一個綜合的拓撲，可以有機地把分解知識組合在一起，即知識點模塊化、系統(tǒng)化。通過閱讀大量的分解實驗文檔，也可以培養(yǎng)學生自主學習的良好習慣。以BGP路由協(xié)議的學習為例，屬性是BGP協(xié)議的核心，也是BGP強大的選路能力的重要支撐，這部分作為學習重點。我們設定了同一個拓撲結構，根據(jù)具體需求，不斷調整各種屬性，來實現(xiàn)不同的選路，而每種屬性都做了實驗分解。

2.6 考核環(huán)節(jié)

交換與路由課程在教學效果評估上，采取了階段考核方式。整個學期在交換與路由理論課環(huán)節(jié)包括3個階段性考試，依次按30%、30%、40%的計分比例匯入總成績。各階段考試均采用無紙化方式，提供拓撲結構、需求分析的pdf文檔，學生根據(jù)需求完成配置，并回答若干關鍵問題。為防止抄襲，每個學生在配置拓撲結構時，都要把自己的學號作為接口IP地址中4個十進制數(shù)中的一個。3個階段的考試，可以讓學生整個學期都保持對這門課程的預習、復習和課外的實踐操作，從而在知識點的掌握、認知能力的提高上，有很大的促進作用。

3 交換與路由教學總結

3.1 存在的問題

在教學實踐過程中，最大的問題就是課程進度滯后于大綱安排，分析原因如下：①不習慣教師邊講解理論邊做實驗的教學方式。許多學生已經(jīng)習慣被動地“收聽”，而本課程要求邊聽課邊做電子筆記，涉及實驗還要動手實踐，精神和注意力高度集中，如果中間某個環(huán)節(jié)跟不上，就會造成脫節(jié)。教學方式、教學風格的變化需要重新形成并建立一種新的學習習慣，這需要一個適應過程。②部分學生對前修課程計算機網(wǎng)絡的基礎知識掌握不扎實，具體表現(xiàn)在：對TCP/IP層次模型了解不充分，對數(shù)據(jù)包的流動過程以及所涉及的協(xié)議沒有一個清晰的認識，對IPv4私有地址、公有地址、組播地址、廣播地址了解不充分。③全英文多媒體課件使部分學生閱讀理解起來會有一定的困難。交換與路由是在網(wǎng)絡工程專業(yè)大三第一學期開設，大部分學生已經(jīng)通過了大二下學期的英語四級考試，但仍然有部分學生跟不上節(jié)奏。

3.2 收獲

從教學反饋來看，主要包含以下兩點：從學生層面看，一定程度上改變了學生的學習觀念。理論和實驗并重的教學方式，學習強度大，讓課程學習真正成為一個持續(xù)地過程，學習不再是為了考試，避免了考前臨時突擊的現(xiàn)象。從教師層面看，摸清了學生在前修課計算機網(wǎng)絡課程上所欠缺和掌握不扎實的知識點，使得網(wǎng)絡教研組教師之間課程交流內容更加明確，進而對專業(yè)培養(yǎng)目標的定位也逐漸清晰。

4 結語

作為一門以實踐應用為導向的課程，交換與路由課程的建設是一個逐步深化的過程。下一步要做的工作包括：總結教學經(jīng)驗，在不斷完善自編教學講義的基礎上，規(guī)劃出版教材；繼續(xù)擴充分解實驗的數(shù)量，網(wǎng)絡教研組的教師共同討論，使實驗內容能夠跟上網(wǎng)絡技術的快速變化；外出調研，多和其他同行交流，不斷提高本課程的教學質量。

參考文獻：

[1]教育部高等學校教學計算機科學與技術指導委員會.網(wǎng)絡工程專業(yè)規(guī)范（試行）[M].北京：高等教育出版社，2012：1.

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[3]齊建東，袁津生.基于開源軟件構建計算機網(wǎng)絡課程的實踐教學[J].中國林業(yè)教育，2011（2）：57-60.

（見習編輯：劉麗麗）endprint