通信網絡仿真課程教學改革探討

摘 要：針對《通信網絡仿真》教學中存在的問題，從教學內容、實驗內容和考核方式等方面提出積極的改革思路，激發學生的學習興趣，注重培養學生實踐環節的動手能力。通過初步課程教學改革，不但增強學生對通信網絡和通信系統集群課程各個知識點理解，而且提高學生的編程動手能力和團隊協作能力。為今后更好的開展《通信網絡仿真》教學提供了基礎和參考。

關鍵詞：MATLAB OPNET 網絡仿真 通信網絡

中圖分類號：G43 文獻標識碼：A 文章編號1674-098X（2015）10（b）-0229-02

Teaching Reform of Communications Network Simulation Course

SUN Qiang，WANG Jue，XU Chen

（School of Electronic and Information，Nantong University，Nantong Jiangsu，226019，China）

Abstract：In view of these questions that exist in teaching and learning of Communications Network Simulation，from the aspects of teaching content，experiment content and examination mode，we propose positive teaching reform to stimulate students’learning interest，and pay attention to training the students’practice ability.The preliminary course teaching reformnot only enhances students’understanding for communication network and communication system courses，but also improves the students’programming ability and team cooperation ability.It provide a basis and reference for further teaching on Communications Network Simulation better.

Key Words：MATLAB；OPNET；Network Simulation；Communication Network

隨著通信網絡技術不斷快速發展，為了使通信工程專業的學生更好地掌握通信網絡關鍵技術，尤其是網絡協議及其仿真，該院已于2011年開設了《通信網絡仿真》課程。該課程是通信工程專業學生應掌握的一項綜合性的技術。該課程的開設，有助于配合通信網絡和通信系統集群課程實踐環節的開展。該課程一共32學時，其中實驗部分占16學時。課程最大的特點是能使學生在學習各專業通信技術的基礎上掌握各種通信系統物理層[1]、數據鏈路層以及網絡層協議及其仿真技術。結合多年的通信網絡仿真教學實踐，從教學改革的角度出發，發現存在如下一些問題：（1）搭建實際的通信網絡仿真環境進行教學研究，成本很高，但效果欠佳；（2）沒有適合本科生學習的教材，多數教材只側重于一種軟件來介紹通信網絡仿真；（3）無法將通信網絡和通信系統集群課程各個知識點之間聯系起來，難以對物理層和信道模型有深刻的認識，分析物理層對其他協議層的影響較為困難，例如：分析物理層道模型對數據鏈路層的影響。（4）大多數學生的軟件編程實踐能力有待加強。（5）學生的學習興趣和創新能力有待提高。為此，該文積極探索教學改革實踐，結合多年的教學經驗在教學內容、實驗內容和考核方式等方面提出如下的改革思路。

1 教學內容改革

在教學過程中，筆者一直在思考如何讓學生系統地掌握各層次通信網絡協議，以及各個網絡協議層如何仿真驗證？在多年的通信網絡仿真課程教學中遇到以下一些問題：（1）傳統的通信網絡協議的學習，需要高成本的通信網絡設備搭建通信系統，在真實的網絡環境下性能研究、網絡設計不僅成本巨大， 而且分析也十分困難，實驗模型不好搭建，教學效果欠佳[2]。（2）一些教材只是從理論上分析通信網絡協議的性能入手，展開通信網絡協議的介紹，抽象的教學內容使得學生難以理解，更不用提讓學生利用軟件編程來仿真驗證這些通信網絡協議，尋找一門適合本科生學習的網絡仿真教材也較為困難。

在實際教學中，筆者根據學生所掌握的知識結構，采用循序漸進、由淺入深的教學方式，首先從學生們熟悉的物理層技術和信道模型[1]開始講解，每次授課充分發揮多媒體教學的效率，安排一半課程時間用于協議原理介紹，一半課程時間用于仿真驗證演示，教師現場編程和講解可以讓學生建立良好的編程風格與習慣，根據多年的教學總結對學生容易出錯的地方需要重點講解，還需要幫助學生學會調試程序和使用軟件的幫助文件，這些都有助于學生提高實驗效率。通過課題上與學生的提問互動，及時了解學生掌握知識的情況，可以適當調整教學進度和安排，使絕大多數學生能夠適應安排的教學進度。然后，將教學內容從物理層逐步過渡到數據鏈路層和網絡層的介紹。重點要講解物理層與數據鏈路層之間、以及物理層與網絡層之間仿真的區別，以及它們之間的相互聯系。這是學生在該課程中學習的重點和難點。每堂課都要選擇典型的仿真實例進行講解，例如：在數據鏈路層可以選擇ALOHA協議，而網絡層則選擇AODV協議等。通過典型實例的講解，一方面便于學生理解理論知識；另一方面也有助于學生掌握編程仿真的技巧。最后，每次理論課結束，需要及時安排一堂實驗課進行鞏固練習，并要求學生做好實驗的預習工作，提高每次實驗課的效率。教材的選用需要涉及物理層、數據鏈路層以及網絡層等仿真內容，《MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真》[3]側重于物理層和數據鏈路層的介紹和仿真，學生較為容易掌握和理解，但是對于網絡協議內容的介紹較少，而《OPNET網絡仿真》[4]則主要以OPNET軟件為主介紹各種數據鏈路層和網絡層協議的仿真，但仿真編程較為復雜，短時間內難以熟練掌握，并且對物理層做了簡化處理。筆者借助這兩本教材，將兩本教材的主要內容相互補充，在此基礎上編寫了更加適合于學生掌握的《通信網絡仿真》的教學和實驗講義。

2 實驗內容改革

筆者在長期實驗教學中摸索發現，上機實驗也是本課程最為重要的教學環節，直接關系到學生掌握理論知識的情況，借助仿真軟件對通信網絡協議仿真可以加深學生對理論知識的理解。傳統教學中采用專用的網絡仿真軟件OPNET[4]進行理論和實踐教學，但是OPNET較為復雜，學生難以在短期內熟練掌握，因此，只能安排較為簡單的驗證性實驗進行介紹。在有限的課時內學生很難提高動手編程能力。在實踐中學生普遍反映與實際知識之間聯系性不強，不夠直觀，實驗教學的改革成為教學中的難點。如何在有限的實驗課時內提高學生的動手編程能力是筆者在長期教學過程中一直思考的問題。

針對不同層次的學生，開展驗證性、設計性與創新性實驗，使學生更加全面深入的理解所學的專業知識，由教師主導進行實驗向學生自主性實驗的方向發展。采用MATLAB與OPNET軟件相結合，一部分簡單的協議以及物理層技術可以采用學生較為熟悉的MATLAB軟件進行仿真驗證性實驗[5]，既可以讓學生鞏固前面所學的關于通信原理和通信網絡相關理論知識，還可以較好地掌握編程的基本技能。在有限的課時內，實驗內容安排必須有側重點，對于大部分學生來說，需要利用MATLAB和OPNET軟件來設計仿真ALOHA、CSMA以及CSMA/CA等協議[6]。通過利用兩種不同軟件仿真相同的協議，從中進一步體會離散事件仿真與連續時間仿真的區別，有助于學生更好的學習OPNET軟件。對于OPNET掌握較好的學生可以鼓勵他們研究網絡層更為復雜的DSR和AODV等協議。通過深入研究各種網絡協議，調動一部分學生研究的積極性，引導部分學生開展一些創新性實驗，鼓勵學生參加老師開展的相關課題項目的研究，通過不斷實踐的積累，為今后的畢業設計和科學研究打下堅實的基礎，也為學生創新能力的培養創造有利條件。

3 考核方式改革

該課程的考核方式采用平時實踐考核與期末實踐考核相結合的方式，最后的總評成績由平時成績和期末成績各占50%。實踐課程是需要長期積累的，不是通過期末臨時突擊就能夠掌握好的。平時實踐考核在每次實驗課時進行，對每位同學的預習情況、完成情況、提問情況以及實驗報告進行打分，充分考查學生獨立分析與思考的能力。通過加強平時的考核，引起學生對課程的重視程度，調動學生學習的主動性。在進行實驗前，花5 min左右的時間進行實驗前提問，檢查學生實驗預習情況，這樣有助于提高實驗完成的效率。期末實踐考核安排基本實驗題和綜合性實驗題，讓學生分組完成，并且撰寫實驗報告，主要考查學生的團隊協作能力。每組安排4人左右，每位同學需要承擔部分設計任務。完成后需要演示答辯，老師對該組每位同學所承擔的任務分別提問。最后根據完成情況、答辯情況和實驗報告綜合給出分數。期末考核中基本實驗題是每位同學在規定時間內都要單獨完成，而綜合實驗題可以利用課后時間由團隊成員協作來共同完成，最后在集中驗收。基本實驗題分數占60%，綜合性實驗題分數占40%。

4 結語

通過課程教學改革與實踐，近年來我院通信工程專業學生通過《通信網絡仿真》課程的學習，不但增強對通信網絡和通信系統集群課程各個知識點的聯系與理解，而且有效提高了學生的編程動手能力和團隊協作能力，為學生今后完成畢業設計以及相關課題研究打下良好的基礎。但教學探索改革還有很多工作需要做，所以《通信網絡仿真》課程教學改革還要不斷深入的研究探討。

參考文獻

[1]張士兵，章國安.“通信原理”課程教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2006（4）：10-13.

[2]孫強，徐晨，黃勛.“現代通信網”課程實驗教學研究[J].電氣電子教學學報，2009，31（6）：66-68.

[3]劉學勇.MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4]陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]邵佳，董辰輝.MATLAB/仿真通信系統建模仿真實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

[6]江漢，王呈貴，沈良.基于Matlab仿真的信道接入協議教學設計[J].電氣電子教學學報，2015，37（1）：106-110.