以科研項目為支撐的短學期實踐教學設計

徐 慧

以科研項目為支撐的短學期實踐教學設計

徐 慧

（湖北工業大學 計算機學院，湖北 武漢 430068）

為了落實我校“721”梯級、分類、多元人才培養模式改革措施，切實強化網絡工程專業和物聯網工程專業本科生短學期實踐教學環節，嘗試依托現有科研項目為本科生專業實踐提供支撐。該文從選題、實施和過程管理3個方面進行了介紹。

短學期；實踐教學；科研項目

我校在本科教學層次上積極推進“721”梯級、分類、多元人才培養模式改革，不斷完善實踐教學體系，除了春季和秋季兩個常規學期外，還特別增加了夏季和冬季兩個短學期，分別為4周和2周，專門用于本科生的專業實踐教學。為了落實這一改革措施，強化網絡工程專業和物聯網工程專業本科生的短學期實踐教學環節，采取了依托現有科研項目為本科生專業實踐提供支撐的做法。本文從以科研項目為支撐視角出發，提出網絡工程專業和物聯網工程專業本科生短學期實踐教學設計方案，以幫助學生通過科研項目提升專業實踐能力。

1 短學期實踐教學的選題

1.1 以科研項目作為選題基礎

以教師科研項目作為本科生短學期實踐教學選題的基礎，是我校在本科教學層次上積極推進“721”梯級、分類、多元人才培養模式改革中，逐漸成熟起來的短學期實踐教學實施方案。我國不少高校也有類似的研究與嘗試，例如，文獻[1]從本科生科研訓練的內涵、訓練計劃對師生的要求、對學生的能力要求及訓練流程、訓練計劃實施、保障舉措等5個方面對基于教師科研項目的本科生科研訓練計劃進行了研究。

針對網絡工程專業與物聯網工程專業本科生，下一代互聯網體系結構是其短學期實踐教學選題的重要內容。在下一代互聯網體系結構項目中，斯坦福大學的Clean Slate研究組提出了關于如何改變傳統互聯網體系結構的方案，即軟件定義網絡（software-defined networking，SDN），其核心思想是開放網絡基礎設施，將數據平面與控制平面分離，實現可編程化的控制，從而無須改動網絡設備便可實現新型的網絡協議和拓撲構架。目前，推進SDN標準化的開放網絡基金會（open networking foundation，ONF）[2]對OpenFlow標準與規范進行了維護和發展。ONF提出的OpenFlow協議使用基于流的方法，并采用主從模型，允許OpenFlow控制器作為主設備去控制大部分網絡操作，特別是作為從設備的OpenFlow交換機的轉發規則。SDN技術可以作為網絡工程專業和物聯網工程專業本科生虛擬化實踐教學的基礎。文獻[3]提出了基于SDN的安全攻防虛擬仿真實戰平臺，文獻[4]提出了基于SDN的網絡虛擬化實驗教學方案。

本文以國家自然科學基金資助項目“SDN管理信息的基元表示與可拓方法研究”和“SDN網絡管理的信息模型融合問題研究”為支撐，為網絡工程專業和物聯網工程專業本科生短學期實踐教學設計了“下一代互聯網體系結構”方向的選題。

1.2 短學期實踐教學選題過程中的問題

盡管有國家級科研項目作為支撐，短學期實踐項目選題工作也并非一帆風順。原以為直接使用科研項目題目作為本科生短學期實踐項目選題題目，會使學生備感挑戰性，從而獲得學生青睞，但實際情況卻是，這類研究風格的題目讓人望而卻步，少有學生選擇。

為了避免科研項目的理論研究部分對學生造成較大的心理負擔，嘗試對科研項目本身進行合理分解，將需要突破性理論研究的部分留給項目組研究生，而將一般性的理論研究、實驗驗證和系統開發按模塊劃分為本科生短學期實踐項目。同時，將選擇短學期實踐項目的學生條件設置為網絡工程專業和物聯網工程專業有一定專業基礎的高年級本科生，以幫助他們更好地理解下一代互聯網體系結構，為今后的畢業實習和畢業設計打下基礎。

2 短學期實踐教學的具體實施

2.1 幫助學生理解科研項目所涉及的背景知識

研究表明，SDN可用于優化網絡管理[5-8]。對于SDN而言，除了數據平面、控制平面和應用平面之外，還需要一個管理平面。從短學期實踐教學的角度，首先應努力幫助學生理解SDN層次結構，特別是管理平面與控制平面的各種關聯方式，以及它們與南向的數據平面和北向的應用平面之間的交互，如圖1所示。

然而，SDN管理平面仍缺乏成熟的實現方案。在SDN與非SDN的集成環境中，不同網絡管理領域的互操作性尤為重要，其目的在于實現統一的操作與管理。本文前期工作[9]對SDN與非SDN的統一網絡管理展開了研究，并提出可拓實驗思路，為網絡工程專業和物聯網工程專業本科生以科研項目為支撐的短學期實踐教學實施方案提供了設計基礎。

圖1 SDN層次結構

2.2 幫助學生從專業課程實驗過渡到科研項目實踐

作為本科生短學期實踐教學支撐的項目，是國家自然科學基金資助項目“SDN管理信息的基元表示與可拓方法研究”和“SDN網絡管理的信息模型融合問題研究”，構建SDN網絡管理與非SDN網絡管理共存的異構網絡管理實踐場景是這兩個項目的重要內容。購置了OpenFlow交換機等SDN網絡設備，補充并更新了現有的支持簡單網絡管理協議（simple network management protocol，SNMP）的非SDN網絡管理設備，以滿足網絡工程專業和物聯網工程專業短學期實踐教學需要，支撐“721”梯級、分類、多元人才培養模式改革，切實強化實踐教學環節。

ONF在已有的網絡配置（network configuration，NETCONF）協議及其管理信息元模式YANG語言的基礎上，提出并維護、發展了面向SDN網絡管理的OpenFlow管理與配置協議OF-CONFIG（目前的最新版本是1.2）[10]。其中，NETCONF協議[11]作為OF-CONFIG的傳輸協議，而YANG語言[12]則有利于OF-CONFIG數據模型的定義。需要注意的是，OF-CONFIG協議還在不斷發展中，仍不夠成熟，而其管理對象也僅局限于OpenFlow網絡。以國家自然科學基金資助項目為支撐，圖2給出本科生短學期教學所依托的SDN網絡管理與非SDN網絡管理共存的實踐場景。

如圖2所示，管理信息結構第二版（structure of management information version 2，SMIv2）是SNMP MIB的數據建模語言，而YANG是OF-CONFIG MIB的數據建模語言，同時，基于OF-CONFIG的網絡管理采用的是NETCONF協議操作。

由此可見，引入SDN網絡管理與非SDN網絡管理共存的實踐場景，有利于網絡工程專業和物聯網工程專業本科生更好地理解科研項目實施過程中所面臨的技術挑戰，啟發他們在短學期實踐過程中積極探索這兩類網絡管理的融合方案。

圖2 SDN網絡管理與非SDN網絡管理共存的實踐場景

3 短學期實踐教學的過程管理

借助于我校實習管理云服務平臺，可以對短學期實踐教學活動進行過程管理。

將短學期實踐教學活動中的報名審核、周日志批閱、實習評價、報告批閱、實習成績鑒定和實習檢查等具體環節進行合理分解和有效管理。以周日志批閱為例，主要是對學生每周提交的短學期實踐周志進行批閱，一方面為學生提供總結反思的平臺，學生利用此平臺對短學期實踐的具體工作內容、遇到的問題、解決方案和感想進行詳細總結，另一方面也便于短學期實踐指導教師了解學生工作進度并為學生提供指導。

4 結語

本文針對網絡工程專業和物聯網工程專業本科生短學期實踐教學，提出以科研項目為支撐的短學期實踐教學設計方案，并從選題、實施和過程管理3個方面進行了介紹。短學期實踐教學設計方案旨在為網絡工程專業和物聯網工程專業本科生提供一個依托真實科研項目提升專業實踐能力的平臺，從而促進我校本科教學“721”梯級、分類、多元人才培養模式改革。

[1] 楊秀平，李二超.基于教師科研項目的本科生科研訓練計劃研究[J].實驗技術與管理，2017, 34(9): 16–19.

[2] Open Networking Foundation[EB/OL]. Available: www.openn-etworking.org, 2019.

[3] 葉福玲，張棟，林為偉.基于軟件定義網絡的安全攻防虛擬仿真實戰平臺[J].實驗技術與管理，2018, 35(11): 125–129.

[4] 申海杰，陳靖，陳曉范，等.基于SDN的網絡虛擬化實驗教學方案[J].微型電腦應用，2018, 34(1): 32–36.

[5] LARA A, KOLASANI A, RAMAMURTHY B. Simplifying Network Management using Software Defined Networking and OpenFlow[C]. IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommuncations Systems, 2012: 24–29.

[6] KIM H, FEAMSTER N. Improving Network Management with Software Defined Networking[J]. IEEE Communications Magazine, 2013, 51(2): 114–119.

[7] SHARMA P, BANERJEE S, TANDEL S, et al. Enhancing network management frameworks with SDN-like control[C]. Proceeding of 13th IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Mangement, 2013: 688–691.

[8] KUKLINSKI S, CHEMOUIL P.Network Management Challenges in Software-Defined Networks[J]. IEICE Transactions on Communications, 2014, E97-B(1): 2–9.

[9] 徐慧. SDN與非SDN的統一網絡管理及其可拓實驗思路[J].實驗技術與管理，2015, 32(12): 194–196.

[10] Open Networking Foundation. OpenFlow Management and Configuration Protocol 1.2 (OF-CONFIG 1.2)[EB/OL].Available: https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow-config/of-config-1.2.pdf, 2014.

[11] ENNS R, BJORKLUND M, SCHOENWAELDER J, et al.Network Configuration Protocol (NETCONF)[G]. RFC 6241, 2011.

[12] BJORKLUND M. ed. YANG - A Data Modelling Language for the Network Configuration Protocol (NETCONF)[G]. RFC 6020, 2010.

Design of short-term practical teaching based on scientific research projects

XU Hui

(School of Computer Science, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

In order to implement the reform measures of “721” cascade plan, classification and multi-talent training mode in the university, the short-term practical teaching of undergraduate students majoring in network engineering and Internet of things engineering has been strengthened, and the support for undergraduate students’ professional practice relying on existing scientific research projects is provided. This paper introduces the topic selection, implementation and process management for the reform program.

short-term; practical teaching; scientific research project

TP393；G642

A

1002-4956(2019)09-0169-03

2019-01-23

國家自然科學基金資助項目（61602162，61440024）；教育部產學合作協同育人項目（201702065074，201801193001）；湖北省高等學校省級教學研究項目（2017307）；湖北工業大學校級教學研究項目（2018016，2015017，2013018）；湖北工業大學博士科研啟動基金計劃項目（BSQD12029）

徐慧（1983—），女，湖北武漢，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為網絡與服務管理。

E-mail: xuhui@mail.hbut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.043