基于復雜工程問題的網絡專業綜合性實驗項目建設

張 進，楊 寧，方 曼，虞紅芳，陳偉建，陳 蘋

（電子科技大學a.英才實驗學院；b.信息與通信工程學院；c.教務處，成都611731）

0 引 言

提高人才培養質量是高等教育的永恒主題。隨著信息化時代的到來，在工程教育認證的深入探討與推進、新工科建設的提出等背景下，各高校在本科工程教育上開展了很多有益的改革實踐。大家一致形成的核心理念是本科工程教育要轉變模式以學生為中心，以產出為導向，以能力培養為目標［1-4］，基本定位是培養學生解決復雜工程問題的能力。

具體落實到教學實施上，課程教學是關鍵環節。課程教學內容的精心設計與實施是體現復雜工程問題能力培養最重要的部分。特別是實驗課程，一個好的實驗項目可以很好地鍛煉學生綜合應用所學專業知識，培養系統性集成的能力。本文將詳細介紹網絡工程專業中，基于復雜工程問題的綜合課程設計，其實驗項目設計，以及實驗開展的具體做法和教學效果。

1 復雜工程問題的理解

什么是復雜工程問題？工程教育認證標準用如下7個特征進行了刻畫。①必須運用深入的工程原理經過分析才可能解決；② 需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突；③ 需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④ 不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦ 具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題［5-6］。

其中第1條是必備的，它指出了復雜工程問題的本質；第2到第7條是可選的，它們可以看作是復雜工程問題的表象［1-2］。

《標準》的12條畢業要求中“復雜工程問題”出現了9次，要將畢業要求的達成細化分解到課程的相應教學活動中，其透出來的要求與“解決復雜工程問題能力”的要求是一致的［2］。

綜合課程設計開設在網絡工程專業的第6學期，是專業的綜合性實驗課程［7］，目標要求學生以團隊方式完成課題，進行工程設計、研究、開發、集成等能力的基礎訓練，培養學生掌握網絡工程規劃、設計與實施能力［8］，培養學生理論與實踐相結合的動手能力、團隊協作能力和溝通交流能力［9］。

本文將以實驗課程中的“大型園區交換網專題設計”實驗項目為例，詳細介紹教學內容設計與實施如何培養學生解決復雜工程問題的能力。

2 以復雜工程問題的視角設計實驗項目的教學內容

基于對復雜工程問題的理解，課程在設計實驗項目上要綜合考慮，很好地符合“復雜工程問題”的特征［10］。“大型園區交換網專題設計”實驗項目很好地匹配了復雜工程問題的特征①、②、⑥、⑦。

（1）實驗項目符合必備特征①需要運用深入的工程原理經過分析來解決。學生需要綜合應用網絡專業知識和工程知識來分析和解決問題，不是單純的一、兩種網絡技術知識，而是要掌握組網工程設計以及網絡接入控制系統設計的技術原理和工程要素。而且項目設計沒有統一的標準答案，每個項目小組可以采用不同的技術手段實施不同的設計方案來達成項目目的。

實驗項目要求8～10人1組，根據專題設計背景進行項目需求和技術原理分析，設計實驗網絡拓撲、實驗網絡的VLAN/IP編址、專題設計需求的驗證方案和實驗操作步驟；并依據設計內容，綜合運用OSPF路由和鏈路冗余技術，使用實驗室網絡實驗設備配置構建一個冗余架構的大型園區交換網絡，并用隧道和雙協議棧技術實現IPv4園區網內部分IPv6網絡之間的資源互訪以及部分IPv4主機對IPv6資源的訪問。

這個實驗項目首先需要學生深入分析園區網絡拓撲、VLAN/IP子網、OSPF路由、雙出口接入因特網、網絡安全、IPv4/v6雙協議棧和隧道技術等工程技術原理，對項目任務進行需求分析，確定設計目標。

然后根據項目的實施環境約束（實驗室網絡設備的功能、型號和數量、實驗室計算機的軟硬件配置、實驗室的網絡布線系統等）和項目需求約束（網絡安全訪問、支持的用戶規模、通信的可靠性等），充分考慮網絡工程建設的需求（項目需求）、造價（拓撲連接和地址規劃成本）和工期（課程學時）要素，設計并優化項目的設計方案、實施方案和驗證方案。

確定方案后，使用相應的網絡設備、線纜和軟件系統，實現項目設計、實施和驗證方案；觀察、記錄、分析項目實現過程中的各種實驗數據（網絡設備或軟件的配置數據、運行數據、調測數據等）；通過運行和調測數據進行故障排除；檢驗實現結果是否達到設計目標、滿足項目需求。

（2）實驗項目符合選擇特征②和⑥需求涉及多方面因素且要平衡多方利益。復雜工程問題不是復雜技術問題，需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。而且問題相關各方利益不完全一致，需要有所平衡［6］。

實驗項目的具體組網設計需求在實驗指導書中確定規定，摘要如下：

某企業集團為了加快信息化建設，將構建一個大型園區網絡，作為支持該集團辦公自動化、供應鏈管理以及應用系統運行的基礎設施。為了確保整個信息系統的正常運行、安全和發展，該園區網絡的具體組網需求分為5個部分。① 網絡拓撲需求：采用“核心-接入”二層設計結構，將分設在A、C和D樓中的主干網3臺核心三層交換設備連接成環形，建成高速、穩定、可靠、安全的交換式網絡。②VLAN和IP編址需求：為實現企業所有部門內部辦公自動化，提高工作效率和管理服務水平，采用VLAN進行部門間的隔離，并使用VLAN間路由解決部門之間的通信［11］；園區網內部采用A類私有IP地址進行IP子網劃分，然后通過NAT技術訪問Internet。③ 路由需求：為了降低網絡的運維管理成本，整個園區網采用多區域的OSPF路由選擇協議，并實現OSPF區域間路由聚合。④ 安全需求：出于企業的商務安全需求，需要對訪問企業Web服務器、訪問Internet等部分通信流量進行限制。⑤接入互聯網需求：為了保證網絡出口穩定可靠，企業分別向ISP-A和ISP-B申請了兩條Internet線路，要求在這兩條線路上實現基于策略的負載均衡和冗余備份［12］。

從以上設計需求中可以看到，這個實驗項目需要綜合運用多種網絡技術：VLAN及VLAN間通信技術、OSPF的區域與路由聚合技術、IPv6編址、隧道和雙協議棧技術、訪問控制列表（ACL）技術、策略路由技術、網絡地址轉換（NAT）技術；同時還要在特殊的實驗室環境中進行驗證，即使用固定分布在不同實驗臺機柜中的多個網絡設備供應商（華為、銳捷、思科）的不同類型、不同型號的網絡設備（二層交換機、三層交換機、路由器等）。因此，在方案設計中要綜合考慮技術、工程、經濟、環境等多方面的因素，認識、理解實驗網絡與實際網絡之間的差異［13］，以及不同網絡設備廠商的設備配置和運行差異。例如：① 在拓撲設計時，要考慮實驗室網絡布線環境對項目實驗網絡拓撲結構的約束，基于實際網絡布線工程中的樓宇間布線原則，以盡量少的網絡布線成本（線纜數量、線纜長度）設計機柜間的設備連接拓撲。②在IP網絡規劃時，要綜合考慮實驗室設備數量及其位置分布情況與項目中的信息點分布需求，以盡量少的地址消耗代價和實驗設備數量進行IP聚合編址設計。

這個項目讓學生在網絡系統的構建設計中，有體現知識、技術、方法等的綜合應用［6］。同時與工程實際吻合，除了技術問題，還要考慮安全問題，綜合用戶便捷使用、全面覆蓋以及經濟、環境等多方利益，追求一定目標下的平衡。另外分組方式開展實驗，學生在小組工作方式下學習協作、溝通、表達、組織［14］。

（3）符合選擇特征⑦包含多個相互關聯的子問題。網絡工程本身包含了眾多相互關聯的子系統：網絡及通信子系統、服務器及存儲子系統、軟件子系統、環境支撐子系統；每個子系統又包含眾多相互關聯的子問題。

實驗項目主要針對其中的網絡及通信子系統，涉及網絡拓撲問題、VLAN/IP編址問題、路由問題、網絡安全問題、雙出口接入互聯網問題、IPv4/v6共存環境下的通信問題等。所有這些子問題均相互關聯，需要綜合運用有效的技術手段來實現滿足項目設計需求的網絡系統。例如：項目的安全需求中要求“安全部和財務部不能訪問Internet”，這一需求可以有兩種實施方案：①僅考慮單一的安全問題——在某些路由器上使用ACL技術過濾掉這兩個部門發往Internet的IP分組，或者是Internet發往這兩個部門的IP分組。②關聯安全問題與接入互聯網問題——在接入互聯網的路由器上配置NAT可轉換的內網地址池不包括這兩個部門。如果采用方案②，在配置NAT可轉換的內網地址池時，還需要關聯考慮接入互聯網的雙出口負載均衡和冗余備份問題：是用NAT技術、還是用策略路由技術實現雙出口負載均衡和冗余備份［15］？

實驗項目允許每個小組自行選擇適當的技術進行設計與實現，但是要求學生在設計方案討論環節中能夠對不同的技術方案進行一定程度的評價（小組互評）。

3 以解決復雜工程問題為目的的教學實施效果

從前面介紹的實驗項目內容中，不難看出學生完成復雜工程問題項目的難度和挑戰，課題都是綜合性的，難度比較大。課程科學安排教學環節，配備有經驗的助教，在關鍵節點上給予指導；教師和助教觀察學生做實驗的過程，聽他們自己講設計，講實驗步驟，講實驗過程，對大的方向進行糾正，細節不做過多地評判讓他們自己去體驗；創造良好的討論氛圍，采用合理的考核評價，這些都是積極推動學生能力培養的有效舉措。

課程分為方案設計、方案實現、課程設計報告以及技能評估4個環節，有劃分很細的評分細則。既有方案的主觀評價、也有細分的功能性指標評價；既有老師的評價、助教的評價、也有學生的小組互評，組內成員的貢獻度評價，并在不同的環節組合不同的評價方式；既有形成性評價、又有結果性評價［16］，項目方案的實現效果最終要以拍攝一個視頻展示出來，非常直觀。項目需求分析和方案設計階段，要組織每組進行匯報答辯，用小組互評的方式給出建議，考慮不周全的部分老師和助教會及時提醒，這樣小組可以及時調整。

有的項目小組可以分工合作，充分發揮每個成員的優勢，體現集體的智慧，最后的方案設計和實現常常讓老師都大為贊賞。這極大地鼓舞了學生的自信心，他們在展示自己作品的時候由衷地感到自豪，部分優秀的學生甚至在自己上這門課程的時候就下定決心第二年要擔任課程助教，用自己的經驗去指導和影響下一個年級的學弟學妹們。圖1是一個項目小組的網絡方案設計原理圖。

圖1 某學生項目小組的網絡方案設計原理圖

實驗項目使用主流廠商的網絡設備進行方案實施，很多相關網絡設備的配置、軟件的安裝調試、各種網絡技術原理都需要學生去自學完成。雷子昂同學在談到課程感受時說：“雖然在Packet Tracer模擬器上實現的功能能夠正常運行，但是真實的網絡設備還是和模擬器有很大區別，我們花了很多時間在研究和測試不同設備的命令使用方法上。實驗過程中出現了一些沒有預料的問題，這個時候需要我們上網查找資料、主動學習知識，從而鍛煉了我們自主學習和適應變化的能力。”劉陽同學說：“這次實驗鍛煉了我們的實踐能力，并且在整個實驗過程中，我們認識到了一個團隊的重要性。每個人都有自己的任務，同時與其他隊員密切交流，才能保證整個團隊任務的高效完成。”

4 結 語

網絡專業綜合性實驗項目的建設一直走在教學改革的前沿，成為網絡工程專業提升實踐能力最為重要的課程之一。經過10多年的建設，實驗室環境也在不斷完善和優化。近幾年對于支撐“復雜工程問題能力培養”，符合工程教育改革理念，老師們下足了功夫。學生普遍反映這門實驗課程收獲很大，實驗項目任務量大、涉及面廣、持續時間長，可以極大提高學生的動手實戰能力。