新工科背景下面向虛擬仿真實訓的計算機網絡工程實驗教學探索

李廣瓊 陳榮元 黃少年 季潔

摘要：隨著“互聯網+”、大數據、人工智能等新型領域的不斷興起，對新工科背景下高校教師所授課程提出了新的標準和要求，作為服務于地方經濟發展，實踐性特別強的工商類大學計算機專業，計算機網絡工程實驗的教學改革勢在必行。本文主要針對湖南工商大學計算機專業計算機網絡工程實驗的教學模式現狀和存在的主要問題，提出針對課程改革的具體措施并有待實施。

關鍵詞：新工科;計算機網絡工程實驗

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0109-03

Abstract： With the rise of Internet plus， big data， artificial intelligence and other new fields， under the background of the new engineering college teachers taught course put forward new standards and requirements， as in the service of local economic development， particularly strong practical computer professional business school， computer network engineering experiment teaching reform is imperative. Aiming at the present situation and existing problems of the teaching mode of computer network engineering experiment in Hunan University of Technology and Business， this paper puts forward some concrete measures for the course reform and needs to be implemented.

Key words： new engineering ; computer network engineering experiment

為了促進和深化高等教育中工程教育的改革，2016年，我國開始著手啟動工程教育專業認證體系。當前，國家正在推動“中國制造2025”，創新性驅動發展，實施“一帶一路”，“互聯網+”等重大戰略，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高的要求，迫切需要加快工程教育改革創新。2017年，教育部高教司發布開展新工科研究與實踐的通知，同年，新工科建設復旦共識，共同探討了新工科的內涵特征、新工科建設與發展的路徑選擇;出臺了新工科建設“北京指南”，審議通過《新工科研究與實踐項目指南》;致力于新工科“建設天大行動”，計劃到2020年，探索形成新工科建設模式，主動適應新技術、新產業、新經濟發展，到2030年，形成中國特色、世界一流工程教育體系，有力支撐國家創新發展，到2050年，形成領跑全球工程教育的中國模式，建成工程教育強國。新工科建設由復旦共識、天大行動和北京指南三部分組成，打開了高校人才培養的新局面，找到了工程教育改革的新路子。隨著國家對新工科建設和發展的逐步推進，推動新工科背景下的計算機類專業課程的教學改革，已成為必然趨勢。

新工科研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展。更加注重模式創新。建設區域共享型人才培養實踐平臺，探索多學科交叉融合的工程人才培養模式，探索面向復雜工程問題的課程模式，強化工程人才的創新創業能力培養，探索個性化人才培養模式，探索工程教育信息化教學改革，推進信息技術與工程教育深度融合。在線虛擬仿真實訓平臺作為線下課堂的補充手段，無論從效果上還是方法上都獲得了很大的改善，有效彌補了線下課堂實驗的不足，提升了實驗教學的效果和質量。因此，新工科背景下，研究基于在線虛擬仿真實訓系統的計算機網絡工程實驗教學改革具有非常重要的意義。

1 計算機網絡工程實驗課程教學現狀

由湖南工商大學計算機科學與技術專業2016版的人才培養方案得知，計算機網絡工程實驗課程的學分是0.5，一共10次實驗，是計科專業的專業必修課，實驗的內容圍繞交換機與路由器設備進行，主要有，交換機基本配置與VLAN劃分，交換機TRUNK配置，交換機VTP與STP配置，靜態路由配置，RIP路由配置，OSPF路由配置，訪問控制列表ACL配置，網絡地址轉換NAT配置，HDLC和PPP的基本配置，單臂路由與三層交換機實現VLAN間路由配置。實驗課堂主要在線下完成，上實驗課前，由教師發布本次實驗的內容，講解本次實驗相關聯的理論知識點，學生在實驗的課堂按時完成教師布置的實驗任務，在實驗過程中學生出現配置問題由教師在現場進行指導解決。

現有計算機網絡工程實驗課程存在的主要問題有：一是學生在每次實驗中，鮮有同學分析問題，深入了解本次實驗的理論知識背景，直接進入解決問題的模式，將實驗拓撲圖照著教師給出的模板畫好后，直接進行問題的配置，因此，在實驗過程中出現的配置問題，很多同學不知道如何來解決，實驗雖然成功了，但是模仿的因素占多數，創新的成分占少數，有時候教師稍微改動一下拓撲圖，同學們便不能靈活運用。導致配置出現了瓶頸。二是同學們在實驗完成后缺乏總結的習慣，自認為已經掌握了本次實驗的全部知識點，但實驗結束后，教師提出的思考問題，也只有少數同學能夠解答出來，同學們在網絡工程實驗的學習中容易進入快餐化式的學習模式，并不能很好地吸收營養知識和精華。

教學手段單一，實驗課主要在線下課堂完成，而線上教學的手段不夠豐富，學生缺乏課前預習的環節互動和課后問題解答的平臺，教學的信息化手段還太單一。

2新工科背景下面向虛擬仿真實訓的計算機網絡工程實驗教學改革

新工科背景下，對人才的培養提出了更高的要求，由培養經驗型人才向培養創新創業型人才轉變，由培養單一型人才向培養多學科交叉融合型人才轉變，由培養能簡單解決工程問題的人才向培養能解決復雜工程問題的人才轉變。

2.1 計算機網絡工程虛擬仿真實驗教學思路與內容的規劃

計算機網絡工程實驗作為網絡工程理論課的實踐課，積累了十多年的教學經驗，有一套完善的實驗教學方法與體系，有一支從事該課程教學的教學經驗豐富的教師隊伍，有專門的計算機網絡工程實驗室，有大型綜合性網絡工程項目設計的校企合作企業，形成了符合湖南工商大學商科特色的計算機網絡工程虛擬仿真實驗體系。

2.2 計算機網絡工程虛擬仿真實驗教學內容的設計

計算機網絡工程虛擬仿真實驗是一門實踐性很強的課程，教學內容需要根據工商大學計算機科學與技術專業的特點量身定制，教學內容的設計由多年從事計算機網絡工程課程群教學的教師團隊參與完成。教學內容設計的主要原則有，選取重點實驗內容作為計算機網絡工程的必修實驗，這些虛擬仿真實驗是交換機、路由器配置中使用頻率很高的實驗，比如交換機虛擬局域網的劃分，路由器中靜態路由的配置，路由器中動態路由的配置。

根據計算機網絡工程課程群的特點以及教師團隊多年的經驗，將計算機網絡工程虛擬仿真實驗設計為如下幾個模塊：

（1） 交換機模塊實驗，該部分的內容主要有VLAN劃分、TRUNK配置、VTP配置、STP配置。

（2） 路由器模塊實驗，該部分的內容主要有靜態路由配置、RIP路由配置、EIGRP路由配置、OSPF路由配置、ACL訪問控制列表、NAT網絡地址轉換服務、DHCP動態主機設置協議、HDLC和PPP協議、幀中繼協議。

（3） 交換機與路由器結合的模塊實驗，該模塊的主要實驗有單臂路由協議、三層交換實現VLAN間路由。

所制訂的計算機網絡工程虛擬仿真實驗模塊代表了該課程的核心技術，內容之間相互關聯，并結合了工商大學計算機專業人才培養的特點，培養出理論基礎扎實、實踐能力強的學生，能夠滿足企業對人才的需求。

計算機網絡工程虛擬仿真實驗平臺由有多年執教經驗的教師隊伍進行設計和架構，經過多年的課程建設，目前使用的平臺主要有在線虛擬仿真實驗平臺，網絡工程實驗室虛擬仿真平臺，網絡工程實驗室物理設備平臺，在進行教學內容的設計和規劃時，根據學生的實際情況交叉立體使用各個平臺，使學生突破固有的實驗環境，在不同的實驗平臺中運用自如，完成實驗任務，較好地提高了學生的動手能力，使學生能夠適應社會人才的需求。

虛擬仿真平臺的內容根據該門課程增加的最新前沿問題實時進行調整，課程組老師通過參加計算機網絡有關的國際會議，查閱與計算機網絡相關的國際國內期刊，與計算機網絡同行的定期交流等方式提升自己的業務水平，并將最新的成果增加到虛擬仿真平臺。

2.3 基于工程教育模式CDIO的計算機網絡工程虛擬仿真實驗體系設計

通過分析湖南工商大學計算機科學與技術專業人才培養要求和特點，制定了適合本校本專業的計算機網絡工程虛擬仿真實驗體系，將CDIO工程教育模式融入網絡工程虛擬仿真實驗教學中，CDIO表示構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate），這種理念注重培養學生綜合設計項目的能力和解決項目中實際問題的能力。根據CDIO工程教育模式的特點，將計算機網絡工程虛擬仿真實驗劃分為如下虛擬仿真實驗板塊，分別是基于CDIO模式的交換機VLAN虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的跨交換機TRUNK虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的單臂路由虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的靜態路由虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的動態路由RIP虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的動態路由OSPF虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的ACL訪問控制列表虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的NAT網絡地址轉換虛擬仿真實踐應用、基于CDIO模式的PPP虛擬仿真實踐應用。

2.4 計算機網絡工程虛擬仿真實驗課程的考核方式與資源共享

根據工商大學計算機專業人才培養的要求，結合計算機網絡工程虛擬仿真實驗課程的教學特點，設計了多項課程資源供學生使用，充分運用各種信息化教學手段，比如視頻、PPT、圖片、動畫等將復雜的問題簡單化，將抽象的問題具體化，改善教學質量，使學生更容易理解和掌握。

目前計算機網絡工程虛擬仿真實驗課程建設的主要資源有：計算機網絡工程虛擬仿真實驗課程實踐教學大綱，課程考試大綱，課程實驗仿真視頻，課程PPT，計算機網路工程虛擬仿真在線實訓系統等內容。

計算機網絡工程虛擬仿真實驗考核內容的設計：考核分為在線實訓系統，線下期末實驗的考核，實驗報告，實驗課程作業，考勤等構成，每個環節都設置了考核比例，明確了考核要求，最終形成學生在該門課程上的分數。這樣的考核機制打破了往年期末考試一考定終身的機制，既鍛煉了學生的實踐能力，又更合理地評價學生學習該門課程的綜合素質和能力。

3 線上與線下混合式課堂虛擬仿真實踐平臺的建設

為了補充線下課堂教學模式的局限性，構建了計算機網絡工程虛擬仿真在線課堂的平臺，在線課堂的主要模塊有：在線實訓作業、在線普通作業、在線試卷、在線資源、視頻直播和在線分班。

進入在線實訓作業的任務目錄后，學生可以點擊項目右側的開啟挑戰，開始不同任務的實踐訓練。在訓練系統中，頁面分為兩個部分，一部分說明實踐目標，提供任務相關描述、知識說明、操作要求等，另一部分則是仿真了網絡工程實驗系統，學生可以在該系統中完成網絡工程虛擬仿真實驗。在虛擬仿真實驗過程中遇到不能解決的問題時，可以查看左邊頁面中的相關理論知識，這個部分以圖文的形式清晰展現了詳細的操作步驟，可以有效幫助學生實現知識的靈活運用，從而達到提升實踐能力的目的。教師可以通過在后臺查看實訓作業的完成情況，判斷學生的學情，參考后臺相關統計數據及時對課堂內容進行調整，從而提高學生的學習效率。

在線普通作業是教師在每次課后為學生布置的在線作業，教師布置作業時可以上傳作業文檔，可以從題庫中選擇，教師設置好作業完成的日期，學生提交后，對于客觀題后臺可以自動批改，對于主觀題需要人工批閱，教師批閱完成后學生可以查看批閱結果。

在線考試系統是網絡工程虛擬仿真系統的特色功能之一，由于2020年發生了新冠疫情，大學生在春季學期是以網課的方式完成的相關課程的學習，在這種背景下，開發了計算機網絡工程和計算機網絡工程實驗兩門課程的在線考試系統，考試系統主要包括了題庫，生成試卷，組織考試，成績評閱與試卷分析這幾部分，題庫需要導入到后臺的數據庫，試卷生成時可以從題庫中選擇題目，也可以由教師自己輸入題目。組織考試時教師要設定試卷的發布時間、截止時間、答題時長，評閱成績時客觀題由系統自動評閱，主觀題由教師在機器上評閱完成，主觀題和客觀題的評閱全部完成后，系統后臺自動計算出學生的總分。試卷分析能夠自動分析學生的最高分、最低分、平均分，可以統計失分率較高的題和得分率較高的題，為后面的教學的設計和規劃提供科學的指導性建議。

在線資源放置了計算機網絡工程實驗這門課程的上課資源，學生在課前需要提前了解課程的知識點，或者學生在下課后遇到不懂的內容都可以下載課程資源進行學習。

視頻直播放置了計算機網絡工程虛擬仿真實驗的視頻播放，分別有交換機VLAN虛擬仿真實驗視頻、跨交換機TRUNK虛擬仿真實驗視頻、單臂路由虛擬仿真實驗視頻、靜態路由虛擬仿真實驗視頻、動態路由RIP虛擬仿真實驗視頻、動態路由OSPF虛擬仿真實驗視頻、ACL訪問控制列表虛擬仿真實驗視頻、NAT網絡地址轉換虛擬仿真實驗視頻、PPP虛擬仿真實驗視頻。

在線分班模塊是根據2017級計算機科學與技術專業學生進行分班，有利于教師對學生以班級為單位進行管理，減少了教師的工作量，分班模塊設計得較為靈活，可以隨時刪除分班。

4 計算機網絡工程虛擬仿真實驗教學改革成效

4.1 在線課堂的應用及成效對比

在今年春季學期發生疫情的情況下，在線課堂發揮了重要的作用，教師運用騰訊課堂在線直播上課后，作業、課前預習、課后復習、實訓、考試等教學環節都由在線課堂承擔。而在后疫情時期，盡管課堂由線上教學搬到線下教學，但課堂其他的環節均可以由在線課堂代替，很大程度上減輕了教師的教學工作量。

總結在線課堂的線上應用，在教學方面有如下幾個方面的改進：一是學生在操作仿真實驗中，線上的仿真實驗首次通關率高于線下的仿真實驗首次通關率，如表1所示。二是從數據得知，線上考試的平均分和最高分都比線下考試有所提高，如表2所示。三是線上考試人工閱卷時間與線下考試人工閱卷時間的對比，線上閱卷時間縮短了很多，極大地提高了教師的閱卷效率，如表3所示。

4.2基于CDIO的計算機網絡工程虛擬仿真實驗教學改革成效

在進行網絡工程虛擬仿真實驗的教學設計時，按照CDIO模式進行，即將每一個實驗環節分為構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行，具體應用到仿真實驗中，以靜態路由為例，第一步，構思，進行拓撲圖的建立;第二步，設計IP地址、子網掩碼與網關;第三步，實現靜態路由的配置;第四步，運行，測試網絡是否連通。學生按照CDIO的思想完成網絡工程虛擬仿真實驗，較好地提高了學習的效率，運用CDIO模式完成實驗的平均效率為1.74，優秀學生完成實驗的效率可以達到4.68，而未運用CDIO模式完成實驗的平均效率為1。工作效率如圖1所示。

5 結論

在新工科背景下，對專業人才培養提出了更高的要求，在網絡工程實驗課程中加入新思想，新方法，加快推進課程的教學改革勢在必行，引入CDIO工程教育模式，通過線上與線下虛擬仿真實驗，在線教學視頻與資源，在線課堂等多種形式的教學模式，使學生獲得該課程的教學模式的多種體驗，最終在學習效率、學習成績、實驗通關率等獲得了較大的提升，學生對該課程的學習氛圍濃厚，提高了學生在后續的網絡工程課程設計中的實踐動手能力，進一步提高了人才培養的質量。

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【通聯編輯：唐一東】