《交換與路由技術》課程案例式教學實踐

李偉，石元泉，胡德斌，李圣春

（1.懷化學院 計算機科學與工程學院，湖南 懷化；2.湖南網安基地科技有限公司，湖南 長沙）

一 引言

案例式教學（Case Method）最早由美國的克里斯托弗·哥倫布·蘭代爾（Christopher Columbus Langdell）于1870 年提出，最初是針對哈佛大學法學院學生的教學方法。他運用實用主義思想，通過精心設計的案例，引導學生運用自己思辨能力去理解所學知識如何適用于這些給定的案例[1]。我國于20 世紀80 年代開始引入案例式教學方法，初期多用于法學、醫學、經濟學和管理學等學科[2]，后來在其他學科內進行了推廣，計算機類課程在教學改革過程中也廣泛運用了案例式教學方式，并取得了較好的成效[3-5]。《交換與路由技術》是網絡工程專業的核心課程，在教學過程中應用案例式教學方式能激發學生的學習興趣，促進學生學習能力、分析能力、解決問題能力的培養。

二 課程特點

《交換與路由技術》是網絡工程相關專業開設的實踐型專業課程，講授在計算機網絡設計與部署過程中大量用到的交換機、路由器等設備的配置與優化方法。這門課是《計算機網絡》課程的后繼課程，通過實驗案例來驗證計算機網絡課程中講述的理論知識，從而使學生能夠更加深刻地理解計算機網絡的原理；這門課也是《網絡工程與設計》課程的前續課程，熟練掌握網絡設備的配置方法是學習網絡工程方案設計的基礎。

目前主流的網絡設備廠商有思科、銳捷、華為、H3C 等，它們的配置指令集不盡相同，其中思科和銳捷的很相似，思科的網絡設備在國外的市場占有率最高，近年來華為的網絡設備在國內的市場占有率逐年提升。為了使學生熟悉主流網絡設備的管理方法，本校《交換與路由技術》課程以華為和銳捷指令集設計實驗，選擇銳捷而不是思科的原因之一是銳捷設備的價格相對較低，其次是因為銳捷的設備可以配備實驗室綜合管理系統[6-7]（RG-LIMP），方便實訓環境的管理；選擇華為的原因是其在國內市場具有較高占有率。

模擬器能夠對路由器、交換機、防火墻等設備進行軟件仿真，完美呈現真實設備實景，讓用戶有機會在沒有真實設備的情況下開展大型網絡設計與管理。很多廠商開發了針對自己產品的模擬器，例如：思科的Packet Tracer，華為的eNSP，H3C 的HCL。本校的交換與路由課程在銳捷真實設備上開展驗證性實驗，在eNSP 模擬器上開展設計性實驗。將真實工程中的項目需求轉化為實踐課程案例進行講解與練習。

三 課程案例設計

交換與路由課程是懷化學院網絡工程專業教學團隊投入巨大精力建設的課程之一，邀請了湖南一樹網絡科技有限公司、湖南省網安基地科技有限公司的工程師參與設計實驗案例。學校和企業的協同建設保證了實驗案例實用性的同時遵循了“由易到難、循序漸進”的原則。根據交換與路由課程的體系結構，每個知識點都通過實驗進行驗證，并設計了3 個綜合案例貫穿課程教學，分別是：交換網絡案例，小型路由網絡案例和無線網絡案例，覆蓋了交換、路由、無線網絡和防火墻等知識點。

（一） 交換網絡案例

該案例來源于小型局域網的設計需求，以交換技術為主。配置虛擬局域網（VLAN）、多生成樹協議（MSTP）、虛擬路由冗余協議（VRRP）和鏈路聚合（Eth-Trunk），拓撲如圖1 所示。

圖1 交換網絡案例拓撲

圖中所有交換機上都配置VLAN；LSW3 和LSW4 上配置Eth-Trunk 提升鏈路的帶寬，配置VRRP 實現虛擬網關及備份；LSW1-LSW4 上配置MSTP 消除交換環路，并且實現負載均衡及備份。通過這個實驗，學生可以體驗到局域網管理的靈活性，理解交換網絡轉發數據包的原理，明白冗余鏈路及生成樹協議的作用，掌握為提高網絡可靠性而引入的MSTP、VRRP 等功能的配置方法。

（二） 小型路由網絡案例

路由器是大中型網絡中必不可少的設備，該案例為學生提供路由協議配置、路由器管理的環境。主要配置靜態路由，內部網關協議OSPF、RIP 以及它們之間的路由重發布，拓撲如圖2 所示。

圖2 小型路由網絡案例拓撲

在這個案例中每個路由器都配置環回接口模擬接入網絡，AR3、AR5 和AR7 可以完成直連路由、靜態路由和浮動靜態路由，也可以與其他路由器配置成OSPF 多區域。AR4 上配置兩種路由協議，雙向進行匯總和重發布。AR1 與AR2 上添加2 端口同異步WAN 接口卡（2SA）模擬廣域網鏈路，在上面封裝PPP 協議并進行chap 和pap 驗證。通過這個實驗，學生可以理解路由器轉發數據包的原理，掌握配置并優化路由協議的方法，能夠根據數據流分析、定位并解決網絡故障。

（三） 無線網絡案例

該案例包含了旁掛式無線網絡部署、網絡地址轉換和防火墻策略管理。使用版本號1.3.00.100 及以上的eNSP 模擬器能夠以WEB 方式管理無線設備和防火墻，操作更加直觀。拓撲如圖3 所示。

圖3 無線網絡案例拓撲

在這個案例中，LSW1 是核心交換機，以旁掛的方式接入控制器（AC），以三層組網方式管理無線接入點（AP），連接終端STA1 和Cellphone1 轉發無線業務數據流。AR1 是出口路由器，配合防火墻FW1 完成內部網絡的地址轉換與內部服務器Server1的對外發布。通過這個實驗，學生可以了解無線網絡的配置流程、各種配置模板及其引用關系，掌握常見的NAT 轉換方式，熟悉防火墻的安全防護區域、策略的配置方法，能夠豐富網絡接入方式并配置一定的策略來提升網絡安全性。

四 課程思政在教學中的融合

在本門課程的授課過程中，充分結合技術與案例，發揮課程的德育功能，提煉課程中蘊含的文化基因和價值范式，將其轉化為社會主義核心價值觀具體化、生動化的有效教學載體，在“潤物細無聲”的知識學習中融入思想信念層面的精神指引。

相比傳統的教師逐一點名方式, 采取超星平臺限時簽到測試形式能讓學生在規定時間內全部動起來，匯報自己按時上課、提前預習的狀態。這種簽到方式不僅能促使學生盡早進入課堂狀態，做好上課前的各項準備，又可以訓練學生養成良好的學習習慣，培養學生嚴謹、細致的工作作風和認真的工作態度。網簽模式讓學生體驗新事物、置身新事件，發現和認識新知識、新思想、新方法，做好智能導向滲透。

本門課程的主要內容與網絡設備管理密切相關，通過華為設備在國內外市場占有率不斷提升的現狀，讓學生了解目前我國在科技創新方面的舉措，鼓勵同學們為“中國夢”而認真學習，端正學習態度，樹立遠大理想，激發學生的民族自豪感和愛國熱情；從中美貿易戰出發，教育同學們認真學習網絡知識，奮發圖強，考取華為專業技能認證，為祖國的騰飛而努力。

通過對比思科與華為和銳捷設備的優缺點，了解國情與網絡硬件設備企業的相關情況，了解芯片壟斷、華為被排擠等事件背后的原因。教育學生一定要正確認識自己，明白自身的優缺點，學會取人之長，補己之短的道理。樹立愛國情、報國志，引發學生對未來的職業愿景，激發學生對社會主義核心價值觀的認同感。

在講解網絡安全設備的操作管理時，通過“斯諾登事件”使學生認清網絡安全是一場沒有硝煙的戰爭，不僅個人要防范，企業也要防范，國家更要防范，“網絡空間的競爭，歸根結底是人才競爭”[9]。告誡學生要樹立正確的技能觀，努力提高自己的職業技能，為社會和人民造福，絕不能利用自己的技能去做違法犯罪之事；培養學生的工匠精神，注重職業道德，在潛移默化中提高綜合職業素養，樹立社會主義職業精神。使學生明確：職業素養是一個職業人的立身之本。在學生時代，就應該不斷提升個人修養和思想道德水平，著力培養良好的職業素養。

五 課程考核

《交換與路由技術》是實踐性非常強的課程，不適合采用傳統的紙質試卷考查方式進行考核，為了能夠客觀公正地衡量學生的實踐動手能力，將案例的完成情況作為考核的一部分，學生需要在規定的時間內完成指定的內容。這種方式會帶來一個問題：教師逐個驗收學生的結果會需要很長時間，為縮短時間，作者開發了基于網絡設備配置指令集的自動閱卷系統[8]，能夠對華為設備指令集自動評分，應用在該課程考核與閱卷過程中，提高了效率。本門課程期末考核占比為平時成績占40%，期末占60%。平時成績由出勤、課堂表現、實驗及作業組成，各占10%。期末成績中案例考核占50%，命題互評占10%。命題互評環節是學生以小組為單位出一道案例題，供其他小組選擇并解題，解出其他小組的題目加分，被解出扣分。這種考核方式具有一定的趣味性，可以促使學生轉換為老師的角色去考慮案例的設計，能促進學生更深層次掌握知識和技巧。采用分組方式可以鍛煉學生的團隊合作、協調管理能力。

六 改革效果

本校網絡工程專業引導學生考取網絡工程師證書，網絡工程師考試屬于全國計算機技術與軟件專業技術資格考試中的一個中級考試，它的考試大綱中的內容覆蓋了交換與路由課程中的很多知識點，學習完交換路由課程后有助于備考網絡工程師考試。自2016 級學生以來獲得證書的學生數量逐年提升，參加考試的學生也越來越多，2019 級和2020 級學生報名參加考試的比例分別達到93%和98%。除了網絡工程師考試，學生還參加ZStack、深信服、華為的技能認證，網絡工程專業2017 級畢業生54 人，共獲得55 張專業認證證書。學科競賽方面，與本課程相關的比賽有兩個，2021 年學生參加華為ICT 大賽獲三等獎，2018 年中國高校計算機大賽網絡技術挑戰賽獲二等獎。2019 年作者將教學中實際案例整理并出版了《計算機網絡設備實踐教程》，這些成績反映出學生對交換與路由這門課程的掌握程度是符合課程預期的。

七 結語

將網絡工程中的真實案例引入《交換與路由技術》課程中能夠提升學生的興趣，鍛煉學生分析、解決問題的能力。在多年的教學實踐和企業工程師的幫助下，課程中設計的案例不斷地在更新和優化，需求不斷地被細化，學生實踐動手能力具有明顯提升。今后的改進將集中在跟蹤最新ICT 技術，提升項目時效性，引導學生考取高級技能證書。