面向實踐型人才培養(yǎng)的交換與路由課程教學實踐

齊建東　高寶

摘要：交換與路由課程是高等學校網絡工程專業(yè)必修課。文章通過介紹北京林業(yè)大學的課程內容、實踐條件、實驗教學實施方式、授課方式和考核方式，闡述以培養(yǎng)實用型人才為目標，圍繞虛擬教學平臺開展的理論及實踐教學方案。

關鍵詞：交換與路由；實踐教學；虛擬實驗平臺

0 引言

2012年7月，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會發(fā)布了《高等學校網絡工程專業(yè)規(guī)范（試行）》，這也是首次對網絡工程專業(yè)內涵等的統(tǒng)一認識與界定。網絡工程專業(yè)在培養(yǎng)目標上，側重網絡的設計、規(guī)劃、管理、維護等5大層面。作為構建網絡連通性的交換技術和路由技術，是上述專業(yè)目標得以實現的基礎[2]。交換與路由技術關注于建立網絡的連通性，是把各種網絡物理設備連接在一起的紐帶，是各種網絡上層應用得以實施的底層基礎。交換與路由課程內容在網絡層次模型上的落腳點是TCP/IP模型中的數據鏈路層和網絡層。

顧名思義，交換與路由課程在內容上由交換技術和路由技術兩部分組成。其中交換技術研究園區(qū)網環(huán)境下的數據交換技術，在物理設備上圍繞二層、三層交換機展開；路由技術側重互聯(lián)網中通信子網的網絡連通性，通常屬于運營商的管理范圍，在物理設備上圍繞路由器、三層交換機展開。交換與路由課程的前修課是計算機網絡原理課程，是針對計算機網絡原理中IP路由、局域網、廣域網等章節(jié)內容的深化和實踐。合理的計算機網絡原理的知識結構和知識內容，是交換與路由課程開展的必要支撐。交換與路由課程的后續(xù)課包括有網絡工程、網絡管理、網絡安全、網絡協(xié)議分析等。綜上可以看出，交換與路由是一門實踐類課程，是在計算機網絡原理基礎上的應用環(huán)節(jié)。教育部推出的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）旨在培養(yǎng)適應社會經濟發(fā)展需要的各類型高質量工程技術人才，重點強調培養(yǎng)學生的實踐能力。就交換與路由課程而言，與這一目標十分貼切。

1 交換與路由課程內容

北京林業(yè)大學網絡工程專業(yè)在交換與路由知識的學習上，共涵蓋兩門課程：交換與路由（56學時）、交換與路由綜合實驗（40學時），理論學習與實踐操作并重。兩門課程獨立考核，總學時數高達96學時，可以反映出交換與路由技術對網絡工程專業(yè)的重要程度。56個學時的交換與路由課程包含了46學時的理論、10學時的課程實驗。理論部分專注原理剖析，主要知識點包括路由協(xié)議基礎、距離向量路由協(xié)議、鏈路狀態(tài)路由協(xié)議、路徑向量路由協(xié)議、RIPv1/2路由協(xié)議原理、OSPF路由協(xié)議原理、BGP路由協(xié)議原理、訪問控制列表、路由控制、交換基礎、交換知識點（VLAN、STP、VTP等）。10學時的課程實驗屬于針對課堂理論講解的驗證性實驗。40學時的交換與路由綜合實驗課程是對理論學習的綜合性實驗，從復雜拓撲結構人手、建立分散的知識點之間的關聯(lián)。

2 交換與路由課程教學過程

2.1 課程特點及教材選用

交換與路由作為網絡工程專業(yè)的核心課程，不僅在教育科研領域深受重視，在工業(yè)界也扮演著重要角色。網絡設備生產商中，華為、思科（Cisco）、詹博（Juniper）3家企業(yè)占據市場絕大部分份額，也都建立起了面向網絡工程師的針對交換和路由方向的網絡認證考試。其中，思科公司在網絡教育以及網絡知識普及上所做出的貢獻尤為突出，和國內眾多高校合作建立思科網絡技術學院。思科出版社也出版發(fā)行了各個網絡教育層次的教材，但通常以認證為導向。國內也有部分高校出版了“交換與路由”相關教材，但從調研來看，目前還沒有成熟度較高的經典教材。鑒于此，我們在為北京林業(yè)大學學生授課過程中，參考業(yè)界領先的思科網絡教育學院教材，在其基礎上對內容進行裁剪，形成適合北京林業(yè)大學網絡工程專業(yè)學生特點的教學講義。自編教材首先要符合本科教學學時數；教學內容上原理和實踐并重，既側重原理，又不能光說不練，但也不以企業(yè)認證為目標。教學實踐表明，枯燥的網絡協(xié)議等理論知識，只有和實踐操作結合在一起，才會更容易被吸收消化。交換與路由課程與計算機程序設計語言課程有很大的相似性，只記住理論，而不動手實踐，便毫無意義。要動手實踐，必須依托目前主流網絡設備生產商的產品。

2.2 網絡實驗室實踐條件

截止2012年，北京林業(yè)大學網絡工程實驗室有25臺Cisco 2821路由器、12臺Cisco Catalyst2950二層交換機、13臺Cisco Catalyst 3650三層交換機、一臺PC服務器。設備數量總體較少，以一個標準班30人計算，也不足以讓每個學生都在一個較大的拓撲上進行操作。實驗室的建設需要一個過程，在資金投入有限、設備不能立即到位的前提下，我們劃分了兩個階段，充分利用網絡實驗的教學資源，具體做法是：課程初期，讓學生在網絡實驗室中了解、認知網絡物理設備，用較少的設備就可以完成一些基本的驗證性實驗；課程后期：我們把網絡設備整合成5套拓撲，每個拓撲由5臺路由器和2臺三層交換機組成，可以滿足交換與路由課程全部教學內容的實驗要求。實驗室采取開放策略，學生可以預約時間隨時操縱物理設備。教學實踐表明，這種方案一定程度上彌補了由于設備數量不足所帶來的教與學的困境。

2.3 構建虛擬平臺

在熟悉對網絡物理設備的連接、配置以后，課上的理論講解、課下的自主學習，都切換到Dynamips虛擬平臺。Dynamips仿真了部分型號思科路由器硬件環(huán)境，加載真實的思科網絡操作系統(tǒng)iOS，類似于VMware、VirtualBox等可以加載PC操作系統(tǒng)。Dynamips啟動以后，通過Telnet方式連接Console口來登錄路由器，之后的操作就和登錄到真實物理設備完全一致了。基于此，我們編寫了如何構建網絡虛擬平臺的教學文檔，內容涵蓋了GNS3、Dynamips、Wireshark、Vware、VirtualBox、JUNOS、PIX防火墻、ASA、IDS，全面講解了在GNS3集成環(huán)境下，各網絡軟件的配置、使用，在學期初就下發(fā)給學生并組織集體學習。在GNS3環(huán)境下，借助于Dynamips等虛擬機，學生可以在自己的筆記本電腦上構建一個包含二層交換機、三層交換機、幀中繼交換機、ATM交換機、路由器、防火墻、IDS等設備較完整的Intemet環(huán)境。GNS3提供了以鼠標拖曳方式構建拓撲，在網絡運行中，也可以動態(tài)地改變拓撲結構，具有較強的靈活性。96學時的教學實踐表明，Dynamips實驗環(huán)境可以支撐本科階段交換與路由課程中路由部分的全部內容、交換部分的大部分內容。學生可以不受時間、實驗室的限制，自主學習。endprint

2.4 課堂教學

課堂教學由兩部分組成：理論講解、現場實驗驗證。教師在課堂環(huán)境現場實驗來驗證協(xié)議原理及交互過程是本課程教學的特色之一。其中理論講解環(huán)節(jié)采用多媒體方式，圍繞路由協(xié)議原理的分析、協(xié)議特性進行講解；鼓勵學生把筆記本電腦帶進教室，既可以做電子筆記，動手能力強的學生還可以隨時跟進教師的課堂實驗驗證；鼓勵學生進行問題攻擊，在攻擊性問題的講解過程中，往往能讓全部學生都集中注意力。在動手實踐環(huán)節(jié)，每次講解完一個知識點，馬上就當場實驗驗證。路由協(xié)議的工作原理，反映在路由協(xié)議的數據包封裝上，而GNS3環(huán)境下Dynamips和Wireshark做了很好的集成，直接在拓撲結構的鏈路上實施數據包捕獲，可以查看協(xié)議的交互完整過程和數據包封裝細節(jié)。把枯燥的協(xié)議和鮮活的協(xié)議數據包有機結合在一起，提升了學生學習積極性。不僅是記住原理，還要啟發(fā)學生這個協(xié)議是怎么實現的，和生活中哪些場景有關聯(lián)。

2.5 分解實驗

交換與路由在教學內容上，各章節(jié)的知識點相對獨立，自成體系。以路由為例，在講解完路由基本原理，讓學生了解了DV型路由協(xié)議、LS路由協(xié)議、PV型路由協(xié)議的基本原理以后，就可以獨立講解RIP、OSPF、路由控制、ISIS、BGP等各個協(xié)議。各個協(xié)議在知識結構上相互獨立，通過路由控制把各個協(xié)議重新組合在一起，進行互操作。為此，我們?yōu)槊總€章節(jié)都單獨給出了分解實驗，并且給每個實驗文檔加以4位數字的編號，同一類型知識點文檔的數字中第一個數字相同，學生可以快速索引到關于相關知識點的文檔。除了分解實驗之外，會提供給學生一個綜合的拓撲，可以有機地把分解知識組合在一起，即知識點模塊化、系統(tǒng)化。通過閱讀大量的分解實驗文檔，也可以培養(yǎng)學生自主學習的良好習慣。以BGP路由協(xié)議的學習為例，屬性是BGP協(xié)議的核心，也是BGP強大的選路能力的重要支撐，這部分作為學習重點。我們設定了同一個拓撲結構，根據具體需求，不斷調整各種屬性，來實現不同的選路，而每種屬性都做了實驗分解。

2.6 考核環(huán)節(jié)

交換與路由課程在教學效果評估上，采取了階段考核方式。整個學期在交換與路由理論課環(huán)節(jié)包括3個階段性考試，依次按30%、30%、40%的計分比例匯入總成績。各階段考試均采用無紙化方式，提供拓撲結構、需求分析的pdf文檔，學生根據需求完成配置，并回答若干關鍵問題。為防止抄襲，每個學生在配置拓撲結構時，都要把自己的學號作為接口IP地址中4個十進制數中的一個。3個階段的考試，可以讓學生整個學期都保持對這門課程的預習、復習和課外的實踐操作，從而在知識點的掌握、認知能力的提高上，有很大的促進作用。

3 交換與路由教學總結

3.1 存在的問題

在教學實踐過程中，最大的問題就是課程進度滯后于大綱安排，分析原因如下：①不習慣教師邊講解理論邊做實驗的教學方式。許多學生已經習慣被動地“收聽”，而本課程要求邊聽課邊做電子筆記，涉及實驗還要動手實踐，精神和注意力高度集中，如果中間某個環(huán)節(jié)跟不上，就會造成脫節(jié)。教學方式、教學風格的變化需要重新形成并建立一種新的學習習慣，這需要一個適應過程。②部分學生對前修課程計算機網絡的基礎知識掌握不扎實，具體表現在：對TCP/IP層次模型了解不充分，對數據包的流動過程以及所涉及的協(xié)議沒有一個清晰的認識，對IPv4私有地址、公有地址、組播地址、廣播地址了解不充分。③全英文多媒體課件使部分學生閱讀理解起來會有一定的困難。交換與路由是在網絡工程專業(yè)大三第一學期開設，大部分學生已經通過了大二下學期的英語四級考試，但仍然有部分學生跟不上節(jié)奏。

3.2 收獲

從教學反饋來看，主要包含以下兩點：從學生層面看，一定程度上改變了學生的學習觀念。理論和實驗并重的教學方式，學習強度大，讓課程學習真正成為一個持續(xù)地過程，學習不再是為了考試，避免了考前臨時突擊的現象。從教師層面看，摸清了學生在前修課計算機網絡課程上所欠缺和掌握不扎實的知識點，使得網絡教研組教師之間課程交流內容更加明確，進而對專業(yè)培養(yǎng)目標的定位也逐漸清晰。

4 結語

作為一門以實踐應用為導向的課程，交換與路由課程的建設是一個逐步深化的過程。下一步要做的工作包括：總結教學經驗，在不斷完善自編教學講義的基礎上，規(guī)劃出版教材；繼續(xù)擴充分解實驗的數量，網絡教研組的教師共同討論，使實驗內容能夠跟上網絡技術的快速變化；外出調研，多和其他同行交流，不斷提高本課程的教學質量。

參考文獻：

[1]教育部高等學校教學計算機科學與技術指導委員會.網絡工程專業(yè)規(guī)范（試行）[M].北京：高等教育出版社，2012：1.

[2]徐明，曹介南，姚丹霖，等.網絡工程專業(yè)課程體系研究與實踐[J].計算機教育，2009（19）：115-118.

[3]齊建東，袁津生.基于開源軟件構建計算機網絡課程的實踐教學[J].中國林業(yè)教育，2011（2）：57-60.

（見習編輯：劉麗麗）endprint