面向工程思维能力培养的网络工程仿真实训教学

摘 要 ：针对网络工程实训教学中工程思维能力培养不足,设计方法掌握较差等问题,分析仿真项目实训设计方法亟需解决的困难和问题,介绍培养工程思维能力的仿真实训教学方案的构建方法,基于仿真项目设计和优化调整的新实训教学流程,辅以思考题激发思维训练.

关 键 词 ：网络工程；仿真项目；实训教学

0 引言

网络工程项目是企业信息化建设的重要构成部分,为信息系统集成提供可靠的运行环境.计算机网络工程课程是网络工程专业最重要的专业基础课之一,旨在通过理论和实训教学相结合的模式培养学生从事网络项目设计与施工、运维的工程实践能力.其中,实训教学中较难把握的是如何培养学生的工程思维能力,不能仅仅让学生被动地参与实际（模拟）项目的训练,而是要在实训教学中创造条件训练和引导学生去思考、总结和分析,形成把握网络工程设计的思维能力,成为合格的网络工程师.

日前,同内各高校在网络工程实训教学中主要存在两种模式：一种是利用已有的实验室设备组织实训,另一种是与企业合作,将实训项目外包给企业代为培训.这两种模式都有一定弊端,依赖现有网络设备使项目规模受到限制,且难以跟上网络新技术的变化；企业代培注重工程化训练,不善于利用新教学方法启发学生的思维能力.而仿真实训教学能够在现有设计方案上设想和重构性能更佳的方案,允许学生评测和思考新旧方案之间的性能差异,且可以引入新技术、新思想,而不用估计修改拓扑带来的各种施工开销,因此,网络工程实训课迫切需要通过仿真项目教学培养工程思维能力.

1.仿真实训教学概述

网络仿真是一种利用数学建模和统计分析方法模拟网络的行为,建立网络设备、链路和协议模型,模拟网络流量的传输,从而获取特定的网络特性参数的技术.仿真实训教学方法是指在网络仿真软件中构造网络拓扑结构,配置必要的性能指标,根据运行测试结果评估或验证网络设计方案的教学方法.仿真实训教学可以使用的网络仿真软件包括PacketTracer、NetSim、Op、NS-2等,这些软件各有特点：①基于PacketTracer、NetSim等仿真软件的教学方案易于实现连通性方面的测试,利于提高学生对网络设备互联性能的掌握和理解,常用于较低层次的网络实训教学中；②基于Op、NS-2等仿真软件的仿真教学能模拟大规模网络的运行场景,提供与实际的网络、设备、协议层次完全对应的模型库,同时使用丰富的统计量收集和分析工具实现各通信层的性能评估,既可以用作高层次实训教学也可以用于完成实习和毕业设计.近年来第①种网络工程实训教学方法受到较大程度重视,因为PacketTracer等软件操作简单、直观,无需较高的理论知识,学生也容易掌握.而第②种方案从性能优化的角度解决了网络设计高层次的问题,更利于培养学生的工程思维.

仿真实训教学的难点是构造网络模型和分析网络性能,因此,正确评估这两个步骤的难度是成功进行仿真实训教学的关键.构造网络模型是网络逻辑设计的关键步骤,需要理解并掌握运用网络逻辑设计方法构造符合需求的网络拓扑.网络工程项目的逻辑设计方法包括分层设计和组件设计,实际上这两种设计思想是密不可分的.分层设计思想使用抽象的方法整体概括了网络系统在接入层、汇聚层和核心层的功能需求.然而各层的内部连接仍然不够清晰,需要进一步划分为不同组件,依据一定的功能需求独立设计.网络工程教学应指导初学者通过一定周期的实践教学,逐步领悟和掌握两种设计方法的要领.网络性能分析通常作为构造和实现大规模网络或应用新技术时预防风险、提高可行性的必要措施,是高水平网络工程师最重要的技术素质.一般性能分析包括时延、吞吐量、抖动、丢包率等,分层性能分析还包括对各层协议参数的运行监控.现有网络性能分析的模拟设计任务通常被用来评估多媒体业务、无线网络业务、IPv6新业务等的运行性能.

2.

仿真实训教学方案

传统的网络工程实训课教学一般采用“以项目为导向、以自主设计为主导、以答辩为验证手段”的项目管理思想,结合目前已有的实验条件和学生动手能力发布一定数量的项目选题,由学生根据选题要求完成“需求分析”“逻辑设计”和“测试与验证”等实训任务,最后提交实训报告.新的仿真实训教学方案增加了“仿真设计分析”和“优化与调整”两个关键步骤,如图1所示,引导学生在实训过程中对仿真结果进行分析和比较,对逻辑设计结果进行反复改进和提高,直到实现优化的网络设计方案,重视了工程思维能力训练.

1）任务发布.

实训课程开始前,教师将选题资料发布给学生.选题资料包括项目需求描述、初次仿真包、设计思考题和项目报告书模板等.每3位学生分为一组,每组选题都不一样,学生需要在1周实训时间内完成需求分析、逻辑设计、仿真设计分析、测试与验证等项目.仿真实验完成配置和测试任务后,组内开展仿真结果分析,完成思考题.最后,每位学生提交一份符合基本标书规范的实训报告,特别优秀的学生还被要求答辩,将学习经验介绍给其他学生,答辩顺利可以获得小礼品.

2）需求分析.

需求分析工作留给学生自行完成,时间为一天,上午搜集资料,下午整理资料,填写需求采集表.

3）逻辑设计.

在逻辑设计阶段,学生要使用Visio 2003绘制出详细的网络结构图,使用PacketTracer等仿真软件画出实验拓扑结构图,或在教师提供的初次设计图上加以修改.

4）仿真设计分析.

有些仿真实训任务难度较小,要求所有学生必须完成；有些难度较大,属于选做型,通常挑选少数优秀学生完成,并给予一定平时成绩奖励.选做题目一旦顺利完成,必须参与答辩.

（1）初次仿真包设计：为了降低学生完成仿真任务的难度,同时也让学生对项目的逻辑设计结果有一个初步认识,我们为学生提供了能够直接测试和运行的初次仿真包.学生在动手实验前先观察初次仿真包的运行情况,对一些指标作出合理分析. （2）二次仿真设计：二次仿真设计是指学生在教师提供的实验任务和初次仿真包的基础上,根据实验任务要求进行独立思考,完成最终的仿真设计任务.这一步任务的成功与否取决于学生的主动性和实验思考题的引导.例如,“多层交换设计”项目中,VLAN路由的问题复杂性有3个层次：单交换机不同VLAN如何路由、多交换机同一VLAN如何路由、多交换机不同VLAN如何路由,通过思考题逐步引导学生完成这3个层次的仿真设计.再例如“WLAN网络互联设计”中,Cisco AP和Linksys WRT300N配置方法大同小异,但AP通常用作集中器和桥接器用,而WRT300N则是一个宽带路由器,通过思考题也可以引导学生深入理解这两类无线设备的用途差别.

5）测试与验证.

测试与验证针对不同仿真任务有所不同,有些任务需要进行连通性测试,有些任务需要对路由协议性能进行测试,有些任务则需要对时延、吞吐量、丢包率等进行QoS测试.

6）优化与调整.

学生完成仿真任务测试后,如果发现问题或有新的想法,可以在指导教师的帮助下进行新的设计.优化与调整是通过精心设计的思考题来激发的,是锻炼学生思维能力的关键步骤.

3.实训效果分析

笔者尝试仿真实训教学方法5年有余,近年来通过总结和整理,将主要教学内容编写成教材并出版,得到国内同仁广泛支持.实际教学效果也比较大,往届学生中有2人在毕业3年内通过CCIE认证,有5人通过CCNP认证.2012年取得H3C网络大赛湖北省赛区本科组第5名（三等奖）,Cisco网络大省级一等奖2人.

以2013年教学情况为例,我们对42人的专科班级统计了前6个任务的完成情况,对一个27人的本科班级统计了后6个任务的完成情况,实训教学效果分析如表1所示.其中一般难度任务的实训项目完成情况较好,基本上所有学生都能顺利完成实验任务；而较难级别任务选题学生数不多,且完成率低于选题学生的50%；最后一个“无线网络仿真与分析”项目始终无人选择.

4.结语

网络工程实验教学的关键是通过不同层次的实验内容设计帮助学生掌握系统化的网络工程项目设计方法.本文结合项目驱动式教学思想,通过在传统实训教学方案的基础上增加“仿真设计分析”和“优化与调整”两个环节,构建了切实可行的教学方案,培养了学生的工程化思维能力,在学生高层次就业和专业竞赛中取得较好成绩.未来的工作还将进一步研究仿真项目的规模化和难易搭配的合理性问题,使实验计划的编排更合理.