CDIO视野下的计算机网络实验教学探索与实践

陈潮+++靳慧云

摘 要： 分析计算机网络实验教学现状和存在的问题；在CDIO工程教育理念的指引下，研究实验教学内容；运用竞赛驱动、项目化、任务驱动等教学方法，建立以形成性评价为主的实验考核评价标准，从而重构计算机网络实验教学体系。经过三年、三届学生的教学探索与实践，显示该教学体系提升了学生的网络技术水平，激发了学生的创新思维，学生的团体协作意识得到培养。

关键词： CDIO； 计算机网络； 实验教学； 探索与实践

中图分类号：G64 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）05-81-04

Abstract： Analyzing the current situation and problems of computer network experiment teaching， under the guidance of the concept of CDIO engineering education， researches the experiment teaching content； using the teaching methods of competition-driven， project-oriented and task-driven， establishes a formative evaluation-oriented experiment operation evaluation standard to reconstruct the computer network experiment teaching system. Through three years， the three sessions of teaching exploration and practice， shows that the teaching system has significantly enhanced the student's network technology， stimulated the creative thinking of the students， and cultivated students' sense of teamwork.

Key words： CDIO； computer network； experiment teaching； exploration and practice

0 引言

根据中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的第37次《中国互联网络发展状况统计报告》[1]，截至2015年12月，中国网民规模达6.88亿，互联网普及率达到50.3%，半数中国人已接入互联网，互联网对于整体社会的影响已进入到新的阶段。计算机网络课程是我国大学计算机、通信、电子和自动化等专业学生必修的一门核心课程，是一门理论与实践紧密结合的课程，从2009年开始，教育部将计算机网络作为计算机科学与技术专业硕士研究生入学考试的一部分，也充分体现了国家对计算机网络课程的重视[2-3]。计算机网络课程是一门公认的难教难学的课程，所涉及的概念和名词多、抽象、不容易理解，因其技术和知识更新快，故导致教学难度较大。该课程的实验教学是培养学生实践能力的重要环节，在计算机网络课程教学中占有举足轻重的地位[4-6]，因此进行计算机网络实验教学的研究、改革和创新显得尤为重要。

2000年，麻省理工学院、查尔摩斯工业大学、林雪平大学和瑞典皇家工学院四所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会资助，创立了CDIO工程教育理念，成为近年来国际工程教育改革的最新成果。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习和获取工程能力[7-8]。

在CDIO工程教育理念的指引下，本文分析计算机网络实验教学的现状和不足，从实验内容、实验方式方法、实验实施和实验评价等方面进行研究与分析，重新构建计算机网络实验教学体系，并进行计算机网络实验的探索与实践。

1 计算机网络实验教学现状和存在的问题

实验教学与理论教学是课程教学的两个核心，国内不少院校在实验环境建设、人才师资队伍建设、实验项目设计和实施等方面进行了有益的探索与实践[8-10]，计算机网络实验教学改革取得了一定的成效。以下分析计算机网络实验教学的现状及存在的问题。

1.1 保障实验教学的专业实验室建设落后

计算机网络课程是一门侧重实践性教学的课程，其中实验教学是重中之重，而实验教学需要相应专业实验室的支撑。计算机网络实验室不同于普通的机房，它的核心设备不是普通的计算机，而是交换机、路由器、网络管理系统等硬件和软件，在设备、场所、经费和管理维护方面的成本远高于普通的机房，不少院校因为经费短缺、场地有限等原因无法建设专业的计算机网络实验室，只能在普通的机房开展实验教学，导致一些设计性和综合性的实验无法开设，即使建设有专业的计算机网络实验室，也会因为实验设备数量不足，而不得不需要把一个教学班的一次实验分成若干次实验来完成。这些给实验教学的开展带来一定的困难。

1.2 实验师资队伍建设落后

由于长期以来形成的不重视实验师资队伍的培养，实验师资队伍的建设一直落后于理论师资队伍的建设，特别是近十年来，一大批学校升格为本科院校，师资短缺现象较严重，部分院校甚至没有配备专业的实验师资队伍，而是由理论教师或机房管理员兼任实验教师。即使配备专门的实验师资队伍，也会由于培训经费无法保障、缺少工程经验等问题，而导致实验师资队伍教学水平不高，影响了实验教学质量。

1.3 实验项目设计和实验教材质量不高

兴趣是学生学习知识的重要推动力，计算机网络实验教学本身由于课程特点，存在学生学习起来感觉枯燥乏味、动力不足等问题，如果实验教师继续采用传统的实验教学方法，不重视新型实验教学方法和手段的运用，实验教学的效果可想而知。

优秀的实验教材在一定程度上能够弥补理论教学中存在的不足，学生可以在实验教材的指导下开展实验，加深对知识点的理解。虽然市面上已经有不少计算机网络相关的实验教材，但是这些教材存在实验体系单一、项目设计粗糙、实验方式单一、与理论联系不密切等问题。

1.4 实验考核评价不合理

计算机网络课程既重视理论教学，也要强调实验教学，两者相辅相成。但是在课程考核的实施过程中，部分院校把实验教学视为理论教学的辅助，缺失实验教学考核，或者只是把实验考核的内容整合到期末卷面考试中。这种不重视实验考核的情况，在一定程度上会误导学生，导致学生只重视理论知识的学习，轻视实验教学，学生的动手操作能力得到不锻炼，理论知识无法通过实验的验证，这样培养出来的学生往往是高分低能。

2 CDIO视野下计算机网络实验教学改革

在CDIO工程教育理念的指导下，加强专业实验室建设和实验师资队伍建设，将实验教学内容与实际项目紧密联系起来，运用竞赛驱动、项目化和任务驱动等教学手段，实施以过程考核为主的实验考核评价方法，重构计算机网络实验教学体系，从而有力地推动计算机网络实验教学改革[11-12]。

2.1 加大投入，建设和完善专业实验室

分析计算机网络实验教学，其内容主要包括：网络设备配置类实验和网络协议分析类实验。网络设备配置类实验主要包括：路由和交换实验，通过对路由器、交换机等网络设备的部署、配置、调试来进行实验，借助Boson NetSim、GNS3和Packet Tracer之类的模拟软件，也可以使用国内外公司开发的计算机网络实验系统。例如国内公司锐捷网络开发的计算机网络实验系统，就是采用真实的网络设备，通过RCMS平台对实验进行管理和维护。网络协议分析类实验包括：HTTP协议、DNS协议、TCP协议、IP协议、ARP协议等协议分析实验，可以借助WireShark、Sniffer和Ethereal之类的网络分析工具来学习不同层次协议，也可以使用国内外公司开发的网络协议实验系统，例如国内公司中软吉大开发的TCP/IP协议实验系统。采用模拟器的网络实验与采用真实设备的网络实验相比各有利弊，使用模拟器的好处在于：经费投入低、容易管理、使用方便和升级容易，但是总体上而言，在经费有保障的提前，可以采用真实设备进行网络实验，更有利于加强学生对网络设备的感性认识和实际操作经验。

2.2 内培外引，推进实验师资队伍建设

实验教师综合能力的强弱直接影响到学生的实践能力培养，因此，必须加强对实验教师的培训和进修深造，可以采用内培外引等措施。一方面，定期选派教师到国内外较大的网络设备制造厂商进行有针对性的培训，例如思科、华为、H3C和锐捷网络等知名公司，鼓励实验教师考取CCNA、CCNP、华三网络、锐捷网络等行业证书，同时参与相关网络工程项目，为实验教学积累素材；另一方面，针对新引进的教师，安排一名教学经验丰富的教师作为其导师，由导师全面负责对新教师的培养，使其能够尽快适应实验教学岗位。还可以有目的性地选派骨干教师到知名高校进行访学和深造，学习适合计算机网络教学的先进教学理念、教学方法和教学手段，从而提高实验师资队伍的整体教学水平。

2.3 构建CDIO视野下的实验教学体系

在CDIO大纲指导下，以计算机网络课程所要达到的能力为目标，在实验教学内容的选择上，遵循三个原则：一是实用性，开出的实验内容贴近网络技术应用实际，并且紧跟网络技术应用的前沿，能够切实提高学生的网络技能，较快适应工作岗位； 二是开拓性，实验内容能够强化学生对计算机网络基本原理的理解，提高学生的网络技能，同时也为后续课程的学习奠定良好的基础，也在一定程度上培养学生的创新思维，激发其创新意识，培养其创新精神；三是层次性，任何知识的学习都由一个简单到复杂的过程，计算机网络的实验教学了同样也要遵循这个规律，通过精心的实验教学设计、严密的组织实施和反馈评价，建立多样性、多层次和立体化的实验教学体系。

借鉴CDIO的工程教育理念，对计算机网络实验教学设计、准备、实施和反馈等各环节进行创新、探索与实践，构建CDIO视野下的新型计算机网络实验教学体系，如表1所示。

2.4 注重过程，加强形成性考核

科学合理的实验考核评价方式，能够正确地反映出学生掌握知识的程度和计算机网络技能水平，引导学生的学习兴趣，激发学生的创新思维和创新意识，教师也能够不断在实验考核中进行经验总结、完善实验考核评价体系。传统的实验考核以实验报告作为惟一的评价标准，缺少对实验过程的考核评价，而过程和结果并重的实验考核评价方式，更加注重实验过程中的学习态度、团队合作协作、发现问题、分析问题和解决问题的创新能力，不仅调动了学生的主动性和积极性，而且激发了学生的创新思维，动手操作能力得到很好的锻炼，实验效果也有明显的进步。

表1 新型计算机网络实验教学体系

[实验类别＼&实验名称＼&教学方法＼&实验内容＼&实施方法＼&网络基础实验＼&制作双绞线＼&竞赛驱动＼&从一台仅保留网线接口（其它接口封闭）的主机硬盘中获取指定文件＼&课前公布实验内容，分组实验，课内完成，根据完成情况和时间评分＼&常用网络

命令＼&任务驱动＼&熟悉常用网络命令：ping、ipconfig、tracert等；排除存在网络故障的某台主机，使其能正常连接网络＼&课内公布内容，课内完成，根据任务完成情况评分＼&安装网络

打印机＼&任务驱动＼&连接到一台已经共享的局域网打印机，并打印指定文件＼&课内公布内容，课内完成，根据任务完成情况评分＼&网络设备配置实验＼&网络设备的

基本配置＼&任务驱动＼&使用两台交换机分别组建两个局域网，并使用路由器实现两个局域网的互联（使用Packet Tracer软件模拟完成）＼&课内公布内容，课内完成，根据任务完成情况评分＼&创建VLAN＼&项目化＼&使用Packet Tracer软件模拟某个单位的办公场景，该单位有三个部门，创建对应三个部门虚拟局域网＼&课外完成文档，课内完成，根据任务完成情况评分＼&跨交换机实现

VLAN间路由＼&项目化＼&在创建VLAN实验基础上，增加路由器，实现不同VLAN间路由＼&课外完成文档，课内完成，根据任务完成情况评分＼&网络协议实验＼&服务器的

部署与配置＼&任务驱动＼&部署和配置HTTP服务器，实现主页的访问；部署和配置FTP服务器，实现文件的上传和下载；部署和配置EMAIL服务器，实现电子邮件的发送和收取＼&课外完成，课内完善补充，课内完成测试、评价和反馈＼&协议分析＼&任务驱动＼&使用TCP/IP协议实验系统或WireShark之类的软件，获取TCP/IP协议体系下的IP、ICMP、ARP数据包格式，理解协议的内容和工作过程＼&课外公布内容，课内完成，根据任务完成情况评分＼&]

3 结束语

计算机网络实验教学是高等院校应用型人才培养的重要途径，也是教育部“卓越工程师教育培养计划”的重要组成部分，因此非常有必要对计算机网络实验教学进行改革。本文探讨了计算机网络实验教学改革，主要针对实验理念、实验内容、实验方法、实验评价等方面，在CDIO工程教育理念的指引下，通过任务驱动、项目化、竞赛驱动等新型实验教学方法在实验教学中运用，加强学生对计算机网络的概念和原理的理解，在一定程度上培养了学生分析问题、解决问题的创新能力。让优秀的学生在实验的基础上申报各类科技创新项目，实验教学改革取得明显的效果，学生的团队协作意识、创新思维和专业技能都得到了明显的提升。

参考文献（References）：

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