基于CDIO的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)虛擬實驗教學(xué)改革研究

王崇霞

（長治學(xué)院 計算機(jī)系，山西 長治 046011）

0 前言

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)自1998年教育部批準(zhǔn)開設(shè)以來，發(fā)展十分迅速。社會對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才需求的數(shù)量和質(zhì)量也逐年提高。網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)是一門實踐性非常強(qiáng)的工程類專業(yè)，需要培養(yǎng)有較強(qiáng)的專業(yè)技能和素養(yǎng)的行業(yè)應(yīng)用型人才，但網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)在發(fā)展中出現(xiàn)教學(xué)和市場脫節(jié)的現(xiàn)象，高校難以滿足市場對網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人才的需求，培養(yǎng)的學(xué)生專業(yè)特色不鮮明，實踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀人才欠缺。

2014年教育部提出地方本科高校向“應(yīng)用型大學(xué)”轉(zhuǎn)型發(fā)展。要求“應(yīng)用型”大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)以能力而非以知識為核心，加強(qiáng)實踐、實習(xí)和實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計，主張采用案例分析、項目驅(qū)動等適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的多樣化教學(xué)方法[1]。但地方本科院校底子薄、資金不足，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)上投入欠缺，實踐教學(xué)依然不能全面開展。近年來，雖然各院校在一定程度上對實踐教學(xué)的硬軟件設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化妝，但仍然難以滿足網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)需求，如何利用有限的硬軟資源，加強(qiáng)地方本科院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的實踐教學(xué)，是地方本科院校向應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型發(fā)展的基礎(chǔ)，也是提高學(xué)生解決實際問題能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要方面。

1 網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)中存在的問題

目前，地方本科院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)主要有課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等幾種方式，但這些實踐教學(xué)模式已不適合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展時代的教學(xué)需求，主要問題有以下幾方面。

1.1 教師設(shè)計實踐項目，學(xué)生被動學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)中，教師根據(jù)實驗室的硬軟件設(shè)置，事先設(shè)計好實驗項目和實驗過程，學(xué)生在教師的安排下被動完成實踐任務(wù)。實踐過程缺乏自主性和創(chuàng)新性，學(xué)生無法感受到實踐的樂趣和用所學(xué)知識解決問題的成就感，實踐過程缺乏參與性和主動性。

1.2 不能在實踐教學(xué)中及時融入新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能已在多個領(lǐng)域得以應(yīng)用，但因為經(jīng)費(fèi)、投入成本等原因，在實踐教學(xué)中不能及時融入新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生實踐教學(xué)中獲得的知識與實際市場需求脫節(jié)，致使學(xué)生畢業(yè)后無法學(xué)以致用。

1.3 實踐教學(xué)中欠缺工程設(shè)計思路，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)屬于工程學(xué)科，實踐教學(xué)應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生工程管理實施需要的綜合能力，而地方本科院校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)多停留在模仿層面。實踐教學(xué)中欠缺獨立構(gòu)思設(shè)計到實施運(yùn)行完成的工程實踐鍛煉，不利于學(xué)生工程實踐能力和綜合素質(zhì)的提高。

2 虛擬實驗輔助實踐教學(xué)

虛擬實驗是借助于計算機(jī)技術(shù)和虛擬技術(shù)，模擬實驗需要的硬軟件環(huán)境，仿真實驗過程進(jìn)行相關(guān)實驗[2]。虛擬實驗為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實踐教學(xué)開辟了新的思路，虛擬實驗環(huán)境基本可以實現(xiàn)高校大部分課程的虛擬實踐教學(xué)，有效緩解學(xué)校資金不足導(dǎo)致的實驗軟硬件短缺問題。虛擬實驗教學(xué)在發(fā)達(dá)國家已十分普及，如2004年美國巴爾的摩的約翰霍普金斯大學(xué)教育資源中心發(fā)起的基于Java技術(shù)的虛擬物理實驗室項目；新加坡國立大學(xué)電子工程系開發(fā)的用于工程教育的虛擬實驗室，根據(jù)目前從可查到的各院校開放的對外服務(wù)看，國內(nèi)部分大學(xué)已陸續(xù)建立了虛擬實驗系統(tǒng)輔助教學(xué)。

建立完整的虛擬實驗環(huán)境是進(jìn)行虛擬實驗的關(guān)鍵，虛擬實驗環(huán)境包括相應(yīng)的模擬實驗室環(huán)境、虛擬實驗設(shè)備、實驗對象及仿真實驗過程等[2]。目前已經(jīng)建設(shè)的虛擬實驗環(huán)境有多種，如Cisco虛擬實驗軟件、VMWare系統(tǒng)、基于云計算的虛擬實驗系統(tǒng)等等。多數(shù)虛擬實驗系統(tǒng)可以根據(jù)實驗項目，設(shè)計靈活、自主的仿真實驗過程，而且大多虛擬實驗系統(tǒng)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實現(xiàn)，所以在虛擬實驗系統(tǒng)中可以融入先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使學(xué)生、教師都可以及時了解、學(xué)習(xí)最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，克服傳統(tǒng)實驗不能及時了解最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的弊端。

3 基于CDIO的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)虛擬實踐教學(xué)模式設(shè)計

3.1 CDIO工程教育模式

CDIO（Conceive-design-implement-operate構(gòu)思-設(shè)計-實施-運(yùn)作）是21世紀(jì)初美國麻省理工學(xué)院、瑞典查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院等四所工程大學(xué)聯(lián)合倡導(dǎo)的一種新型工程教育模式[3]。它以工程項目從構(gòu)思到實施的生命周期為載體，把工程過程構(gòu)建劃分為四個階段，學(xué)生以主動的、課程有機(jī)串接的方式學(xué)習(xí)工程。將教育過程與工程實施過程相融合，改善當(dāng)前工程教育中存在的重理論輕實踐的現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)理論及專業(yè)知識的同時，也提高學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、工程構(gòu)建能力、團(tuán)隊交流能力和大系統(tǒng)掌控能力[3-4]。

在虛擬實驗教學(xué)中融入CDIO教學(xué)模式，對一些當(dāng)前硬件欠缺的實踐項目有重要意義，構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)行基于軟件平臺的虛擬實驗過程，實現(xiàn)虛擬工程項目的管理、協(xié)作、設(shè)計和實施，有效整合現(xiàn)有的硬軟件資源，建立基于虛擬實驗的CDIO實踐教學(xué)模式，從而為學(xué)生提供設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)造性的實踐環(huán)境，進(jìn)而培養(yǎng)與市場發(fā)展需求吻合、有較強(qiáng)實踐能力和創(chuàng)新能力的合格大學(xué)生。

3.2 基于CDIO的虛擬實驗教學(xué)設(shè)計

基于CDIO的虛擬實驗項目不同于傳統(tǒng)的實驗項目，指導(dǎo)教師需要根據(jù)實驗項目大小、難易程度確定實驗分組情況。在實驗項目完成過程中，指導(dǎo)教師不用事先編寫詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書，只需在實驗課前指導(dǎo)學(xué)生了解虛擬實驗軟件的使用方法，確定本次實驗項目的主題和實驗內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與實驗相關(guān)的基本知識，制定實驗項目要求和實驗結(jié)果預(yù)期。學(xué)生在完全開放的虛擬實驗環(huán)境中自主完成虛擬項目構(gòu)思、設(shè)計、實施、運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)經(jīng)常使用Cisco的虛擬實驗軟件構(gòu)建各種虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。下面以Cisco虛擬軟件平臺模擬路由器、交換機(jī)和多臺計算機(jī)建立一個包含兩個VLAN的虛擬網(wǎng)絡(luò)為例闡述基于CDIO的虛擬實驗教學(xué)過程。

實驗要求：用路由器、交換機(jī)及多臺計算機(jī)建立包含兩個VLAN的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

實驗?zāi)康模孩倮斫釼LAN的基本概念、原理和作用；②掌握VLAN的配置方法；③掌握VLAN的測試方法；

實驗內(nèi)容：①路由器的基本配置；②交換機(jī)的基本配置；③配置VLAN。

學(xué)生在實驗時，根據(jù)構(gòu)思-設(shè)計-實施-運(yùn)作的工程教育模式規(guī)劃、設(shè)計網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及VLAN的配置方法，再在Cisco虛擬實驗軟件平臺上實施、運(yùn)作，在實現(xiàn)過程中遇到問題再修改原有構(gòu)思-設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)配置完成后，學(xué)生需要測試VLAN的連通性。實驗完成后學(xué)生需要把實驗中設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)及VLAN結(jié)構(gòu)、IP地址的劃分、測試結(jié)果等截圖并寫成實驗報告交給指導(dǎo)老師。實驗過程中，各小組設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、IP地址、VLAN可能各不相同，實驗的構(gòu)思、設(shè)計、完成、運(yùn)行由各小組成員決定，指導(dǎo)教師對實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和結(jié)果沒有統(tǒng)一規(guī)定。實驗結(jié)束后，指導(dǎo)教師對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析總結(jié)，學(xué)生可以借鑒其他小組在本次實驗中的優(yōu)點，總結(jié)思考自己實驗中存在的問題及改進(jìn)方法。與傳統(tǒng)的實驗相比，這種基于CDIO思想的虛擬實驗教學(xué)模式具有實驗題目開放性、實驗過程不固定和實驗結(jié)果不唯一等特點。實驗過程中，注重實驗實施，加強(qiáng)實驗結(jié)果分析，實驗過程需要發(fā)揮學(xué)生的想象力和探究能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)了學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)束語

文章從CDIO實踐教學(xué)的角度，探討基于CDIO的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)虛擬實驗教學(xué)模式，拓寬了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開展實踐教學(xué)的思路和方法。文章舉例說明了基于CDIO工程教育理念完成基于軟件平臺的虛擬仿真實驗過程，對網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)開展基于CDIO的實踐教學(xué)，拓展網(wǎng)絡(luò)工程實踐教學(xué)范疇，培養(yǎng)與市場發(fā)展需求相吻合，有較強(qiáng)實踐能力和創(chuàng)新能力的合格大學(xué)生有一定的幫助。