《交換與路由技術(shù)》課程案例式教學(xué)實踐

李偉，石元泉，胡德斌，李圣春

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

一 引言

案例式教學(xué)（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(xué)法學(xué)院學(xué)生的教學(xué)方法。他運用實用主義思想，通過精心設(shè)計的案例，引導(dǎo)學(xué)生運用自己思辨能力去理解所學(xué)知識如何適用于這些給定的案例[1]。我國于20 世紀(jì)80 年代開始引入案例式教學(xué)方法，初期多用于法學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和管理學(xué)等學(xué)科[2]，后來在其他學(xué)科內(nèi)進行了推廣，計算機類課程在教學(xué)改革過程中也廣泛運用了案例式教學(xué)方式，并取得了較好的成效[3-5]?！督粨Q與路由技術(shù)》是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的核心課程，在教學(xué)過程中應(yīng)用案例式教學(xué)方式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生學(xué)習(xí)能力、分析能力、解決問題能力的培養(yǎng)。

二 課程特點

《交換與路由技術(shù)》是網(wǎng)絡(luò)工程相關(guān)專業(yè)開設(shè)的實踐型專業(yè)課程，講授在計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與部署過程中大量用到的交換機、路由器等設(shè)備的配置與優(yōu)化方法。這門課是《計算機網(wǎng)絡(luò)》課程的后繼課程，通過實驗案例來驗證計算機網(wǎng)絡(luò)課程中講述的理論知識，從而使學(xué)生能夠更加深刻地理解計算機網(wǎng)絡(luò)的原理；這門課也是《網(wǎng)絡(luò)工程與設(shè)計》課程的前續(xù)課程，熟練掌握網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方法是學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程方案設(shè)計的基礎(chǔ)。

目前主流的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備在國外的市場占有率最高，近年來華為的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在國內(nèi)的市場占有率逐年提升。為了使學(xué)生熟悉主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理方法，本?！督粨Q與路由技術(shù)》課程以華為和銳捷指令集設(shè)計實驗，選擇銳捷而不是思科的原因之一是銳捷設(shè)備的價格相對較低，其次是因為銳捷的設(shè)備可以配備實驗室綜合管理系統(tǒng)[6-7]（RG-LIMP），方便實訓(xùn)環(huán)境的管理；選擇華為的原因是其在國內(nèi)市場具有較高占有率。

模擬器能夠?qū)β酚善鳌⒔粨Q機、防火墻等設(shè)備進行軟件仿真，完美呈現(xiàn)真實設(shè)備實景，讓用戶有機會在沒有真實設(shè)備的情況下開展大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與管理。很多廠商開發(fā)了針對自己產(chǎn)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(shè)備上開展驗證性實驗，在eNSP 模擬器上開展設(shè)計性實驗。將真實工程中的項目需求轉(zhuǎn)化為實踐課程案例進行講解與練習(xí)。

三 課程案例設(shè)計

交換與路由課程是懷化學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)教學(xué)團隊投入巨大精力建設(shè)的課程之一，邀請了湖南一樹網(wǎng)絡(luò)科技有限公司、湖南省網(wǎng)安基地科技有限公司的工程師參與設(shè)計實驗案例。學(xué)校和企業(yè)的協(xié)同建設(shè)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(jù)交換與路由課程的體系結(jié)構(gòu)，每個知識點都通過實驗進行驗證，并設(shè)計了3 個綜合案例貫穿課程教學(xué)，分別是：交換網(wǎng)絡(luò)案例，小型路由網(wǎng)絡(luò)案例和無線網(wǎng)絡(luò)案例，覆蓋了交換、路由、無線網(wǎng)絡(luò)和防火墻等知識點。

（一） 交換網(wǎng)絡(luò)案例

該案例來源于小型局域網(wǎng)的設(shè)計需求，以交換技術(shù)為主。配置虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、多生成樹協(xié)議（MSTP）、虛擬路由冗余協(xié)議（VRRP）和鏈路聚合（Eth-Trunk），拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 交換網(wǎng)絡(luò)案例拓?fù)?/p>

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(xiàn)虛擬網(wǎng)關(guān)及備份；LSW1-LSW4 上配置MSTP 消除交換環(huán)路，并且實現(xiàn)負(fù)載均衡及備份。通過這個實驗，學(xué)生可以體驗到局域網(wǎng)管理的靈活性，理解交換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的原理，明白冗余鏈路及生成樹協(xié)議的作用，掌握為提高網(wǎng)絡(luò)可靠性而引入的MSTP、VRRP 等功能的配置方法。

（二） 小型路由網(wǎng)絡(luò)案例

路由器是大中型網(wǎng)絡(luò)中必不可少的設(shè)備，該案例為學(xué)生提供路由協(xié)議配置、路由器管理的環(huán)境。主要配置靜態(tài)路由，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議OSPF、RIP 以及它們之間的路由重發(fā)布，拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 小型路由網(wǎng)絡(luò)案例拓?fù)?/p>

在這個案例中每個路由器都配置環(huán)回接口模擬接入網(wǎng)絡(luò)，AR3、AR5 和AR7 可以完成直連路由、靜態(tài)路由和浮動靜態(tài)路由，也可以與其他路由器配置成OSPF 多區(qū)域。AR4 上配置兩種路由協(xié)議，雙向進行匯總和重發(fā)布。AR1 與AR2 上添加2 端口同異步WAN 接口卡（2SA）模擬廣域網(wǎng)鏈路，在上面封裝PPP 協(xié)議并進行chap 和pap 驗證。通過這個實驗，學(xué)生可以理解路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的原理，掌握配置并優(yōu)化路由協(xié)議的方法，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)流分析、定位并解決網(wǎng)絡(luò)故障。

（三） 無線網(wǎng)絡(luò)案例

該案例包含了旁掛式無線網(wǎng)絡(luò)部署、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)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(shè)備和防火墻，操作更加直觀。拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)案例拓?fù)?/p>

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(wǎng)方式管理無線接入點（AP），連接終端STA1 和Cellphone1 轉(zhuǎn)發(fā)無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。AR1 是出口路由器，配合防火墻FW1 完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的地址轉(zhuǎn)換與內(nèi)部服務(wù)器Server1的對外發(fā)布。通過這個實驗，學(xué)生可以了解無線網(wǎng)絡(luò)的配置流程、各種配置模板及其引用關(guān)系，掌握常見的NAT 轉(zhuǎn)換方式，熟悉防火墻的安全防護區(qū)域、策略的配置方法，能夠豐富網(wǎng)絡(luò)接入方式并配置一定的策略來提升網(wǎng)絡(luò)安全性。

四 課程思政在教學(xué)中的融合

在本門課程的授課過程中，充分結(jié)合技術(shù)與案例，發(fā)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(zhuǎn)化為社會主義核心價值觀具體化、生動化的有效教學(xué)載體，在“潤物細(xì)無聲”的知識學(xué)習(xí)中融入思想信念層面的精神指引。

相比傳統(tǒng)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(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)全部動起來，匯報自己按時上課、提前預(yù)習(xí)的狀態(tài)。這種簽到方式不僅能促使學(xué)生盡早進入課堂狀態(tài)，做好上課前的各項準(zhǔn)備，又可以訓(xùn)練學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的工作作風(fēng)和認(rèn)真的工作態(tài)度。網(wǎng)簽?zāi)Ｊ阶寣W(xué)生體驗新事物、置身新事件，發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識新知識、新思想、新方法，做好智能導(dǎo)向滲透。

本門課程的主要內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理密切相關(guān)，通過華為設(shè)備在國內(nèi)外市場占有率不斷提升的現(xiàn)狀，讓學(xué)生了解目前我國在科技創(chuàng)新方面的舉措，鼓勵同學(xué)們?yōu)椤爸袊鴫簟倍J(rèn)真學(xué)習(xí)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，樹立遠(yuǎn)大理想，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和愛國熱情；從中美貿(mào)易戰(zhàn)出發(fā)，教育同學(xué)們認(rèn)真學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識，奮發(fā)圖強，考取華為專業(yè)技能認(rèn)證，為祖國的騰飛而努力。

通過對比思科與華為和銳捷設(shè)備的優(yōu)缺點，了解國情與網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備企業(yè)的相關(guān)情況，了解芯片壟斷、華為被排擠等事件背后的原因。教育學(xué)生一定要正確認(rèn)識自己，明白自身的優(yōu)缺點，學(xué)會取人之長，補己之短的道理。樹立愛國情、報國志，引發(fā)學(xué)生對未來的職業(yè)愿景，激發(fā)學(xué)生對社會主義核心價值觀的認(rèn)同感。

在講解網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的操作管理時，通過“斯諾登事件”使學(xué)生認(rèn)清網(wǎng)絡(luò)安全是一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭，不僅個人要防范，企業(yè)也要防范，國家更要防范，“網(wǎng)絡(luò)空間的競爭，歸根結(jié)底是人才競爭”[9]。告誡學(xué)生要樹立正確的技能觀，努力提高自己的職業(yè)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(yǎng)學(xué)生的工匠精神，注重職業(yè)道德，在潛移默化中提高綜合職業(yè)素養(yǎng)，樹立社會主義職業(yè)精神。使學(xué)生明確：職業(yè)素養(yǎng)是一個職業(yè)人的立身之本。在學(xué)生時代，就應(yīng)該不斷提升個人修養(yǎng)和思想道德水平，著力培養(yǎng)良好的職業(yè)素養(yǎng)。

五 課程考核

《交換與路由技術(shù)》是實踐性非常強的課程，不適合采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)試卷考查方式進行考核，為了能夠客觀公正地衡量學(xué)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(xué)生需要在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的內(nèi)容。這種方式會帶來一個問題：教師逐個驗收學(xué)生的結(jié)果會需要很長時間，為縮短時間，作者開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置指令集的自動閱卷系統(tǒng)[8]，能夠?qū)θA為設(shè)備指令集自動評分，應(yīng)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(xiàn)、實驗及作業(yè)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(huán)節(jié)是學(xué)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(xué)生轉(zhuǎn)換為老師的角色去考慮案例的設(shè)計，能促進學(xué)生更深層次掌握知識和技巧。采用分組方式可以鍛煉學(xué)生的團隊合作、協(xié)調(diào)管理能力。

六 改革效果

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

七 結(jié)語

將網(wǎng)絡(luò)工程中的真實案例引入《交換與路由技術(shù)》課程中能夠提升學(xué)生的興趣，鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力。在多年的教學(xué)實踐和企業(yè)工程師的幫助下，課程中設(shè)計的案例不斷地在更新和優(yōu)化，需求不斷地被細(xì)化，學(xué)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(shù)，提升項目時效性，引導(dǎo)學(xué)生考取高級技能證書。