梁 華，王 莎，李 橋

（湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410205）

0 引 言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用教學(xué)模式重理論、輕實(shí)踐，忽視學(xué)生其他方面的能力培養(yǎng)，使得學(xué)生解決實(shí)際問題的能力得不到加強(qiáng)。將企業(yè)背景下的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目引入教學(xué)階段性案例中，由淺入深地設(shè)計(jì)案例教學(xué)，以從網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行為整體，以“工程項(xiàng)目法”設(shè)計(jì)應(yīng)用型案例及項(xiàng)目。按照企業(yè)實(shí)際崗位所需設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生從理論到實(shí)踐同步得到提高，在網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)相關(guān)課程中采用CDIO 理念的“工程項(xiàng)目法”驅(qū)動型的教學(xué)方式值得研究。

1 CDIO工程教育理念與發(fā)展現(xiàn)狀

CDIO[1]工程教育理念，是構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)現(xiàn)（implement）和運(yùn)作（operate）的簡稱，此模式被廣泛應(yīng)用于工程類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。項(xiàng)目內(nèi)容從設(shè)計(jì)開始需要確定好項(xiàng)目的主題、項(xiàng)目難點(diǎn)與重點(diǎn)、項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)、項(xiàng)目的協(xié)作、項(xiàng)目的場景等，所有教育過程以項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)容為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、獨(dú)立思考能力、自我學(xué)習(xí)能力，逐步引導(dǎo)學(xué)生素質(zhì)、知識和能力方面的提高。

近年我國新經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全、智慧城市等出現(xiàn)嚴(yán)重的人才短缺現(xiàn)象，工程教育發(fā)展與新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的不平衡性引起社會各行各業(yè)的關(guān)注。截至2018 年，來自全國“985”“211”等百余所高校開始加入CDIO 工程教育聯(lián)盟，各所高校依據(jù)本校的專業(yè)情況，掀起CDIO 工程教育改革實(shí)踐探索高潮。CDIO 一體化教學(xué)模式解決了我國工程教育改革與發(fā)展中的諸多問題，取得了明顯成效[2]。在全國CDIO 工程教育聯(lián)盟成立的背景下，如何深入開展CDIO 工程教育理念，并在新工科建設(shè)、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新教育、工程認(rèn)證、卓越計(jì)劃實(shí)施等背景下發(fā)展工程專業(yè)教育，構(gòu)建符合國情、校情的CDIO 高素質(zhì)、應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[3-6]，值得深入研究。

2 網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目流程

網(wǎng)絡(luò)“工程項(xiàng)目法”教學(xué)實(shí)踐是以實(shí)際工程項(xiàng)目驅(qū)動的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，并將企業(yè)實(shí)際的工程項(xiàng)目引入案例的教學(xué)中。CDIO 理念的教學(xué)大綱是根據(jù)工程項(xiàng)目的整個(gè)生命周期制定，將網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)定位在（工程型）人才，按網(wǎng)絡(luò)工程初級、中級和高級3 個(gè)階段設(shè)置實(shí)踐內(nèi)容，每個(gè)階段都有相應(yīng)的支撐核心能力培養(yǎng)。

利用具體的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目（包括硬件設(shè)備、模擬環(huán)境、數(shù)據(jù)包分析），以圖1 為例，以網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)到項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的生命周期為整體，使學(xué)生積極主動地參與理論到實(shí)踐的演變過程中。按照真實(shí)性學(xué)習(xí)理論，以企業(yè)的項(xiàng)目為中心，組織網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目課程，最大限度地發(fā)揮項(xiàng)目課程的功能。以“工程項(xiàng)目法”培養(yǎng)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，按照企業(yè)崗位所需設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生的理論與實(shí)踐水平同步得到提高。

圖1 網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目組織流程

2.1 工程項(xiàng)目的構(gòu)思

網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的構(gòu)思依據(jù)專業(yè)領(lǐng)域、企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃、客戶的需求及培養(yǎng)目標(biāo)，從企業(yè)的實(shí)際工程問題中選擇與規(guī)劃項(xiàng)目，并結(jié)合市場的主流網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，從本校學(xué)生實(shí)際情況出發(fā)，構(gòu)思符合實(shí)際教學(xué)要求、難度適中的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目。采用Cisco 交換路由網(wǎng)絡(luò)組建工程項(xiàng)目，構(gòu)思項(xiàng)目分為3 個(gè)階段：第1 階段為初級交換網(wǎng)基本配置、基本交換配置、VLAN 的配置，學(xué)生通過完成以上項(xiàng)目能夠具備小型局域網(wǎng)的日常網(wǎng)絡(luò)管理能力，并從端口安全、端口故障排除、VLAN 的配置、綜合技能挑戰(zhàn)等方面鞏固理論知識的理解；第2 階段為中級路由配置，主要掌握靜態(tài)路由配置、動態(tài)路由配置、跟蹤路由配置、Ipv4 與Ipv6 接口直連路由配置、單臂路由與VLAN 間路由配置，學(xué)生完成以上項(xiàng)目后應(yīng)具備中型局域網(wǎng)的架設(shè)與規(guī)劃能力；第3 階段為高級網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與訪問控制，主要以中型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃為主，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、IP 地址規(guī)劃、VLAN 間的路由、服務(wù)器的配置、DHCP與ACL 的應(yīng)用等，并結(jié)合學(xué)生成果進(jìn)行案例教學(xué)，挑選優(yōu)秀規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)思路分析，啟發(fā)學(xué)生對項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)可行性分析，完善和擴(kuò)展工程項(xiàng)目的功能，最后達(dá)到知識融會貫通和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

2.2 工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)主要完成網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目分組設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃設(shè)計(jì)等。CDIO 模式的“工程項(xiàng)目法”理念強(qiáng)調(diào)一體化學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自我學(xué)習(xí)與能力評估。為更好地完成工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)，應(yīng)合理分配任務(wù)組建項(xiàng)目小組。網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目分組設(shè)計(jì)小組安排如下：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃組、網(wǎng)絡(luò)硬件調(diào)研組、IP 地址規(guī)劃組、布線設(shè)備應(yīng)用組、交換設(shè)備應(yīng)用組、路由設(shè)備應(yīng)用組、故障排除測試組等。項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)分組能夠體現(xiàn)工程項(xiàng)目的生命周期各環(huán)節(jié)涉及的相關(guān)人員，學(xué)生便于理解工程項(xiàng)目的生命周期階段需求。各階段環(huán)節(jié)的分工協(xié)作得到全面考慮，學(xué)生也學(xué)會團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)主要依據(jù)企業(yè)的用戶與業(yè)務(wù)需求，按接入層、分布層、核心層進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，如圖2 所示，為網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)、服務(wù)和技術(shù)、設(shè)備的型號及數(shù)量等提供設(shè)計(jì)依據(jù)。采用層次化模型設(shè)計(jì)有助于理解各層中每個(gè)設(shè)備的作用，簡化部署、運(yùn)營和管理，并減少各層的故障域。每個(gè)層次對應(yīng)特定的功能，層次化設(shè)計(jì)能夠滿足局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

圖2 交換網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃設(shè)計(jì)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)層次規(guī)劃、路由協(xié)議規(guī)劃、流量規(guī)劃等因素；IP 編址設(shè)計(jì)原則首先考慮企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，以此劃分自治區(qū)域，然后按照自治原則將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯劃分，并根據(jù)設(shè)備及用戶數(shù)量進(jìn)行子網(wǎng)的規(guī)劃。

2.3 網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)以仿真模擬軟件Cisco Packet Tracer6.2 進(jìn)行，分別實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件選型、設(shè)備初始設(shè)置、基礎(chǔ)布線設(shè)置、設(shè)備的地址與設(shè)備的技術(shù)等設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)分3 個(gè)部分：第1 部分教師根據(jù)知識點(diǎn)劃分場景內(nèi)容，制作實(shí)訓(xùn)的pak 仿真案例，根據(jù)知識點(diǎn)分步驟設(shè)置自動評分點(diǎn)及計(jì)分項(xiàng)，最后提出思考問題，擴(kuò)展學(xué)生的應(yīng)用能力；第2 部分學(xué)生根據(jù)題目的操作要求，分步驟完善問卷表格填寫，從而掌握基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)布局情況；第3 部分教師將業(yè)界需求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析與設(shè)問，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3 NAT工程項(xiàng)目分析

3.1 教學(xué)目標(biāo)

（1）研究內(nèi)聯(lián)網(wǎng)中的NAT 操作。

（2）研究互聯(lián)網(wǎng)中的NAT 操作。

（3）進(jìn)行深入研究。

3.2 假設(shè)問題

根據(jù)以上教學(xué)目標(biāo)要求，利用Cisco Packet Tracer6.2 仿真軟件設(shè)置項(xiàng)目場景。案例場景描述如下：此練習(xí)中主要研究IP 地址在NAT 過程中的變化情況，分析當(dāng)幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，MAC地址可能會改變。當(dāng)數(shù)據(jù)包由配置了NAT 的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，IP 地址也會改變。

3.3 分析問題

（1）根據(jù)拓?fù)鋱D分析聯(lián)網(wǎng)的3 個(gè)區(qū)域及各區(qū)域IP 地址的設(shè)置范圍，方便以后的數(shù)據(jù)包跟蹤查詢、訪問服務(wù)器操作；通過內(nèi)聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)兩種方式訪問請求網(wǎng)頁。

（2）模擬模式下的過濾設(shè)置；掌握模擬面板的設(shè)置，編輯過濾表僅顯示HTTP 請求。要求學(xué)生掌握各種數(shù)據(jù)包及協(xié)議功能。

（3）在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)中捕獲/轉(zhuǎn)發(fā)PDU，記錄源和目的IP 地址，分析出站數(shù)據(jù)包中的記錄源和目的IP 地址，分析此地址屬于哪個(gè)設(shè)置。

（4）在互聯(lián)網(wǎng)中捕獲/轉(zhuǎn)發(fā)PDU，記錄源和目的IP 地址，分析出站數(shù)據(jù)包中記錄源和目的IP 地址，分析這些地址屬于哪個(gè)設(shè)備。

（5）深入研究以HTTP 和HTTPS 方式測試更多的數(shù)據(jù)包。需要考慮以下問題：NAT 轉(zhuǎn)換表是否增長，WRS 是否具有地址池，這與課堂上的計(jì)算機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)的方式是否相同，為什么NAT 使用4 列地址和端口。

3.4 解決問題

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目拓?fù)鋱D要求，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論完成數(shù)據(jù)包的捕獲。具體參考操作步驟如下。

（1）根據(jù)工程項(xiàng)目案例要求，教師規(guī)劃出拓?fù)鋱D，如圖3 所示。根據(jù)圖3，教師和學(xué)生一起分析區(qū)域聯(lián)網(wǎng)設(shè)置，教師引導(dǎo)學(xué)生查詢各設(shè)備端口設(shè)置、服務(wù)器設(shè)置、交換機(jī)與路由器設(shè)置、IP地址與子網(wǎng)掩碼設(shè)置等信息，從而掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域地址分配設(shè)置。

（2）根據(jù)組網(wǎng)拓?fù)鋱D填寫地址分配表，包括設(shè)備名稱、接口、IP 地址和子網(wǎng)掩碼。

圖3 內(nèi)聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)連接拓?fù)鋱D

（3）根據(jù)操作要求，測試內(nèi)聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)，輸入HTTP 請求的服務(wù)器地址，并在模擬設(shè)計(jì)面板中捕獲/轉(zhuǎn)發(fā)PDU，記錄源和目的IP 地址，分析出站數(shù)據(jù)包中的記錄源和目的IP 地址。

教師提出問題供學(xué)生思考和實(shí)踐：①內(nèi)聯(lián)網(wǎng)中是否存在私有地址；②內(nèi)部本地IP 地址的共同之處是什么；③NAT 的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，配置、檢驗(yàn)和分析靜態(tài)NAT、動態(tài)NAT 和NAT 過載，如何使用端口轉(zhuǎn)發(fā)從Internet 訪問內(nèi)部設(shè)備，NAT 是如何解決IPv4 地址空間耗盡問題等，教師引導(dǎo)學(xué)生思考組網(wǎng)過程中要解決的問題，并強(qiáng)調(diào)不同類型數(shù)據(jù)包間的相互聯(lián)系。

3.5 課堂回顧與總結(jié)

通過模擬測試HTTP 數(shù)據(jù)包步驟，學(xué)生就更容易理解NAT 地址轉(zhuǎn)換在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)中的重要性，也熟悉和掌握模擬仿真數(shù)據(jù)包的跟蹤與分析，理解各類數(shù)據(jù)包與協(xié)議，從抽象到具體化協(xié)議分層概念，網(wǎng)絡(luò)原理中的數(shù)據(jù)包格式、數(shù)據(jù)包的輸入與輸出地址，并且很容易理解OSI 分層概念，為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)編程等課程奠定基礎(chǔ)。課堂內(nèi)容講授完后，教師對知識點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，對不同類型的數(shù)據(jù)包內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，引導(dǎo)學(xué)生假設(shè)不同類型的數(shù)據(jù)包請求獨(dú)立設(shè)計(jì)相似的案例，以鞏固所學(xué)知識。

4 教學(xué)效果

通過引用CDIO 模式的“工程項(xiàng)目法”教學(xué)模式，更能激發(fā)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)踐與驗(yàn)證過程中，選取不同專業(yè)班級，甲班都采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，而乙班采用工程項(xiàng)目教學(xué)法。教學(xué)后所有班級都參加局域網(wǎng)技術(shù)與組網(wǎng)工程期末考核，考試內(nèi)容分為筆試和機(jī)試兩部分，統(tǒng)計(jì)成績見表4。

局域網(wǎng)技術(shù)與組網(wǎng)工程考核主要采用筆試與機(jī)試：筆試考核點(diǎn)圍繞本課程的重點(diǎn)知識，包括選擇題、填空題、簡答題、綜合計(jì)算題等題型，從多個(gè)角度測試學(xué)生學(xué)習(xí)的成果；機(jī)試考核點(diǎn)主要是以模擬環(huán)境下的應(yīng)用操作點(diǎn)進(jìn)行考核，分步驟根據(jù)測試點(diǎn)統(tǒng)計(jì)得分。從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)看，文科乙班比甲班及格率高出10%左右，基本操作能力明顯高出傳統(tǒng)教學(xué)下的，綜合應(yīng)用方面也明顯高出45%左右，學(xué)生主動思考問題的能力得到提高。

表4 局域網(wǎng)技術(shù)與組網(wǎng)工程統(tǒng)計(jì) %

5 結(jié) 語

通過CDIO 模式的網(wǎng)絡(luò)“工程項(xiàng)目法”，將局域網(wǎng)技術(shù)與組網(wǎng)工程的理論知識與階段性測試相結(jié)合，學(xué)生不僅很容易理解局域網(wǎng)與組網(wǎng)工程理論知識和硬件設(shè)備的工作原理，而且在規(guī)劃、分析、核心技術(shù)的應(yīng)用能力、解決實(shí)際問題的能力等方面都有明顯提高。網(wǎng)絡(luò)“工程項(xiàng)目法”是適合當(dāng)今社會發(fā)展和需求的新型教學(xué)模式，需要教育工作者進(jìn)一步完善和推廣。