构建网络工程专业实践教学体系

2009-11-02张杰张建伟

计算机教育 2009年19期

张　杰　张建伟

摘要:本文分析了网络工程专业的教学目标和实践教学的现状,针对网络工程专业实践教学特点,构建了一套由实验、实习、实训等环节组成的,纵向摆脱对理论课程的依附,横向与理论课程相互支撑的实践教学体系,并具体设计了实践教学平台的实现方案。实践证明,该做到现实与虚拟环境结合、校内与校外实习结合,为学生创造了良好的工程项目实践的环境,很好地培养了学生的工程技术应用技能。

关键词:网络工程;实践教学;横向;纵向

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

网络工程专业旨在培养具有计算机网络基础知识和抽象思维能力以及计算机网络软硬件基本理论和技术,从事计算机网络信息安全应用、计算机网络管理和维护、网络系统设计开发和集成的高层次网络工程和应用专业技术和科研人才。

网络工程专业的毕业生应获得的知识和能力有以下几方面:

(1) 计算机网络原理、数据通信系统原理、计算机网络协议分析、网络信息安全、计算机网络管理、网络操作系统、网站建设及应用开发技术及其他相关的计算机科学与技术等方面的理论知识及应用能力。

(2) 扎实的计算机网络基础知识与网络管理及网络信息安全应用的专业理论知识与基本技能,以及计算机网络管理与网络信息安全应用的设计和开发的初步能力。

(3) 各种计算机网络、网络设备、Web应用、网络数据库系统的集成和开发以及相关的科研、设计、调试、维护运行和管理的初步能力。

(4) 掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法,具有一定的技术设计、归纳、整理、分析实验结果、撰写论文、参与学术交流的能力。

(5) 有较宽的知识面,具有较高的职业素质,包括严谨的科学作风、独立工作和自我知识更新的能力。

要根据网络工程专业的培养目标,培养出高水平的网络人才,必须构建一套完善的、高质量的实践教学体系,包括大型综合实验、课程设计、实习实训、毕业设计等实践教学环节。使学生掌握近代通信网络的基本理论及网络工程的实用技术,理解网络协议体系、网络互联技术、组网工程、网络性能评估、网络编程与管理等相关知识,能够从事网络编程、网络规划、组网设计、网络工程设计与建设、网络运行维护及管理、网络安全防护和性能分析等工作。

但是,长期以来由于各种主观和客观因素,网络工程专业理论与实践教学之间存在着许多问题,原有的计算机网络实践教学已不能满足计算机网络技术的发展需求。目前大多数院校网络工程专业的实验室建设普遍存在“缺少专用的网络实验室”、“网络实验所需的软件和硬件短缺”、“忽视与企业间的合作”等问题。

2网络工程专业实践教学体系的结构

2.1网络工程专业实践教学的特点

根据当今网络的应用发展和网络工程专业的特点,实践教学体系应有如下特点:

(1) 实验平台的复杂性。一个普通的网络实验至少要两台微机才能构建一个最简单的网络环境,而网络环境太简单又会使实验在数量和质量上受到限制。为了取得较好的效果,每组实验需要多台微机和相应网络硬件设备,同时组与组之间也可以构成更大的网络实验环境。

(2) 实践教学的独特性。网络实践教学中的绝大多数实验,例如“网络系统集成”、“网络的规划和管理”在两节课的时间内是无法完成的。并且有些实验与实验之间是紧密联系的,例如后面的实验是在前面实验的平台上实现。这给实践教学的实施提出了很大的难题。

(3) 实践教学中知识跨度大、实用性强。网络工程实验要结合“局域网原理”、“互联网技术”、“TCP/IP协议”、“协议分析”、“网络编程”等多门课程来开设实验,是对网络工程的实施过程进行模拟仿真,具有很强的实用性。

2.2重组教学体系

根据社会对网络工程人才需求的变化,以及网络工程专业的现状和发展,确定实践教学内容,以实践教学内容定位理论教学内容,对整个教学体系的教学内容进行合理取舍。例如:

(1) 合并、压缩或调整原有课程中陈旧和重复的内容。如压缩或调整网络原理中一些比较陈旧的知识,如令牌环网、令牌总线网、FDDI网络、CSMA/CD、X.25、帧中继等技术,从而加大实验学时,增加课程设计和实习环节。

(2) 根据网络应用发展的具体情况和人才需求变化,对一些学科理论有重大发展的基础课程的教学内容进行重组。例如调整组网技术在整体教学中的比例,增加网络组建、安装、测试及其工程实施的知识单元比重,增加组网、网络应用、网络管理、网络编程、网络攻防等工程应用类的课程。

(3) 适时地把一些反映当代计算机技术发展趋势的内容充实到课程教学中。例如增加P2P技术的应用。

实践教学体系是以培养学生的技术应用能力为主线,培养学生的知识、能力和素质结构。把网络工程实践教学作为一个体系纳入网络工程专业人才的培养方案之中,在人才质量观、现代工程教育观、终生教育思想的指导下,围绕专业培养目标的要求,对不同的实践教学环节进行系统的完善和实施,从纵、横两方面考虑,形成网络工程专业实践教学体系结构,如图1所示。

纵向摆脱实践教学对理论课程的依附,按照从简单到复杂、从低级到高级、从单一到综合,循序渐进地认识规律,整体设计其内容,相对独立地形成一个有梯度、有层次、有阶段性的实践教学体系;横向与理论课程相互支撑,有机结合。在各自波浪式前进的过程中不断出现结合点,以培养具有综合的思维能力和综合处理问题能力的复合型人才。

作为网络工程专业实践教学体系建设的支撑,主要包括实验教学平台、实训教学平台、实习基地等的建设。

3实践教学平台的构建

3.1网络实验平台的设计和搭建

网络实验平台的设计和搭建遵循系统性、先进性、实用性、开放性、发展性的原则。由于网络专业的实践教学课程较多,要组建能够适合多个课程的网络实验平台是一项复杂的工作。对实验平台的规划、设计、硬件建设、软件建设以及网络的使用、扩充等均要以系统的眼光来看待。先进性和实用性是指实验平台应尽可能地采用当今流行的先进技术,同时也要兼顾技术的成熟性和实用性。实验平台的规划、设计采用开放技术、开放结构和开放系统组件,有良好的兼容性,以利于在实践课程进行的过程中网络平台的维护和扩展,既能适合学生的公共实验课程,也能适合学生自主设计的实验。

基于以上原则以及实验室的具体实验设备,设计出总体的网络实验平台的拓扑结构如图2所示。串口控制服务器CCM(Configure Control Module)是每个实验组的控制中心,每个实验组配置一台CCM作为实验组的核心设备,通过CCM上的网络接口将所有的实验组互联到实验室中心交换机上。每个逻辑实验组分别完成不同类型的实验,也可以将多个逻辑实验组合并为一个物理组中,形成综合实验组。实验室管理系统(LinkManager Netcollege)具有可视化网络拓扑图和远程模拟串口登陆设备等功;可以多人共享同一台设备,以小组方式学习;同时教师还可以实时打断学生的操作,进行指导教学。实验室备有思科、华为和神州数码等多个厂家的高、中、低端设备,供学生完成实践教学的内容。

实验作为教学环节,除了应尽量再现网络环境的真实性外,还要使学生在一个可操作的环境下学习和训练相关技能,因此,除了硬件环境外,还在PC 机上安装了路由器模拟软件、交换机的模拟软件以及操作系统的模拟软件、网络协议的分析软件等,学生可以方便地利用这些软件进行各种类型的网络架构设计和测试。

3.2实训平台的设计和搭建

网络工程专业的实训主要包括:网络综合布线与测试、网络组建、网络应用编程、网络攻防等几个方面。其中,网络组建、网络应用编程实训环境均是根据每组学生的具体设计方案,提供相应的设备,由学生自主完成独立的环境搭建、调试和运行;而网络综合布线与测试、网络攻防的实训环境必须有相对固定的场地和模拟环境,否则,会对使用的网络构成不可预知的威胁。

网路综合布线实训室具备知识学习、技能训练和工程实践三部分的功能。知识学习部分利用教师通过对各种资料、图像、录像、样品等的讲解,整体呈现综合布线系统工程所涉及的各种知识和产品;技能训练部分主要通过训练装置锻炼学生对各种布线产品的基本安装和操作的基本技能;工程实践部分分为实际工程项目教学和模拟工程项目教学,相对于实际工程项目这种实习型的教学,模拟工程项目实践教学是在经过深化设计的模拟布线工程环境中,给学生提供布线工程涉及的各个子系统和路由的设计、管理、安装等全方位的训练,具体实训环境结构如图3所示。网络综合布线与测试实训环境集“教、学、做”为一体,是一个校内生产性实训基地,从演示实践教学、基本技能训练实践教学、工程项目实训实践教学三个层面为网络综合布线技术课程教学提供了整套实践教学解决方案,充分体现了技能教学的特点。

网络攻防的实训环境如图4所示,使用安全沙盒的模拟环境。安全沙盒是进行网络安全攻击和防御的模拟平台,使用虚拟技术以及简单的设备模拟复杂、繁多的计算机系统、网络环境。网络沙盒具有虚拟化技术、实验包技术、虚拟系统动态迁移技术。虚拟化技术是指在主操作系统上虚拟出不同的虚拟服务器,每个应用层的实验程序运行在独立的软件环境中,同时启动多项安全实验,最大限度发挥系统资源的使用率;实验包技术是指把一个攻防实验所需要的所有组件,包括运行环境、主服务程序、非公有工具、技术帮助文档等通过加密技术组成一个完整的实验包,可以方便地进行管理和加载;虚拟系统动态迁移技术是指攻防平台和课件平台分离,教师通过控制台可以为学生开启各种计算机及网络安全教学课程的实验环境,学生可以在实验环境中进行各种计算机及网络安全的攻防实验,独立隔离的网络环境不会对其他网络造成危害,并且可以最大限度地利用系统资源,提供尽可能多的服务。

3.3校企合作和实习基地

在重视校内实践教学的同时,加强校企合作和校外实习基地的建设也是网络工程专业实践教学的一个重要环节。校企合作是培养工程应用型人才,缩短教学与就业之间距离的一个重要渠道,在网络实验室的建设中,与多家网络厂商和企业合作,培养了一批双师型教师,使实验室具有了培养国家计算机网络管理员、计算机网络工程师、Cisco网络工程师、华为3COM网络工程师等的专业培训和考核能力。这样,不但便于教师根据网络应用的变化及时更新和完善教学体系,也有利于学生就业竞争力的提高。

网络实习教学是加强网络专业知识教育,增加学生对网络技术的感性认识、实践能力、创新能力的重要综合性训练环节。实习基地也是培养学生创新精神和实践能力的重要场所, 是学生了解社会和企业的桥梁。依托校园网,建立校内的网络控制中心实习基地和综合布线实习基地,在这两个实习基地中,学生能够完成真实的网络设计、组建和维护工作;其次,与有关企业联合,建立了二十多个校外实习基地,保证一定名额的轮岗实习和顶岗实习,充分保障了学生高质量的完成实习任务,使学生由“知识型”向“知识能力型”转变。