基于CDIO的计算机网络专业实验教学改革方案

覃德泽

(贺州学院 计算机科学与工程系,广西 贺州 542800)

基于CDIO的计算机网络专业实验教学改革方案

覃德泽

(贺州学院 计算机科学与工程系,广西 贺州 542800)

深入分析CDIO的内涵,指出计算机网络专业实验教学中存在的问题,用CDIO工程教育思想指导计算机网络专业实验教学改革,提出技能型、应用型实验教学改革方案;一年多教学实践证明,该改革方案行之有效,对培养工程性技术人才意义重大。

CDIO;网络专业;实验教学;改革方案

1 引 言

进入21世纪以来,校园网、企业网和Internet蓬勃发展,社会对计算机网络人才的需求越来越大。为满足社会需要,各高校的计算机学院(系)纷纷建立计算机网络专业。由于计算机网络专业的大部分课程实践环节多,有的还具有工程类课程的特点,因此,实验教学是该专业的重要教学内容,是培养技能型、应用型网络技术人才的关键。网络专业实验教学的主要任务应该从应用和实践的角度出发,强化学生在动手能力方面的培养。为了培养创新性、工程性技术人才,必须改革传统的实验教学模式,用当今国际高等工程教育思想 ——CDIO工程教育思想指导实验教学,科学设计实验内容,改革实验方法或实验手段。

2 CDIO的内涵

CDIO是什么?是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的缩略语,代表当今国际高等工程教育的一种创新模式,是由麻省理工学院(MIT)和瑞典皇家工学院等四所大学共同倡导,集多国工程教育精英耗资数百万美元所建立的一整套工程教育理念和实施体系。该模式以构思、设计、实施及运作全过程为载体来培养学生的工程能力。这个“能力”具有创新意义,包含一个“知识”和三个“能力”,即个人的学术知识和学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力[1]147-148。因此,这种模式更注重扎实的工程基础理论和专业知识的培养,并通过贯穿于整个人才培养过程团队设计和创新实践环节的训练,培养既有过硬的专业技能,又有良好的职业道德的国际化工程师[2]9377-9380。该模式的实施,能较好地改变当前工程教育中普遍存在的重理论轻实践的现状,对培养工程性技术人才意义重大。

3 CDIO对实验教学的要求

CDIO国际高等工程教育模式注重实践能力培养,提出的12条标准中,标准5和标准6给实验教学指出了具体的方向,对实验教学改革具有重要指导作用,具体内容如下[3]60-62。

3.1标准5指出了“设计 —实现”中对实践环节的要求。第一,培养计划是否包含至少两个设计 —实现经历(其中一个为基本水平,一个为高级水平);第二,在课内外活动中学生有多少机会参与产品、过程和系统的构思、设计、实施和运行。

3.2标准6指出了对工程实践场所的要求。第一,实践场所和其他学习环境怎样支持学生动手和直接经验的学习;第二,学生有多大机会在现代工程软件和实验室内拓展其从事产品、过程和系统建构的知识、能力;第三,实践场所是否以学生为中心,方便、易进入并易于交流。

标准5和标准6建立了一种新的实验教学理念,按照这种理念去实施实验教学,可以达到如下效果[4]173-174:第一,大部分学生能够系统地获得实验的基础知识、基本方法和基本技能,优秀学生可以脱颖而出,充分发挥他们的个性和特长;第二,能根据学生个性、特长组织实验教学,激发他们对实验的兴趣,使学生的个性和潜力得到充分发挥,学生的综合能力和创新能力得到极大提高。

根据上述对实验教学要求,实验教学要以学生为主体,充分发挥学生学习的积极性、主动性和创新性。要多安排一些设计性和综合性实验,努力提高学生综合技能和创新思维能力;要创造机会让学生多参与项目研发,亲身感受产品从构思到运作的整个过程;要加强实验室建设与管理,努力创造条件让学生获得更多更好实验机会。

4 计算机网络专业实验教学中存在的问题

根据CDIO工程教育模式对实验教学要求,剖析我院计算机网络专业实验教学现状,笔者认为主要存在如下几方面问题。

4.1实验设备不完整、实验室不健全。我院计算机科学与工程系现有网络技术实验室3个,它们是《计算机网络基础实验室》、《思科网络实验室》和《网络信息安全实验室》。其中,前两个实验室实验设备不足或不完整。《计算机网络基础实验室》拥有20台微机和2台交换机,只能做诸如对等网、Windows 2003 server、WEB、FTP、DHCP 等基本的组网实验;因微机和交换机数量不足,只能做大组实验(通常6人一组,每组2台电脑),不能做小组实验,学生动手机会少。《思科网络实验室》拥有10组设备,每组设备包括微机6台(其中一台为服务器)、交换机2台(分别为二、三层交换机)和路由器1台,每台微机都安装有用于完成各个实验的思科路由器交换机模拟软件(Cisco packet tracer)。由于路由器中没有WAN串口,也没有DTE DCE线缆,无法用现有设备进行稍复杂一点的综合性、设计性实验,实验基本是用模拟软件完成。

缺少的网络技术实验室是《网络布线实验室》。由于没有此实验室,有关网络布线的工程性实验无法进行。

4.2实验内容基本是以验证性实验为主,设计性、综合性和项目研发性实验偏少。

4.3实验系统及相关软件基本由教师事先安装、调试好,学生缺乏设计、安装和调试实验环境的机会。

4.4实验室没有自由开放,有限课堂实验时间限制了学生只能完成一些简单的实验,不能完成需要较长时间的、较复杂的大型实验,如一些难度较大的设计性、综合性和项目研发性实验。

4.5教材中典型的大、中型网络案例少,教师的实践经验少。很多计算机网络教材缺乏大、中型网络组建、管理的典型案例,加之不少教师没有参与设计、管理大、中型网络的经验,教学中无法培养学生对大、中型网络形态和网络设备的感性认识,学生毕业后较难适应大、中型网络的建设与管理。

4.6教学手段落后,教学方法需要改进。缺乏配套实验教学演示系统,并且大部分实验室没有投影仪,不能进行实验模拟演示,教学效率不高,教学效果不显著;教学上基本是学生按照现成实验方案,按照既定实验步骤机械地操作,很少使用项目驱动法去训练学生的团队精神、创新思维和系统设计、系统集成等能力。

4.7与附近中、小企业的计算机网络中心或学校的校园网管理中心联系不够,学生缺乏参与实际网络工程的设计、施工、调试等过程,缺乏实际网络管理与维护的经历。

4.8实习内容与专业知识脱钩。由于很难找到能让学生进行计算机网络实习的场所,实习内容往往与所学专业知识、技能脱钩。

4.9由于缺乏计算机网络实训场所,缺乏计算机网络项目的研发场所,学生毕业设计基本是以毕业论文为主,没法进行实际项目的毕业设计,毕业论文的有关内容也无法进行实际场景的模拟验证。

5 计算机网络专业实验教学改革方案

针对以上问题,以CDIO工程教育思想为指导,提出我院计算机网络专业实验教学改革方案如下。

5.1构建立体化实践教学体系

根据CDIO对实验教学的要求,结合计算机网络专业实践环节多的特点,在制订课时计划时,应该充分考虑实验课时。有些课程的实验课时应该占该门课总课时的50%,如《计算机网络管理》、《计算机网络安全》、《计算机网络工程》、《ASP.net程序设计》、《JAVA》等;有些课程的实验课时应该占该门课总课时的三分之一,如《计算机网络技术》、《TCP/IP协议分析》等。根据计算机网络专业工程性强的特点,为了培养学生独自的动手能力、团队的协作能力,必须构建立体实践教学体系,其内容如下[5]57-60。

5.1.1课堂实验与课外实训相结合。在对实验课时进行规划时,可用实验总课时的80%用于课堂实验,20%用于课外实训。课外实训是课堂实验的必要补充,是扩展视野,提高实践能力,解决实际问题能力的有效途径。课外实训的形式可以多样化,如组织学生参观校园网、企业或政府网络,了解这些实际网络的拓扑结构、布线方案,认识网络设备并掌握其功能;也可安排学生到附近电脑公司以义务实习形式,参加实际网络工程项目规划与建设,培养学生个人的实际操作技能、团队协作能力和系统集成能力。

5.1.2实习内容与毕业设计相结合。要有意识地将未来毕业设计选题方向与实习内容挂钩,或者确定好毕业设计选题方向后再去寻找合适的实习场所,在实习过程中有意识地完成或部分完成毕业设计要求的项目设计、实施、测试等工作。只有这样,才能达到既使学生实习目的明确,增加实习主动性和积极性,又使学生能顺利完成项目研发类毕业设计的目的。

5.1.3验证性实验与综合性实验相结合,综合性实验与设计性实验相结合。验证性实验是指验证一些已知理论、结论的实验。综合性实验是指需要若干单元知识或具备若干单个操作技能才能完成的实验。因此,验证性实验是综合性实验的基础。学生做验证性实验时,必须让学生明白其在未来综合性实验中的基础和地位,在设计综合性实验时,必须考虑学生已有的基础知识和基本技能。设计性实验要求学生根据基本的要求和应该达到的目标,学生自行设计实验方案进行的实验。因此,要求学生除了具有一定基础理论和知识、基本操作技能外,还必须具有综合分析问题、解决问题的能力。所以,做好综合性实验是做好设计性实验的基础。学生做设计性实验时,必须引导学生运用哪些分析方法,综合哪些知识、技能才能完成实验。同时,还应该引导学生在哪些方面应该具有自己的创新点,以培养学生的创新思维和创新能力。

5.2构建立体化网络实验平台

针对我院计算机网络专业实验设备不完整、实验室不健全的现状,根据CDIO对实验教学的要求,考虑到实验、实习、项目研发等多方面的需要,能够满足基本操作技能训练、综合性训练、验证性实验和设计性实验的要求,并结合应用型本科计算机网络专业学生的基础和特点,提出我院计算机网络实验平台改革方案如下。

5.2.1完善《计算机网络基础实验室》设备。按照每个实验小组配备3台电脑(其中一台为服务器)、1台交换机,每组3人,一次能安排整班(60人计)实验的要求计算,《计算机网络基础实验室》还需要补充电脑40台,交换机18台。完善设备后的《计算机网络基础实验室》可让每个学生有充分的动手机会,能够完成基本的网络组建、简单的网络测试和维护实验。

5.2.2完善《思科网络实验室》设备。该实验室中的路由器由于缺少WAN串口模块和DTE DCE线缆,无法进行较复杂的综合性、设计性实验。按照现有10组设备,每组设备已配备一台路由器,每台路由器需要补充1个WAN串口模块和每两台路由器需要补充1对DTE DCE线缆计算,《思科网络实验室》共需要补充 10个 WAN串口模块和 5对DTE DCE线缆。

5.2.3建立《网络布线实验室》。对尚缺的《网络布线实验室》在中央财政专项资金的支持下,可在2012年建成并投入使用。

这样,经过完善和新建,未来两年我院计算机网络专业即可构建起立体化网络实验平台,该实验平台覆盖了局域网、城域网、广域网、因特网、无线网、网络安全、网络管理和网络应用等网络核心技术,包含了《计算机网络基础》、《计算机网络工程》、《无线网络通信技术》、《网络信息安全技术》、《高级网络编程技术》等多门相关网络课程,因此,能够满足我院计算机网络专业实验教学的要求,能够完成网络课程实验、网络工程实验和网络课程设计等类型的实验、实训。

5.3构建符合CDIO工程教育思想的实验成绩评测标准

CDIO教育理念的实施,对学生学习的评估应不同于传统的方法[6]94-97。计算机网络专业作为实践性很强的工程学科,课程学习成绩的考评应该侧重于能力的考评。对实践性较强的课程,例如《计算机网络安全》、《计算机网络工程》、《ASP.net程序设计》、《JAVA》等,课程总成绩可以是:20%理论 +80%实验;其它课程总成绩评定也可根据课程本身特点确定理论和实验所占的比例。因此,对实践能力的考核是评定计算机网络专业课程成绩的关键。要科学、合理地评定实验成绩,必须以CDIO工程教育思想为指导,根据各门课程的特点,突出能力培养目标,制订可行的实验成绩评测标准。例如,计算机网络专业实践能力考核可以采用如下的评定标准[7]251-254。

5.3.1实验总成绩 =50%基础实验成绩+30%综合实验成绩+20%研究探索型实验成绩。

5.3.2基础实验的考核。基础实验包括验证性实验和基本技能操作实验。重点在于平时表现,主要包括实验前准备、实验态度、实验操作、实验结果和实验报告等方面。

5.3.3综合实验的考核。综合实验总成绩 =50%平时成绩 +50%期末成绩。平时主要包括实验前准备,实验方案的设计,实验中操作技能的熟练程度,综合分析问题、解决问题的能力等;期末考试时,出23个综合实验题目,分组或单独并要求在规定时间内完成。

5.3.4研究探索型实验。研究探索型实验主要指设计性实验或项目研发型实验。研究探索型实验总成绩 =50%平时成绩+50%期末成绩。期末考试时,出12个设计性实验或项目研发型实验,分组或单独并要求在规定时间内完成。研究探索型实验主要考核学生的动手能力、设计能力、创新能力和团队合作能力,再结合实现预期目标程度以及答辩情况来综合评定成绩。

5.4提高教师工程实践能力

计算机网络专业是实践性很强专业,要胜任该专业教学,不仅要求教师具有扎实专业理论知识,还必须具有较强工程实践能力。据了解,目前高校中相当一部分计算机网络专业教师只具备前者,不具备后者。因此,必须采取各种形式提升教师工程实践能力。例如,定期派遣教师外出参加计算机网络专业技能培训班,多让教师参加网络工程研讨会;多让教师参与工程项目实践,如参与校园网的设计、施工、运行管理与维护,对外承揽一些计算机网络工程项目等。

6 结 语

实验课程改革必须符合CDIO工程教育思想,必须符合CDIO对实验教学要求,通过构建立体化实践教学体系,构建立体化网络实验平台,构建符合CDIO工程教育思想的实验成绩评测标准和提升教师工程实践能力四个环节改革,通过对我院08级计算机本科专业学生一年多教学实践证明,该改革方案行之有效,对培养工程性技术人才意义重大。但是,改革是一个永恒的课题,改革方案还需要在实践中进一步检验,并不断更新与完善。

[1]郑毅敏,王春秀.工科实验室建设的思考[J].实验技术与管理,2008(1).

[2]丁宋涛,徐金宝,刘晓璐,屠立忠.基于CDIO的《操作系统原理》应用型本科教学改革初探[J].电脑知识与技术,2010(33).

[3]于学斗.以CDIO为指导进行网络安全实验教学改革 [J].2001(5).

[4]郭娟娟.转变实验教学模式培养学生创新素质理论探讨,2009(7).

[5]沈奇,张燕,田祥宏.借鉴CDIO理念构建实践教学体系[J].计算机教育,2010(17).

[6]林英,李彤.信息安全专业“应用安全方向”CDIO实践探索[J].计算机教育,2010(11).

[7]吴宝华,张艳,车成彬,杨秀春,颜碗茹.基于CDIO工程教育模式的高校化学实验教学改革的探索[J].黑龙江科技信息,2010(35).

The Reform Proposals in the Experimental Teaching of Computer Network Based on CDIO

QIN De-ze
(Computer Science and Engineering Hezhou University,Hezhou Guangxi 542800)

This paper analyzes the meaning of CDIO profoundly,which points out the problems in experimental teaching of computer network,and guides the reform in the experimental teaching of computer network with CDIO engineering educational thought.It brings forward a new applied and skilled reform plan.Over one year teaching practice proved that this reform plan is feasible which means a great deal to cultivating engineered technical talented.

CDIO;networking professional;experiment teaching;reform plan

TP3

A

1673-8861(2011)02-0110-04

2011-04-13

覃德泽(1962-),男,广西藤县人,贺州学院副教授。主要研究方向:领域为计算机网络安全、计算机网络安全风险评估。