基于复杂工程问题的网络专业综合性实验项目建设

张 进，杨 宁，方 曼，虞红芳，陈伟建，陈 苹

（电子科技大学a.英才实验学院；b.信息与通信工程学院；c.教务处，成都611731）

0 引 言

提高人才培养质量是高等教育的永恒主题。随着信息化时代的到来，在工程教育认证的深入探讨与推进、新工科建设的提出等背景下，各高校在本科工程教育上开展了很多有益的改革实践。大家一致形成的核心理念是本科工程教育要转变模式以学生为中心，以产出为导向，以能力培养为目标［1-4］，基本定位是培养学生解决复杂工程问题的能力。

具体落实到教学实施上，课程教学是关键环节。课程教学内容的精心设计与实施是体现复杂工程问题能力培养最重要的部分。特别是实验课程，一个好的实验项目可以很好地锻炼学生综合应用所学专业知识，培养系统性集成的能力。本文将详细介绍网络工程专业中，基于复杂工程问题的综合课程设计，其实验项目设计，以及实验开展的具体做法和教学效果。

1 复杂工程问题的理解

什么是复杂工程问题？工程教育认证标准用如下7个特征进行了刻画。①必须运用深入的工程原理经过分析才可能解决；② 需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突；③ 需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④ 不是仅靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业标准和规范中；⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦ 具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题［5-6］。

其中第1条是必备的，它指出了复杂工程问题的本质；第2到第7条是可选的，它们可以看作是复杂工程问题的表象［1-2］。

《标准》的12条毕业要求中“复杂工程问题”出现了9次，要将毕业要求的达成细化分解到课程的相应教学活动中，其透出来的要求与“解决复杂工程问题能力”的要求是一致的［2］。

综合课程设计开设在网络工程专业的第6学期，是专业的综合性实验课程［7］，目标要求学生以团队方式完成课题，进行工程设计、研究、开发、集成等能力的基础训练，培养学生掌握网络工程规划、设计与实施能力［8］，培养学生理论与实践相结合的动手能力、团队协作能力和沟通交流能力［9］。

本文将以实验课程中的“大型园区交换网专题设计”实验项目为例，详细介绍教学内容设计与实施如何培养学生解决复杂工程问题的能力。

2 以复杂工程问题的视角设计实验项目的教学内容

基于对复杂工程问题的理解，课程在设计实验项目上要综合考虑，很好地符合“复杂工程问题”的特征［10］。“大型园区交换网专题设计”实验项目很好地匹配了复杂工程问题的特征①、②、⑥、⑦。

（1）实验项目符合必备特征①需要运用深入的工程原理经过分析来解决。学生需要综合应用网络专业知识和工程知识来分析和解决问题，不是单纯的一、两种网络技术知识，而是要掌握组网工程设计以及网络接入控制系统设计的技术原理和工程要素。而且项目设计没有统一的标准答案，每个项目小组可以采用不同的技术手段实施不同的设计方案来达成项目目的。

实验项目要求8～10人1组，根据专题设计背景进行项目需求和技术原理分析，设计实验网络拓扑、实验网络的VLAN/IP编址、专题设计需求的验证方案和实验操作步骤；并依据设计内容，综合运用OSPF路由和链路冗余技术，使用实验室网络实验设备配置构建一个冗余架构的大型园区交换网络，并用隧道和双协议栈技术实现IPv4园区网内部分IPv6网络之间的资源互访以及部分IPv4主机对IPv6资源的访问。

这个实验项目首先需要学生深入分析园区网络拓扑、VLAN/IP子网、OSPF路由、双出口接入因特网、网络安全、IPv4/v6双协议栈和隧道技术等工程技术原理，对项目任务进行需求分析，确定设计目标。

然后根据项目的实施环境约束（实验室网络设备的功能、型号和数量、实验室计算机的软硬件配置、实验室的网络布线系统等）和项目需求约束（网络安全访问、支持的用户规模、通信的可靠性等），充分考虑网络工程建设的需求（项目需求）、造价（拓扑连接和地址规划成本）和工期（课程学时）要素，设计并优化项目的设计方案、实施方案和验证方案。

确定方案后，使用相应的网络设备、线缆和软件系统，实现项目设计、实施和验证方案；观察、记录、分析项目实现过程中的各种实验数据（网络设备或软件的配置数据、运行数据、调测数据等）；通过运行和调测数据进行故障排除；检验实现结果是否达到设计目标、满足项目需求。

（2）实验项目符合选择特征②和⑥需求涉及多方面因素且要平衡多方利益。复杂工程问题不是复杂技术问题，需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。而且问题相关各方利益不完全一致，需要有所平衡［6］。

实验项目的具体组网设计需求在实验指导书中确定规定，摘要如下：

某企业集团为了加快信息化建设，将构建一个大型园区网络，作为支持该集团办公自动化、供应链管理以及应用系统运行的基础设施。为了确保整个信息系统的正常运行、安全和发展，该园区网络的具体组网需求分为5个部分。① 网络拓扑需求：采用“核心-接入”二层设计结构，将分设在A、C和D楼中的主干网3台核心三层交换设备连接成环形，建成高速、稳定、可靠、安全的交换式网络。②VLAN和IP编址需求：为实现企业所有部门内部办公自动化，提高工作效率和管理服务水平，采用VLAN进行部门间的隔离，并使用VLAN间路由解决部门之间的通信［11］；园区网内部采用A类私有IP地址进行IP子网划分，然后通过NAT技术访问Internet。③ 路由需求：为了降低网络的运维管理成本，整个园区网采用多区域的OSPF路由选择协议，并实现OSPF区域间路由聚合。④ 安全需求：出于企业的商务安全需求，需要对访问企业Web服务器、访问Internet等部分通信流量进行限制。⑤接入互联网需求：为了保证网络出口稳定可靠，企业分别向ISP-A和ISP-B申请了两条Internet线路，要求在这两条线路上实现基于策略的负载均衡和冗余备份［12］。

从以上设计需求中可以看到，这个实验项目需要综合运用多种网络技术：VLAN及VLAN间通信技术、OSPF的区域与路由聚合技术、IPv6编址、隧道和双协议栈技术、访问控制列表（ACL）技术、策略路由技术、网络地址转换（NAT）技术；同时还要在特殊的实验室环境中进行验证，即使用固定分布在不同实验台机柜中的多个网络设备供应商（华为、锐捷、思科）的不同类型、不同型号的网络设备（二层交换机、三层交换机、路由器等）。因此，在方案设计中要综合考虑技术、工程、经济、环境等多方面的因素，认识、理解实验网络与实际网络之间的差异［13］，以及不同网络设备厂商的设备配置和运行差异。例如：① 在拓扑设计时，要考虑实验室网络布线环境对项目实验网络拓扑结构的约束，基于实际网络布线工程中的楼宇间布线原则，以尽量少的网络布线成本（线缆数量、线缆长度）设计机柜间的设备连接拓扑。②在IP网络规划时，要综合考虑实验室设备数量及其位置分布情况与项目中的信息点分布需求，以尽量少的地址消耗代价和实验设备数量进行IP聚合编址设计。

这个项目让学生在网络系统的构建设计中，有体现知识、技术、方法等的综合应用［6］。同时与工程实际吻合，除了技术问题，还要考虑安全问题，综合用户便捷使用、全面覆盖以及经济、环境等多方利益，追求一定目标下的平衡。另外分组方式开展实验，学生在小组工作方式下学习协作、沟通、表达、组织［14］。

（3）符合选择特征⑦包含多个相互关联的子问题。网络工程本身包含了众多相互关联的子系统：网络及通信子系统、服务器及存储子系统、软件子系统、环境支撑子系统；每个子系统又包含众多相互关联的子问题。

实验项目主要针对其中的网络及通信子系统，涉及网络拓扑问题、VLAN/IP编址问题、路由问题、网络安全问题、双出口接入互联网问题、IPv4/v6共存环境下的通信问题等。所有这些子问题均相互关联，需要综合运用有效的技术手段来实现满足项目设计需求的网络系统。例如：项目的安全需求中要求“安全部和财务部不能访问Internet”，这一需求可以有两种实施方案：①仅考虑单一的安全问题——在某些路由器上使用ACL技术过滤掉这两个部门发往Internet的IP分组，或者是Internet发往这两个部门的IP分组。②关联安全问题与接入互联网问题——在接入互联网的路由器上配置NAT可转换的内网地址池不包括这两个部门。如果采用方案②，在配置NAT可转换的内网地址池时，还需要关联考虑接入互联网的双出口负载均衡和冗余备份问题：是用NAT技术、还是用策略路由技术实现双出口负载均衡和冗余备份［15］？

实验项目允许每个小组自行选择适当的技术进行设计与实现，但是要求学生在设计方案讨论环节中能够对不同的技术方案进行一定程度的评价（小组互评）。

3 以解决复杂工程问题为目的的教学实施效果

从前面介绍的实验项目内容中，不难看出学生完成复杂工程问题项目的难度和挑战，课题都是综合性的，难度比较大。课程科学安排教学环节，配备有经验的助教，在关键节点上给予指导；教师和助教观察学生做实验的过程，听他们自己讲设计，讲实验步骤，讲实验过程，对大的方向进行纠正，细节不做过多地评判让他们自己去体验；创造良好的讨论氛围，采用合理的考核评价，这些都是积极推动学生能力培养的有效举措。

课程分为方案设计、方案实现、课程设计报告以及技能评估4个环节，有划分很细的评分细则。既有方案的主观评价、也有细分的功能性指标评价；既有老师的评价、助教的评价、也有学生的小组互评，组内成员的贡献度评价，并在不同的环节组合不同的评价方式；既有形成性评价、又有结果性评价［16］，项目方案的实现效果最终要以拍摄一个视频展示出来，非常直观。项目需求分析和方案设计阶段，要组织每组进行汇报答辩，用小组互评的方式给出建议，考虑不周全的部分老师和助教会及时提醒，这样小组可以及时调整。

有的项目小组可以分工合作，充分发挥每个成员的优势，体现集体的智慧，最后的方案设计和实现常常让老师都大为赞赏。这极大地鼓舞了学生的自信心，他们在展示自己作品的时候由衷地感到自豪，部分优秀的学生甚至在自己上这门课程的时候就下定决心第二年要担任课程助教，用自己的经验去指导和影响下一个年级的学弟学妹们。图1是一个项目小组的网络方案设计原理图。

图1 某学生项目小组的网络方案设计原理图

实验项目使用主流厂商的网络设备进行方案实施，很多相关网络设备的配置、软件的安装调试、各种网络技术原理都需要学生去自学完成。雷子昂同学在谈到课程感受时说：“虽然在Packet Tracer模拟器上实现的功能能够正常运行，但是真实的网络设备还是和模拟器有很大区别，我们花了很多时间在研究和测试不同设备的命令使用方法上。实验过程中出现了一些没有预料的问题，这个时候需要我们上网查找资料、主动学习知识，从而锻炼了我们自主学习和适应变化的能力。”刘阳同学说：“这次实验锻炼了我们的实践能力，并且在整个实验过程中，我们认识到了一个团队的重要性。每个人都有自己的任务，同时与其他队员密切交流，才能保证整个团队任务的高效完成。”

4 结 语

网络专业综合性实验项目的建设一直走在教学改革的前沿，成为网络工程专业提升实践能力最为重要的课程之一。经过10多年的建设，实验室环境也在不断完善和优化。近几年对于支撑“复杂工程问题能力培养”，符合工程教育改革理念，老师们下足了功夫。学生普遍反映这门实验课程收获很大，实验项目任务量大、涉及面广、持续时间长，可以极大提高学生的动手实战能力。