《交换与路由技术》课程案例式教学实践

李伟，石元泉，胡德斌，李圣春

（1.怀化学院 计算机科学与工程学院，湖南 怀化；2.湖南网安基地科技有限公司，湖南 长沙）

一 引言

案例式教学（Case Method）最早由美国的克里斯托弗·哥伦布·兰代尔（Christopher Columbus Langdell）于1870 年提出，最初是针对哈佛大学法学院学生的教学方法。他运用实用主义思想，通过精心设计的案例，引导学生运用自己思辨能力去理解所学知识如何适用于这些给定的案例[1]。我国于20 世纪80 年代开始引入案例式教学方法，初期多用于法学、医学、经济学和管理学等学科[2]，后来在其他学科内进行了推广，计算机类课程在教学改革过程中也广泛运用了案例式教学方式，并取得了较好的成效[3-5]。《交换与路由技术》是网络工程专业的核心课程，在教学过程中应用案例式教学方式能激发学生的学习兴趣，促进学生学习能力、分析能力、解决问题能力的培养。

二 课程特点

《交换与路由技术》是网络工程相关专业开设的实践型专业课程，讲授在计算机网络设计与部署过程中大量用到的交换机、路由器等设备的配置与优化方法。这门课是《计算机网络》课程的后继课程，通过实验案例来验证计算机网络课程中讲述的理论知识，从而使学生能够更加深刻地理解计算机网络的原理；这门课也是《网络工程与设计》课程的前续课程，熟练掌握网络设备的配置方法是学习网络工程方案设计的基础。

目前主流的网络设备厂商有思科、锐捷、华为、H3C 等，它们的配置指令集不尽相同，其中思科和锐捷的很相似，思科的网络设备在国外的市场占有率最高，近年来华为的网络设备在国内的市场占有率逐年提升。为了使学生熟悉主流网络设备的管理方法，本校《交换与路由技术》课程以华为和锐捷指令集设计实验，选择锐捷而不是思科的原因之一是锐捷设备的价格相对较低，其次是因为锐捷的设备可以配备实验室综合管理系统[6-7]（RG-LIMP），方便实训环境的管理；选择华为的原因是其在国内市场具有较高占有率。

模拟器能够对路由器、交换机、防火墙等设备进行软件仿真，完美呈现真实设备实景，让用户有机会在没有真实设备的情况下开展大型网络设计与管理。很多厂商开发了针对自己产品的模拟器，例如：思科的Packet Tracer，华为的eNSP，H3C 的HCL。本校的交换与路由课程在锐捷真实设备上开展验证性实验，在eNSP 模拟器上开展设计性实验。将真实工程中的项目需求转化为实践课程案例进行讲解与练习。

三 课程案例设计

交换与路由课程是怀化学院网络工程专业教学团队投入巨大精力建设的课程之一，邀请了湖南一树网络科技有限公司、湖南省网安基地科技有限公司的工程师参与设计实验案例。学校和企业的协同建设保证了实验案例实用性的同时遵循了“由易到难、循序渐进”的原则。根据交换与路由课程的体系结构，每个知识点都通过实验进行验证，并设计了3 个综合案例贯穿课程教学，分别是：交换网络案例，小型路由网络案例和无线网络案例，覆盖了交换、路由、无线网络和防火墙等知识点。

（一） 交换网络案例

该案例来源于小型局域网的设计需求，以交换技术为主。配置虚拟局域网（VLAN）、多生成树协议（MSTP）、虚拟路由冗余协议（VRRP）和链路聚合（Eth-Trunk），拓扑如图1 所示。

图1 交换网络案例拓扑

图中所有交换机上都配置VLAN；LSW3 和LSW4 上配置Eth-Trunk 提升链路的带宽，配置VRRP 实现虚拟网关及备份；LSW1-LSW4 上配置MSTP 消除交换环路，并且实现负载均衡及备份。通过这个实验，学生可以体验到局域网管理的灵活性，理解交换网络转发数据包的原理，明白冗余链路及生成树协议的作用，掌握为提高网络可靠性而引入的MSTP、VRRP 等功能的配置方法。

（二） 小型路由网络案例

路由器是大中型网络中必不可少的设备，该案例为学生提供路由协议配置、路由器管理的环境。主要配置静态路由，内部网关协议OSPF、RIP 以及它们之间的路由重发布，拓扑如图2 所示。

图2 小型路由网络案例拓扑

在这个案例中每个路由器都配置环回接口模拟接入网络，AR3、AR5 和AR7 可以完成直连路由、静态路由和浮动静态路由，也可以与其他路由器配置成OSPF 多区域。AR4 上配置两种路由协议，双向进行汇总和重发布。AR1 与AR2 上添加2 端口同异步WAN 接口卡（2SA）模拟广域网链路，在上面封装PPP 协议并进行chap 和pap 验证。通过这个实验，学生可以理解路由器转发数据包的原理，掌握配置并优化路由协议的方法，能够根据数据流分析、定位并解决网络故障。

（三） 无线网络案例

该案例包含了旁挂式无线网络部署、网络地址转换和防火墙策略管理。使用版本号1.3.00.100 及以上的eNSP 模拟器能够以WEB 方式管理无线设备和防火墙，操作更加直观。拓扑如图3 所示。

图3 无线网络案例拓扑

在这个案例中，LSW1 是核心交换机，以旁挂的方式接入控制器（AC），以三层组网方式管理无线接入点（AP），连接终端STA1 和Cellphone1 转发无线业务数据流。AR1 是出口路由器，配合防火墙FW1 完成内部网络的地址转换与内部服务器Server1的对外发布。通过这个实验，学生可以了解无线网络的配置流程、各种配置模板及其引用关系，掌握常见的NAT 转换方式，熟悉防火墙的安全防护区域、策略的配置方法，能够丰富网络接入方式并配置一定的策略来提升网络安全性。

四 课程思政在教学中的融合

在本门课程的授课过程中，充分结合技术与案例，发挥课程的德育功能，提炼课程中蕴含的文化基因和价值范式，将其转化为社会主义核心价值观具体化、生动化的有效教学载体，在“润物细无声”的知识学习中融入思想信念层面的精神指引。

相比传统的教师逐一点名方式, 采取超星平台限时签到测试形式能让学生在规定时间内全部动起来，汇报自己按时上课、提前预习的状态。这种签到方式不仅能促使学生尽早进入课堂状态，做好上课前的各项准备，又可以训练学生养成良好的学习习惯，培养学生严谨、细致的工作作风和认真的工作态度。网签模式让学生体验新事物、置身新事件，发现和认识新知识、新思想、新方法，做好智能导向渗透。

本门课程的主要内容与网络设备管理密切相关，通过华为设备在国内外市场占有率不断提升的现状，让学生了解目前我国在科技创新方面的举措，鼓励同学们为“中国梦”而认真学习，端正学习态度，树立远大理想，激发学生的民族自豪感和爱国热情；从中美贸易战出发，教育同学们认真学习网络知识，奋发图强，考取华为专业技能认证，为祖国的腾飞而努力。

通过对比思科与华为和锐捷设备的优缺点，了解国情与网络硬件设备企业的相关情况，了解芯片垄断、华为被排挤等事件背后的原因。教育学生一定要正确认识自己，明白自身的优缺点，学会取人之长，补己之短的道理。树立爱国情、报国志，引发学生对未来的职业愿景，激发学生对社会主义核心价值观的认同感。

在讲解网络安全设备的操作管理时，通过“斯诺登事件”使学生认清网络安全是一场没有硝烟的战争，不仅个人要防范，企业也要防范，国家更要防范，“网络空间的竞争，归根结底是人才竞争”[9]。告诫学生要树立正确的技能观，努力提高自己的职业技能，为社会和人民造福，绝不能利用自己的技能去做违法犯罪之事；培养学生的工匠精神，注重职业道德，在潜移默化中提高综合职业素养，树立社会主义职业精神。使学生明确：职业素养是一个职业人的立身之本。在学生时代，就应该不断提升个人修养和思想道德水平，着力培养良好的职业素养。

五 课程考核

《交换与路由技术》是实践性非常强的课程，不适合采用传统的纸质试卷考查方式进行考核，为了能够客观公正地衡量学生的实践动手能力，将案例的完成情况作为考核的一部分，学生需要在规定的时间内完成指定的内容。这种方式会带来一个问题：教师逐个验收学生的结果会需要很长时间，为缩短时间，作者开发了基于网络设备配置指令集的自动阅卷系统[8]，能够对华为设备指令集自动评分，应用在该课程考核与阅卷过程中，提高了效率。本门课程期末考核占比为平时成绩占40%，期末占60%。平时成绩由出勤、课堂表现、实验及作业组成，各占10%。期末成绩中案例考核占50%，命题互评占10%。命题互评环节是学生以小组为单位出一道案例题，供其他小组选择并解题，解出其他小组的题目加分，被解出扣分。这种考核方式具有一定的趣味性，可以促使学生转换为老师的角色去考虑案例的设计，能促进学生更深层次掌握知识和技巧。采用分组方式可以锻炼学生的团队合作、协调管理能力。

六 改革效果

本校网络工程专业引导学生考取网络工程师证书，网络工程师考试属于全国计算机技术与软件专业技术资格考试中的一个中级考试，它的考试大纲中的内容覆盖了交换与路由课程中的很多知识点，学习完交换路由课程后有助于备考网络工程师考试。自2016 级学生以来获得证书的学生数量逐年提升，参加考试的学生也越来越多，2019 级和2020 级学生报名参加考试的比例分别达到93%和98%。除了网络工程师考试，学生还参加ZStack、深信服、华为的技能认证，网络工程专业2017 级毕业生54 人，共获得55 张专业认证证书。学科竞赛方面，与本课程相关的比赛有两个，2021 年学生参加华为ICT 大赛获三等奖，2018 年中国高校计算机大赛网络技术挑战赛获二等奖。2019 年作者将教学中实际案例整理并出版了《计算机网络设备实践教程》，这些成绩反映出学生对交换与路由这门课程的掌握程度是符合课程预期的。

七 结语

将网络工程中的真实案例引入《交换与路由技术》课程中能够提升学生的兴趣，锻炼学生分析、解决问题的能力。在多年的教学实践和企业工程师的帮助下，课程中设计的案例不断地在更新和优化，需求不断地被细化，学生实践动手能力具有明显提升。今后的改进将集中在跟踪最新ICT 技术，提升项目时效性，引导学生考取高级技能证书。