基于多融合教学模式的网络工程教学与实验仿真

陈瑞志 李昌庆 欧阳斌

摘要：利用思科网络仿真软件作为网络工程等课程的实验教学平台，进行线上线下混合、课程思政与专业知识结合、网络设备与仿真软件平台虚实结合的教学模式。在网络工程教学与实验仿真应用，网络虚拟仿真教学与实验融合体系的建设等方面进行教学实践，以培养学生的网络技术应用能力、工程设计能力、创新思维及能力。

关键词：线上线下混合；设备虚实结合；课程思政；网络仿真

中图分类号： TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0074-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

网络工程的实验实训，对网络工程技术人才的培养非常重要。在网络工程课程教学及实验过程中，条件比较充足时，可以利用实物，比如路由器、交换器和无线通信设备等，来完成实验实训。但是网络设备种类型号多样，实验设备不足是常态，这时利用网络仿真软件来进行实验实训，起到了非常重要的作用，弥补了实验设备不足。这样的软件有：Cisco Packet Tracer（简称PT） 、Graphical Network Simulator-3（简称GNS3） 、华为Enterprise Network SimulationPlatform（简称eNSP） 、Network Simulator Version2（简称NS2） 、NS3、Optimized Network（简称OPNET）等，这些仿真软件来源于思科、华为等国内外知名企业，兼顾网络协议预研、工程项目仿真、人才实训培养等多方面目标。

思科公司的网络模拟器PT，是针对CCNA认证开发的一款网络模拟辅助学习工具，为网络学习者提供了网络设计、配置、网络协议分析和网络故障排除的学习平台[1]。该软件安装方便，运行时系统消耗小；能模拟大多数的网络命令操作，可以利用它完成大多数网络基本实验，比如交换机和路由器的基本配置、三层交换、路由（rip、OSPF、Eigrp） 、DHCP及DHCP中继、NAT、ACL、带宽接入DSL、帧中继等[2]，PT还能完成网络安全认证等实验，文献[3]利用PT软件仿真拨号认证、PPPOE入网访问控制、PPPOE+RADIUS+AAA实现服务器集中审计认证用户入网访问、包过滤防火墙、ACL+NAT内外网络不同安全策略、VPN等网络安全实验，取得不错效果。近年来，PT向物联网仿真发展改进，文献[4]利用PT建立智能养殖场网络系统模型； 运用多种传感器、物联网服务器、无线网关和微处理器等组成智能养殖场网络系统，便捷地监视和控制电子设备，实现和测试该系统各种功能，达到良好的效果。与其他仿真器一样，PT 软件通过简化的网络设备和协议模型，模拟网络行为和开发网络的技巧，用户可在软件的图形界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，再根据功能需要配置设备；并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况，并可以看到数据包发送与接收的动画模拟过程[5]。利用PT软件辅助教学与实验，增强了网络教学与实验的趣味性，提高了学生的兴趣，从而也提高了学生学习网络工程技术的积极性；通过网络理论教学中把抽象的网络概念形象地变成可以操作的实例，把枯燥的网络协议原理构建仿真实验，再结合其他有效的教学方法，以提高网络工程教学质量和效果。因此，PT适合网络工程等课程线上线下混合的工程设计及技术应用的教学与实验。

1 多融合教学模式

网络工程课程教学充分利用并积极建设线上资源，利用思科官网、PT实验仿真的相关技术论坛、百度文库、知网平台等信息检索，并整合到教案、课件、教学案例、实验指导等教学资料中。同时也可以上传自己原创的相关教学与实验资料到相关平台，进行共享交流。通过专业教育与课程思政、线上线下混合、实验设备与仿真软件平台虚实结合等多融合教学模式，如图1所示。该模式下，有利于师资队伍建设、教学资料建设、教学活动实施，并达到多方面协同发展。通过学生的平时表现、课程实验仿真、课程设计选题、课题设计与实现、答辩、设计说明书撰写等环节多方面考核和评价学生。以课程思政为引领，鼓励并有效指导学生积极参与大学生科技项目和学科竞赛，着重培养学生创新创业等综合能力、技能和素质，实现更好的课程目标。

1.1 线上线下混合教学

利用腾迅会议等平台，采用线上线下混合教学模式进行网络工程教学与实验，突破了原来固定机房实验的限制。线上线下协同并进，并录制视频，供学生回放。根据课程需要和学生的实际情况，资源科学规划、合理整合到相应的教学单元中；提前制作好教案、讲稿、实验指导书等。课前为学生推送讲义、预习资料等；课中讲解学习中的重点难点、思政整合后的教学内容等知识；课后让学生回放视频巩固、完成作业和仿真实验等。在疫情防控或实验条件不足等情况下，该模式能有效提高学生的参与度和学习积极性，从而提高教学效果。

1.2 发挥团队合力，提高教师思政水平

网络工程授课教师要以身作则，不断提高思政水平、学习新思想新理念、挖掘课程思政及创新创业元素，坚持学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想主题教育，把课程思政教学与专业教育紧密结合，建设网络工程课程思政示范课程、加强团队教师技能培训、开展课程思政课堂听课评课议课、团队备课、“传帮带”等活动，进行研课磨课，针对研课磨课中的难题，通过示范教学、专题研讨、经验交流等方式进行现场指导，发挥团队合力，凝聚智慧，提升课程思政教学效果。

1.3 专业教育与课程思政融合

针对以实现科技强国教育兴国为奋斗目标的国内大好形势和以美国为首的西方国家对我国科技、经济发展的打压的背景下，在网络工程教学过程中融入与课程相关的国内国外经典案例，让学生认识到网络工程的发展情况和应用价值，同时也认识到由于在某些核心技术方面的缺失，受到以美国为首的西方国家在技术上的故意打压和封锁，以此增强学生的爱国意识，家国情怀，从而激发学生的学习热情。专业知识充分融入思政元素，探索网络工程课程知识教育与价值观教育相结合，从而达到潜移默化、润物细无声地感染和影响学生。比如：在介绍网络工程基础知识时，不仅要求学生了解网络工程行业发展现状、发展方向、学科前沿等，还应融入当前以华为为代表的国内网络通信设备供应商，遭遇美国的打压和芯片封锁后，而竭力冲突技术壁障的事迹。从而鼓励学生立志解决“卡脖子”现象，努力学习、勇攀高峰，为祖国的建设和发展奉献的高贵精神。在工程設计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素。这些要求都与培养德智体美劳全面发展的人才培养目标、培养具有习近平新时代中国特色社会主义思想，社会主义核心价值观、家国情怀、法制意识、社会责任、工匠精神等的大学生的育人目标相吻合。所以将课程思政融入网络工程课程教学中能更好地实现课程目标。

1.4 课程教学资源建设

综合专业培养目标、课程目标、课程知识点和国际国内形势相关重大事件，深入挖掘思政、创新创业元素，将专业课程教学和思政教育有机融合，创新与优秀传统文化相结合，利用虚实相结合的实验设备平台，设计和开发相应的实验项目，撰写实验指导和课程设计参考样例，无缝融入课程思政元素、突显创新创业元素的教学大纲、教案和教学设计等，并实施于教学活动中，录制线上线下结合同步授课视频等。

1.5 学习活动

采用教学方法有讲授法、工程项目法、虚拟仿真实验等，以分享屏、连麦等多种形式进行线上和线下实时视频教学，并根据需要进行视频录制，便于学生重播观看尚需理解透彻的内容。实验实训课需要实时监控学生学习状态，及时解答学生疑问，进行更加有效的实验实训指导。激发学生学习自主性、主动性，通过“第二课题”“第三课堂”，鼓励学生积极参与大学生科技项目和创新创业学科竞赛等活动，使得学习更加有的放矢，学以致用。

2 PT网络工程虚拟仿真实验与教学应用

2.1 PT进行网络工程教学与实验仿真的一般办法

网络工程课程涉及的基本概念、基本原理和协议比较多、利用PT开发出对应专项实验，联动计算机网络技术与应用等课程的基本实验。通过实验实践演示和讲解让学生更能理解网络协议工作基本原理、网络设备的运行机制。让学生上机验证，进一步理解和巩固概念和原理知识。其次，结合多个知识点和融合多个基本专项实验，开发一些设计型、综合型的实验案例，进一步提高学生设计和创新能力。再次，根据网络工程项目或虚拟项目，从选题、需求分析，规划设计，到仿真实现；最后撰写课程设计说明书，完成网络工程课程设计。网络工程考核可以根据需要，教师可以利用PT扩展（Extensions） 中活动向导（Activity Wizard） ，设定多套网络工程实验任务，通过设计考核要求指导文档、用变量设置试卷序列号或其他随机考核内容等设置，构建网络工程技术自动考核系统。让学生在约束的时间范围内上机完成初始化网络拓扑配置（系统自动计时），考核结束后与“答案网络拓扑”比对，活动向导会根据知识点的正误自动评分[6]。当然，这种方式也可以用于平时的实验实训，任课老师可以根据学生的实际情况，开发不同难度、知识覆盖比较全面的样题，让学生进行自主训练，从而增加了自觉学习网络工程技术的时间，提高学习网络技能的积极性。

2.2 PT网络虚拟仿真实验教学体系与内容

在虚拟环境下，可以突破传统单一网络硬件实验条件的限制，可以全面考虑网络应用场景设计、网络拓扑结构构建、网络工程设计与仿真、应用软件开发等多重因素，构建培养学生创新精神和工程实践能力为核心的网络工程实验教学体系。从网络工程课程设计选题、课题需求分析、网络规划设计、仿真实现、设计说明书撰写等整个网络工程的实战训练，提升了学生实验技能和创新能力，使学生得到系统的工程能力训练。根据需求分析进行规划设计阶段时，构造网络模型是网络逻辑设计的关键步骤，需要理解并掌握运用网络逻辑设计方法构造符合需求的网络拓扑[7]。通过分层设计整体概括网络系统在接入层、汇聚层和核心层的功能划分，通过组件设计进一步划分不同功能需求独立的组件。最后通过各个组件的内部逻辑关系，配置网络设备实现相应功能，并按策略实现互联互通。通过一系列的学习和综合训练，对学生网络工程应用能力、工程设计能力、创新创业能力等，进行训练和培养，并鼓励他们积极参与网络应用项目开发，参加创新创业项目。表1为网络工程虚拟仿真实验教学体系，仅供参考。

2.3 运用PT网络工程教学与实验的优点

网络仿真在网络协议预研、网络工程项目设计前的预测等方面具有无比比拟的优势。利用思科PT软件搭建网络工程课程实验平台，结合理论知识，开发综合型和创新型的实验案例，在网络工程教学实践中取得良好的效果。

1） 解决了网络概念抽象、网络协议复杂难以理解的问题。网络工程中网络通信协议与原理、通信设备工作机制与作用等知识复杂、枯燥，令人难以理解。利用PT软件构建与理论知识相结合的实验，把抽象理论、乏味知识转化为直观可见的实验操作，并可提供数据包详细处理过程，观察网络实时或模拟的运行情况，可以看到数据包发送与接收的动画模拟效果。使学生在动手操作效果观察过程中完成网络概念的理解和掌握。

2） 实验环境搭建简易、门槛低，降低实验成本，弥补实验设备不足的问题。在网络工程实验设备缺乏下，利用PT软件虚拟出多种类型的、不同型号的数量充足的网络设备，降低了实验成本，解决了网络实验经费紧张、设备不足的问题。

3） 培养学生学习网络工程的兴趣，提高了学生网络工程实践能力。利用PT进行网络工程教学，理论结合实践，学生能够充分参与验证、设计，甚至创新实验，并且能够直观检验成果，从而增强了学习信心，提高了学习兴趣，促使他们更加自主、自觉地学习。

4） 便于对网络工程实验结果进行考核，传统的笔试难于反映学生的实践能力[8]， PT提供了创建网络工程考核自动评分系统的机制，统一考核、自动组卷、自动分析反馈考试结果，节省大量的人力和物力，对维护考核的公平性、合理性和科学性起到重要作用。

总之，网络仿真广泛用于网络教学实践，特别适用于中大型网络工程的设计与仿真；当然，PT模拟器并不能完全代替真实的物理环境。PT在网络工程教学与实验中使用，能够激发学生兴趣，提高教学效果；并降低了网络工程实验成本，能够较好地满足应用型网络工程教学设计和实践的需要，为后续网络工程技术的学习打下坚实的基础。

3 结论

本文阐述了专业教育与课程思政、线上线下、实验设备虚实结合的多融合的网络工程应用教学模式，进行教学师资团队、教学资料建设、教学活动实施等，對于培养学生网络工程综合素质起到了重要的促进作用。最后，介绍了利用PT构建网络仿真教学与实验的一般方法，提出网络工程虚拟仿真实验教学参考体系并分析了运用PT网络工程教学与实验良好效果。

参考文献：

[1] 胡云.基于不同版本的Cisco Packet Tracer实验结果比较[J].成都大学学报（自然科学版），2016，35（1）：64-66.

[2] 赵圆圆，陈瑞志.网络工程设计与实践[M].西安：西北工业大学出版社， 2016.

[3] 陈瑞志，江岚.网络与安全工程应用与仿真[M].西安：西北工业大学出版社，2015.

[4] 陈瑞志，吴克俭，李春红，等.智能养殖场网络设计及仿真[J].实验室研究与探索，2023，42（1）：132-135，183.

[5] 张新艳.基于虚拟仿真软件的实验教学探索：以网络工程实训课程为例[J].网络安全技术与应用，2020（6）：118-120.

[6] 钟文基，董英.利用Packet Tracer制作自动评分系统[J].电脑知识与技术，2017，13（13）：81-82.

[7] 胡胜红，胡长坤，谭生龙.面向工程思维能力培养的网络工程仿真实训教学[J].计算机教育，2014（4）：87-90.

[8] 杨春花，刘娟.思科Packet Tracer仿真软件在网络技能考核中的应用[J].网络与信息，2011，25（7）：48-49.

【通联编辑：王 力】