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研究生网络仿真优质课程建设的创新实践

任智+姚玉坤+雷宏江+张天骐

[摘    要]    研究生优质创新课程建设作为研究生教学质量工程的重要举措，对增强研究生的创新能力，深化研究生教育改革，提高研究生培养质量，培养高层次、高素质的创新型人才具有重要意义。本文总结了重庆邮电大学通信与信息工程学院研究生 《网络仿真》创新型优质专业课程建设项目实施中对教学内容、教学方式与教学手段的创新实践以及该课程在着力培养研究生科研技能方面取得的良好效果。
[关键词]    通信网络;仿真技术;创新课程;实践教学
[]    G642.0        [文献标志码]    A        []    1005-4634（2014）06-0081-02
随着通信网络相关研究的深入和实际应用的普及，如何具体实现网络通信机制并定量评估网络性能受到科学技术界与工程界的日益关注和重视，工程界对掌握通信网络实现和评估技术的创新型人才的需求也不断增加。重庆邮电大学作为一所以信息与通信工程学科为主要特色的业内知名高校，为了配合通信网络技术的迅猛发展，对研究生进行针对性强、效果显著的理论和实践相结合的课程教育，从2011年春季开始在通信与信息工程学院开设了《网络仿真》研究生限选实验课程。
1    课程教学目标
《网络仿真》课程为硕士研究生专业课，通过理论讲授与堂上操作相结合、边讲边练的教学方式，使研究生熟悉以网络仿真为手段的专业网络研究技术，主要培养研究生掌握使用OPNET等仿真软件对通信网络与系统进行建模与仿真的具体方法和仿真操作动手能力，为后期进行理论研究或从事通信网络与系统方面的应用开发工作打下必要的技能基础。
通过学习本专业课程使学生了解通信系统与网络（数字频带传输系统、有线网络/无线网络、单跳网络/多跳网络和IP网络/非IP网络等类型）建模与仿真的基本知识和技术发展方向，掌握通信网络与系统的建模方法和仿真技能，熟悉建模和仿真实现中各个结构层面的机制、算法和协议，培养研究、设计和验证通信网络及其中各种算法、协议的运行性能所需的思路和能力[1]。
2    课程建设的“三个创新”
本项目以“三个创新”为突破口，从课程内容、教学方式和实验平台三个方面入手实施对《网络仿真》研究生课程的改革与建设。
2.1    教学内容创新
随着通信网络技术和仿真技术的飞速发展，新型的通信网络和仿真平台不断涌现。为适应这种发展趋势，本课程紧跟技术发展的前沿，尽力准确地把握其发展方向，由课程组老师把学到的和在科研实践中掌握的最新技术，及时有效地组织和编写到《网络仿真》课程的教学资料中。具体地，编入了以无线自组织网络为特色并包括泛在网络、物联网的最新网络技术和当前的主流仿真技术，如OPNET、NS2、MATLAB等，力争能够反映通信网络及其仿真领域的最新技术成果，在教学资料的内容上努力创新。另一方面，教学内容上除了在课堂教学中加深学生的工程技术性概念外，还着力加强他们在实验方面的训练，努力培养其在网络相关技术的应用中解决实际问题的能力。
2.2    教学方式创新
传统的授课方式是老师讲、学生听并按要求按部就班做，单方面被动地接受知识，课堂气氛不活跃，互动性差，学生学习主动性不强。针对此问题进行了教学方式改革，首先是课程的32个学时全部在实验室完成，其次是利用在实验室上课的优势和便利条件再采用一些与传统教学方式相结合的方式，如启发互动式教学、专题讨论、部分内容由学生讲解和演示、学生模拟然后由老师验证、评判等等;并将经典的仿真软件和最新的仿真软件结合在一起进行介绍，对同一个问题从多方面进行思考并寻求尽可能多的解决方法，加强与学生的交互，请学生进行编程讲解，启发学生思考并进行相关互动讨论，完成知识的自然过渡和延伸，有效提高学生对新知识的理解和接受能力。
在课程考核方式方面，本项目针对《网络仿真》课程工程性和实践性强的特点也相应地进行了改革。采取了课程设计为主、考勤和平时堂上作业练习为辅的考核方式;考核的具体内容不限，在一定范围内让学生自由选题和发挥，而且特别提出了对创新性强的内容给予加分，鼓励学生在达到基本要求的基础上发挥创造性。针对有创意的方案设计将进行保留和传承。这样，一方面能够使学生得到比较充分的动手训练，另一方面也能够让学生的创造性得到发挥，为业界培养创新型的高层次通信网络开发人才打下坚实基础。
2.3    实践平台创新
本课程紧密依托通信与信息工程学院研究生创新基地和中央地方共建项目花费几十万元构建的技术先进、功能强大的无线信息网络实物系统，能够组建和运行真实的无线传感器网络、无线自组织网络、无线局域网和物联网等，从而使学生有机会接触真实的网络，能够对实际网络进行调试和观察网络运行。利用最新引进的一批新型教学和实验软硬件设备作为支撑，保证学生上课时1人1机，为学生进行种类多样的实验提供综合性的物质保障，包括实验场地、电脑设备等。基础类和专题创新类实验使用的专业仿真软件是业界主流的OPNETNS2等专业网络仿真软件的较新版本，从而保证仿真平台软件的先进性和新颖性。
3    实验教学设计
本项目针对网络仿真的具体内容、技术特点和应用需求为《网络仿真》课程精心设计了基础类、演示类实验和专题创新类一系列实验[2]。
3.1    基础类仿真实验设计
基础类实验的主要内容是通过使用专业的网络仿真软件对常见的通信信息网络进行仿真并对网络性能进行分析。在这类实验中学生能加深对通信网络层次架构的理解，得到C/C++语言编程技能的基础训练，学到如何使用专业网络仿真软件对网络、节点和网络协议进行建模，以及如何模拟通信网络的运行、如何搜集性能参数来分析网络性能[3]。
3.2    演示类仿真实验设计
为了使学生对实际网络的运行建立直观印象，加深对通信网络理论知识的理解，有效提高动手能力，本项目为《网络仿真》课程设计了演示类实验。该实验的主要内容是在实际的无线信息网络平台上进行调试和操作，通过真实的操作和观察实际网络的运行，加深对通信网络的理解和直观认识。该类实验借助中央与地方共建实验室项目建成实际网络系统来开展，该平台是一种先进而新颖的实物平台，包括不少于5个的无线移动通信网络节点和1个以上的无线接入网关节点，在网络形式、网络协议标准等方面都较以往有所突破，能演示物联网、ZigBee无线传感网等新型网络和IEEE802.15.4、LTE等底层通信新标准。在这类实验中学生能观察了解到实际网络的真实运行情况，并有机会学习如何调试和控制实际网络的运行。
3.3    专题创新类仿真实验
专题创新类实验的主要内容是在进行了多个基础类实验的基础上，由任课老师指定专题，学生通过发挥自己的创造性，自主设计新的与通信网络有关的仿真实验内容，并在专业的网络仿真平台上实现、验证创新设计的效果。目前课程已开设的专题实验有：“包交换有线网络建模与仿真实现”、“无线移动Ad Hoc网络数据路由过程建模与仿真实现”、“有线网络RIP路由协议建模与仿真实现”等。通过该类带有一定难度的专题实验的编程设计、仿真实现和结果验证，较好地开拓了学生的思维，激发了他们的创造性，同时也大大提高了学生对网络仿真软件操作的熟练程度。
4    课程改革的实验效果和有效性
为具体掌握《网络仿真》课程改革的实际效果，本研究在课程开设的第2年结课后，对上课研究生进行了问卷方式的抽样调查。主要依据该课程改革建设的教学内容、教学方式和教学手段评价以及学生能力提高等指标设计了调查问卷的项目和回答选项;学年上课人数共计180人（分两学期
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上），接受调查人数73人，最后收回有效问卷70份，调查样本数量超过1/3。对有效问卷进行数据统计后得到的调查结果如表1所示。
以上调查结果表明，《网络仿真》优质课程建设和改革的试验效果是明显的，该课程在教学过程了展现了以应用为导向的科研视野和方向，提供了以C语言为核心的项目研发类编程能力的实操训练平台，为增强重庆邮电大学学子的科研能力、完善其科研成果、增强其专业就业竞争力奠定了良好的基础。研究生们通过该课程的延伸学习，多人在“腾讯-重邮”专利创意大赛、“华为-重邮”编程大赛等比赛中获奖。
《网络仿真》创新型优质实验课程建设的意义，不仅在于打造一个创新性强的优质研究生课程，而是可以持续地培养一批理论功底扎实、动手能力和创新能力强的研究生人才，建设一个网络软件仿真和实际网络系统相结合的平台，打造一支结构合理、教研俱佳的师资队伍，并最终形成具有一定影响力的通信网络仿真与实际测试的科研、教学、培训基地。这门课程把通信网络的专业理论基础和网络仿真的动手实践有机地结合起来，能够在理论知识、C语言软件编程、仿真建模方法、仿真软件操作、仿真技能和实验项目调试等方面使学生的学识和能力得到整体性的提高。由于课程新颖且切合需要，在开课的第一年里，选课的研究生的数量便超出了原计划的1倍以上，之后的每年里选课的研究生人数持续攀升，而且每次上课学生的出勤率几乎都能达到100%。
参考文献
[1]郭文，桑林.通信原理——基于Matlab的计算机仿真[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[2]孙腊珍，张增明，叶邦角.科研能力培养和研究生实验教学体系的构建[J].学位与研究生教育，2010，（6）：58-60.
[3]李馨，叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

-全文完-