研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程體系研究與實(shí)踐

李　巍　李云春　夏春和

摘要:本文研究面向研究生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程體系,包括教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐中,以專題研究組織教學(xué)內(nèi)容,將教學(xué)活動(dòng)分解為相輔相成的三個(gè)環(huán)節(jié):授課和閱讀,課程設(shè)計(jì),以及研討環(huán)節(jié)。同時(shí),將理論性教學(xué)和實(shí)踐性教學(xué)有機(jī)結(jié)合。教學(xué)實(shí)踐表明,將科研素養(yǎng)的培養(yǎng)融合在課程教學(xué)過(guò)程中,有助于培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);課程體系;教學(xué)研究

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)發(fā)展迅速的學(xué)科,主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷更新?lián)Q代,從早期的Novell網(wǎng)、FDDI、ATM、高速以太網(wǎng)到目前的Internet、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)等,不僅網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在發(fā)展,應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富和多樣化,同時(shí)也不斷面臨新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。大量的研究成果和技術(shù)產(chǎn)品以及跨學(xué)科的特點(diǎn)使得該領(lǐng)域的內(nèi)容非常龐雜,這對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。同時(shí),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的學(xué)科領(lǐng)域,隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為工作和科研中的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。

目前,國(guó)內(nèi)外知名高校的研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程一般分兩類,一類是核心課程,按照傳統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)組織;一類是選修課程,主要是前沿技術(shù)的專題講座,由從事相關(guān)研究工作人員組織論文討論。作為核心課程的研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課,在深度和廣度上比本科的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程有很大提高。

本科教學(xué)強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性,而研究生教育側(cè)重于研究方法的學(xué)習(xí)和科研能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的以教材為核心的教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)研究生課程教學(xué)的需求,而單純以學(xué)科前沿研究組織教學(xué)內(nèi)容會(huì)使知識(shí)體系不連貫。因此,研究生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)需要基礎(chǔ)理論和前沿研究并重,以適應(yīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和研究型人才培養(yǎng)的需求。

本論文研究面向研究生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程體系,包括教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等。提出以專題研究組織教學(xué)內(nèi)容,將教學(xué)活動(dòng)分解為相輔相成的三個(gè)環(huán)節(jié):授課和閱讀、課程設(shè)計(jì)、研討。將理論性教學(xué)和實(shí)踐性教學(xué)有機(jī)結(jié)合,使學(xué)生真正掌握和理解理論知識(shí),并進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生刻苦鉆研、勤于探索、勇于創(chuàng)新的科研精神。

2理論框架和專題相結(jié)合的課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有學(xué)科交叉和多樣性的特點(diǎn)。深入理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)框架有助于學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的前沿研究的關(guān)鍵技術(shù)。因此,課程采用系統(tǒng)的理論框架和專題相結(jié)合的教學(xué)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)。

面向?qū)ｎ}是指在以若干專題為主線,組合教學(xué)內(nèi)容展開(kāi)教學(xué)的方法。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新迅速,研究熱點(diǎn)不斷變化,具有專題性的特點(diǎn)。如果拘泥于教材往往造成教學(xué)內(nèi)容和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀脫節(jié)。另一方面,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程仍遵循分層體系結(jié)構(gòu)的框架,深入理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生把握技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò),理解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的前沿研究和關(guān)鍵技術(shù)。

因此,在課程內(nèi)容體系上,我們?nèi)圆捎脗鹘y(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)組織教學(xué)內(nèi)容。但在每一層的內(nèi)容組織上,包括基礎(chǔ)理論和專題兩部分。首先簡(jiǎn)要回顧基礎(chǔ)知識(shí),通過(guò)梳理系統(tǒng)的理論框架,引導(dǎo)不同本科專業(yè)背景的研究生自主修補(bǔ)基礎(chǔ)知識(shí)、拾遺補(bǔ)缺。然后根據(jù)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)精選若干研究專題,通過(guò)選擇一些高質(zhì)量的有代表性的學(xué)術(shù)論文進(jìn)行深入分析,包括結(jié)構(gòu)、模型、關(guān)鍵協(xié)議和算法分析等。這樣,一方面兼顧本科非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生盡快系統(tǒng)了解基礎(chǔ)知識(shí)要點(diǎn),突出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),同時(shí),通過(guò)專題突出重點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容,以點(diǎn)帶面,使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究方向和研究方法。

課程內(nèi)容體系分為五部分。

(1) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述,主要回顧計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí),應(yīng)用范圍和研究熱點(diǎn),強(qiáng)化分層體系結(jié)構(gòu)的概念。研究專題:Internet的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);端到端的設(shè)計(jì)思想。

(2) 高速數(shù)字接入技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層),教學(xué)目標(biāo):回顧網(wǎng)絡(luò)物理層傳輸?shù)亩鄻踊奶攸c(diǎn),使學(xué)生理解點(diǎn)到點(diǎn)鏈路、廣播鏈路、交換鏈路的鏈路層協(xié)議設(shè)計(jì)要點(diǎn)、協(xié)議和關(guān)鍵算法。研究專題為介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議分析:CSMA/CD和CSMA/CA。

(3) 分組交換和網(wǎng)絡(luò)互連(網(wǎng)絡(luò)層),教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計(jì)方法,以Internet網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議為實(shí)例,理解單播、組播和任意播路由算法的原理和特點(diǎn)等。研究專題:Internet上的路由技術(shù)(單播,多播,任意播,無(wú)線路由)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)資源管理(網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層),教學(xué)目標(biāo):通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用的需求特點(diǎn),使學(xué)生理解資源管理的方法和研究方向,掌握面向應(yīng)用的傳輸層協(xié)議的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵算法,掌握TCP協(xié)議中擁塞控制的方法及關(guān)鍵算法,理解服務(wù)質(zhì)量保障的主要方法。研究專題:擁塞控制機(jī)制分析,服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制。

(5) 應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò),教學(xué)目標(biāo):使學(xué)生掌握應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)絡(luò)和P2P模型的原理和關(guān)鍵算法,理解網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)研究熱點(diǎn),理解跨Internet網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量和管理方法面臨的問(wèn)題及最新研究方向。研究專題:網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)管理。

3三個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合的教學(xué)模式

在教學(xué)方法方面,采用“三個(gè)環(huán)節(jié)”教學(xué)模式,即授課和閱讀環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及研討環(huán)節(jié),探索從傳授型課程向研究型課程轉(zhuǎn)變的有效途徑,使研究生從被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)和靈活運(yùn)用知識(shí),通過(guò)課程教學(xué)加強(qiáng)對(duì)研究生科研能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)。

(1) 授課和閱讀環(huán)節(jié)

這是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)。在授課過(guò)程中,一方面從整體把握課程的知識(shí)體系和研究熱點(diǎn),強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系內(nèi)在的聯(lián)系,另一方面,專題選擇應(yīng)具有開(kāi)放性的特點(diǎn),使得研究生經(jīng)過(guò)各個(gè)專題的學(xué)習(xí)后,能夠自主選擇自己感興趣的研究領(lǐng)域,提出課程設(shè)計(jì)的選題,完成后續(xù)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的任務(wù)。

論文閱讀的安排穿插在教學(xué)過(guò)程中。根據(jù)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和需要解決的技術(shù)難點(diǎn)確定若干問(wèn)題,選擇一些高質(zhì)量的有代表性的學(xué)術(shù)論文進(jìn)行深入分析。學(xué)生根據(jù)教師提供的參考論文,完成論文評(píng)述報(bào)告。教師在教學(xué)過(guò)程中安排課堂交流和討論。通過(guò)這種方式促進(jìn)師生互動(dòng),一方面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程,同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

(2) 課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是在教師給定的專題框架下,使學(xué)生自主選擇自己感興趣的研究課題,完成課程設(shè)計(jì)。該環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力以及科研能力的培養(yǎng),使研究生在完成課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中,理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋求解決問(wèn)題的科學(xué)方法。

課程設(shè)計(jì)的類型可以選擇網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程體系中的自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)或者研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)類型,也可以是基于網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)的仿真研究等,以便使不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能有適合的選擇。課程設(shè)計(jì)和授課環(huán)節(jié)有一定并行期,便于學(xué)生盡早開(kāi)展研究工作。授課階段結(jié)束后,學(xué)生在給定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)完成課程設(shè)計(jì)的研究工作。

(3) 研討環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是對(duì)教學(xué)過(guò)程的重要補(bǔ)充,強(qiáng)調(diào)師生的共同參與。由于在前期授課階段側(cè)重于各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別和特性,通過(guò)組織分組討論和交流,能夠很好體現(xiàn)它們之間的關(guān)聯(lián)性和共性,便于學(xué)生在討論中進(jìn)行知識(shí)融合。在討論過(guò)程中,還可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)方面的欠缺,及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)。另一方面,學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,有很多創(chuàng)新的思路,通過(guò)討論有助于相互交流研究方法和經(jīng)驗(yàn)。

研討環(huán)節(jié)采用小組互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)相結(jié)合的方式,即在同一專題的討論中,教師選擇研究工作有特色的小組進(jìn)行匯報(bào),其他組為評(píng)價(jià)組,進(jìn)行提問(wèn)和研討。這樣,在分組討論中調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的積極性,收到了較好的效果。在討論過(guò)程中,教師要及時(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié),使討論不斷深化,同時(shí),還需要控制討論時(shí)間,按計(jì)劃完成討論課的教學(xué)階段。

在考核方面,我們根據(jù)教學(xué)要求將考核成績(jī)分成三部分:平時(shí)作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和筆試。其中平時(shí)作業(yè)督促和檢查學(xué)生完成基本學(xué)習(xí)任務(wù)的情況,課程設(shè)計(jì)考察學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力,筆試側(cè)重于考核學(xué)生對(duì)基本理論的掌握情況。通過(guò)這種考核方法能夠較全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,同時(shí)也有利于學(xué)習(xí)過(guò)程的管理。

4課程設(shè)計(jì)的教學(xué)分析

以面向計(jì)算機(jī)學(xué)院研究生開(kāi)設(shè)的“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中的課程設(shè)計(jì)為例,我們進(jìn)行了幾輪教學(xué)周期的探索。

第一階段是教學(xué)改革的初始階段,側(cè)重于在原有教材的基礎(chǔ)上拓寬教學(xué)內(nèi)容的廣度。在課程教學(xué)中,專題內(nèi)容覆蓋面較寬,針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的每一層中給出相關(guān)的研究論文,包括經(jīng)典的研究論文和前沿研究的最新成果,作為學(xué)生課后閱讀的資料。

從學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)的情況看(如圖1所示),學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的選題相對(duì)集中,例如,選擇專題三的學(xué)生占35%,但普遍缺乏自主研究的內(nèi)容。這是由于有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生并沒(méi)有真正理解課程設(shè)計(jì)的要求和研究專題的內(nèi)涵,沒(méi)有主動(dòng)對(duì)前沿研究成果進(jìn)行進(jìn)一步檢索和跟蹤,反映出研究方法和研究能力上的不足。

第二階段:在第一輪教學(xué)的基礎(chǔ)上適當(dāng)縮小內(nèi)容的覆蓋面,并強(qiáng)化深度。在教學(xué)大綱的框架下,對(duì)教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整,側(cè)重當(dāng)前活躍的研究領(lǐng)域,突出重點(diǎn)的專題,對(duì)一些內(nèi)涵豐富的專題進(jìn)行細(xì)分。在課程設(shè)計(jì)選題中,增加了和學(xué)生科研工作相關(guān)的自選課題。從課程設(shè)計(jì)完成情況看(如圖2所示),學(xué)生的自選課題很有新意,能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。但有的專題選擇的學(xué)生較少,表明大多數(shù)同學(xué)不熟悉該專題,在教學(xué)過(guò)程中需要強(qiáng)化這方面的內(nèi)容。

第三階段:深度和廣度的進(jìn)一步調(diào)整:在專題選擇上,將基礎(chǔ)知識(shí)與前沿研究有機(jī)結(jié)合,一方面突出前沿研究領(lǐng)域,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)前沿研究的跟蹤,同時(shí),也強(qiáng)調(diào)對(duì)基礎(chǔ)問(wèn)題的解決方法的理解。在閱讀論文方面,每個(gè)專題都選擇一些有代表性的基礎(chǔ)論文和前沿研究論文。同時(shí),加強(qiáng)過(guò)程管理。在教學(xué)過(guò)程中,穿插論文閱讀和討論,對(duì)學(xué)生的論文閱讀進(jìn)行分析和點(diǎn)評(píng),并對(duì)學(xué)生的研究興趣進(jìn)行反饋。

從課程設(shè)計(jì)的完成情況看(如圖3所示),學(xué)生對(duì)當(dāng)前的技術(shù)熱點(diǎn)更感興趣,對(duì)前沿研究進(jìn)行跟蹤,有新穎性。同時(shí),分析和解決問(wèn)題的能力有所增強(qiáng),研究工作的自主性大大提高。但有一個(gè)基礎(chǔ)性的專題沒(méi)有學(xué)生選擇,這需要在今后的教學(xué)中進(jìn)一步探索如何引導(dǎo)學(xué)生興趣和教學(xué)目標(biāo)的協(xié)調(diào)。通過(guò)上述課程設(shè)計(jì)完成情況的深入分析,可以看到,加強(qiáng)授課過(guò)程中的研究性和自主性學(xué)習(xí),拓寬知識(shí)面,有助于提高學(xué)生的研究和創(chuàng)新能力。

5結(jié)束語(yǔ)

研究和教學(xué)實(shí)踐表明,將科學(xué)研究方法和研究能力的培養(yǎng)融合在課程教學(xué)過(guò)程中,有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力。今后我們將在以下方面繼續(xù)開(kāi)展深入的工作:進(jìn)一步梳理本課程的基礎(chǔ)理論和前沿研究的關(guān)系,豐富和完善課程的基礎(chǔ)理論體系。強(qiáng)化課程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐環(huán)節(jié)和后續(xù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的銜接,使學(xué)生掌握基于網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)的研究方法和基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床的研究方法。另一方面,在目前“三個(gè)環(huán)節(jié)”教學(xué)方法的基礎(chǔ)上,優(yōu)化教學(xué)過(guò)程管理,合理安排各個(gè)環(huán)節(jié)的相互關(guān)聯(lián),同時(shí),采用教學(xué)輔助系統(tǒng)有效管理教學(xué)的全過(guò)程。

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Research and Practice of Computer Networks Curriculum Teaching for Graduated Students

LI Wei, LI Yun-chun, XIA Chun-he

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083)

Abstract: This paper works on research of computer networks curriculum architecture for graduated students, including course contents and teaching methods. According to the teaching practice, a subject-oriented organizing method of computer networks course contents is presented, and the teaching activity is divided into three stages, including teaching & reading, course projects and discussion. We also explore the method of the organic integration of theoretical teaching and practical teaching. Teaching practice shows that the cultivation of scientific literacy integrated in the curriculum process can help to improve the research and innovation capabilities of graduated students in the field of computer networks.

Key words: computer networks; curriculum architecture; teaching research