物聯網環境下計算機網絡技術課程群教學改革與實踐

李紅　靳華中

摘 要：針對物聯網工程專業建設的需求，分析計算機網絡技術課程群的重要地位，從課程群改革建設的重要性、階梯式課程群的課程選取與課程設置、教學方法與實踐教學環節改革等方面，探討計算機網絡技術課程群的建設與改革方案。

關鍵詞：物聯網；計算機網絡；課程群；教學改革

1 計算機網絡技術課程群在物聯網工程專業中的重要地位

物聯網是繼計算機、互聯網之后信息產業的第三次革命性浪潮。它融合了智能感知、識別技術、傳感器網絡以及普適計算等技術，按照約定的協議，實現無處不在的物與物、物與人、人與人之間的互聯，其應用領域包括醫療監測、智能交通、政府工作、智能消防、環境監測、情報搜集等。物聯網公認有3個層次，其中底層是感知數據的感知層，中間是傳輸數據的網絡層，上層是內容信息處理的應用層。

由物聯網技術層次結構可以看出，物聯網是三網融合的延伸和擴展，技術的核心和基礎仍然是互聯網。它以IP協議為基礎，采用類似互聯網TCP/IP協議的分層網絡通信協議為上層的各種應用提供服務[1]。

從物聯網技術核心需求的角度來看，計算機網絡基礎知識在整個物聯網的課程知識體系中尤為重要。在專業建設過程中，應以互聯網為核心和基礎，以計算機網絡課程為中心，充分考慮物聯網工程專業對計算機網絡知識的需求，圍繞課程選取與階梯式課程群設置、教學內容安排與銜接、教學方法與改革、實踐課程體系設置等方面展開改革和探索，培養學生扎實的網絡知識，為后續物聯網相關課程打好基礎[2]。

2 課程選取與階梯式課程群的課程設置

課程群的課程設置不是簡單的課程組合，需要對課程體系統籌規劃。計算機網絡技術作為一個重要的知識模塊，涵蓋了從計算機網絡的理論基礎到實踐操作，再到綜合應用的全部內容，是一個內涵豐富的課程體系。

湖北工業大學的物聯網工程專業依托原有的網絡工程專業，課程體系設置在網絡工程專業的基礎上進行了大幅度的修改，網絡工程專業計算機網絡技術課程群的主要課程見圖1。

可以看出，原有計算機網絡技術課程群的課程主要基于IPV4，偏重于互聯網理論基礎、層次模型、有線網絡結構及組建、網絡管理與分析等方面，并不能體現現代物聯網的架構和特點。

因此，在進行物聯網工程專業的計算機網絡技術課程群設置過程中，筆者充分考慮物聯網工程專業的需求和特點，經過大量調研和反復思考，整體改造原課程群，加入了無線網絡、嵌入式、傳感等知識模塊，形成一條層次分明且知識體系完整而獨立的課程鏈，主要專業核心課程有計算機網絡、TCP/IP協議原理、網絡互聯技術、物聯網技術概論、無線傳感器網絡、RFID原理及應用、物聯網安全技術、網絡編程與系統開發。物聯網工程專業階梯式計算機網絡技術課程群具體課程設置見圖2。

由圖2可以看出，經過精心設置的物聯網工程專業計算機網絡技術課程群的各門課程并非簡單的、平面式的結構，而是5個階段的課程群[3]，分別為網絡基礎理論模塊、網絡基礎應用模塊、物聯網基礎模塊、物聯網應用與安全模塊、物聯網綜合應用與實踐模塊，具有良好的課程遞進層次關系。

3 課程群具體的教學內容設置

計算機網絡課程群主要培養物聯網工程系本科生的互聯網與物聯網理論基礎和實踐能力，要求學生掌握互聯網和物聯網的基本理論知識與關鍵技術，能夠理解網絡體系結構與物聯網總體構架，并具備網絡管理與配置、網絡應用與創新的能力。計算機網絡課程群的建設不僅是選取內容縱向有傳承關系、橫向有內在聯系的幾門課程，還要梳理和整合課程教學內容，打破課程間的壁壘，減少重復內容并保證內容的連貫性與完整性[4]。因此，在進行課程群建設時，筆者充分考慮了課程群內諸課程在結構、內容、側重點、時間分配等方面的相互關系。經過幾年的教學實踐與探索，筆者在教學內容的安排和設置方面做了如下安排和改革，見表1。

從第三學期開始，每學期逐漸增加網絡方向的課程，這學期開設的計算機網絡主要以培養學習興趣和奠定網絡基礎為主。從最熟悉的互聯網應用入手，首先闡述計算機網絡的起源與發展、網絡的基本概念以及網絡協議與體系結構分層模型，使學生對網絡整體架構有清晰的了解；然后以自底至上的順序詳細講解網絡各層次的協議內容與工作原理，并在實驗環節使用抓包軟件進行協議分析和觀察，以驗證性和演示性實驗為主，使學生通過實驗過程了解網絡相關知識；在計算機網絡課程的后期，加入對未來網絡展望的內容，包括下一代因特網、物聯網等知識，一方面擴展傳統計算機網絡授課的范疇，增加課程的廣度和深度，另一方面旨在提高學生的學習興趣，為后續課程打好基礎。

第四學期的教學內容主要在第三學期課程的基礎上進行擴充和深入，開設網絡互聯技術與TCP/IP協議原理課程。通過學習網絡互聯技術課程，學生將掌握交換與路由的基本知識與基本原理，培養學生對中小型園區網的組網與管理能力，能對具體的網絡應用給出合理的規劃和可行的解決方案，并具備解決網絡中常見問題的基本技能，將理論知識付諸于應用。TCP/IP協議原理課程是計算機網絡課程的延續和深化，通過課程學習，學生將深入掌握TCP/IP原理，在理論學習的基礎上用程序設計語言實現，從而提高網絡應用程序開發能力，夯實網絡管理基礎，提高網絡安全意識，增強網絡分析能力。

在前面兩個學期學習互聯網技術的基礎上，第五學期的教學內容開始體現物聯網特色，開設的物聯網技術概論、無線傳感器網絡以及RFID原理及應用3門課程都是物聯網專業的核心課程。物聯網技術概論是學生認識物聯網的起點，通過課程學習，學生能了解物聯網的起源和典型應用，理解物聯網的概念與內涵，并對物聯網的體系架構和核心技術有充分的認識，這是一門重要的物聯網技術啟蒙課程。無線傳感器網絡和RFID原理及應用這兩門課，是深入學習和研究物聯網技術的核心專業課程。通過學習，學生應掌握無線傳感器平臺和網絡架構、射頻識別技術的基本概念與原理方法，為后續的綜合實踐環節打好理論基礎。

第六學期開設的網絡管理與安全和物聯網安全兩門課程是進階課程，通過這兩門課程的學習，學生應在掌握互聯網與物聯網基本原理的基礎上，了解網絡管理和網絡安全知識模塊，包括密碼理論、無線傳感器網絡安全概述、密鑰管理、安全路由、物聯網中的抗干擾、射頻識別的隱私與安全、物聯網嵌入式系統的安全設計等基礎知識，達到從理論到應用、從架構到安全的全方位提升。

第七學期設置的物聯網應用綜合設計及創業實踐環節，旨在提高學生的綜合應用和動手能力。通過為期一個月的實踐學習，學生能夠設計一個物聯網綜合應用系統，能夠從系統的角度看待物聯網的應用問題，并能綜合利用幾年來所學的互聯網及物聯網知識解決網絡通信及應用的相關問題。

綜上所述，本課程群的課程內容在設置上是完整的、連續的、突出重點的，涵蓋了從基礎的互聯網到物聯網的基本原理、體系架構、網絡應用、關鍵技術與安全的內容，并遵循從易到難、從淺到深、從原理到應用、從互聯網到物聯網、從系統到安全的原則來設置教學內容。課程分布于第三學期到第六學期之間，內容在時間的安排上符合學習的一般規律，并注重理論與實踐相結合的原則，具有科學性和可實施性。

4 計算機網絡課程群教學方法改革

物聯網技術屬于集成創新型技術，培養的人才不僅要具備扎實的理論基礎，還應具備很強的工程實踐與應用能力。因此，在計算機網絡課程群的教學中，筆者堅持“課程精、實踐強”的原則，強調理論與實踐相結合的教學方法，不斷改革理論教學，引入MOOCs、混合教學、開放課堂、對分課堂等形式，強化實踐教學，深入開展校企合作模式，形成了工程訓練、專業認證、創新培養并舉的特色教育理念。鑒于在實踐教學和創新能力培養方面的有力措施和突出成績，筆者在2012年獲得了湖北工業大學優秀教學成果一等獎。

4.1 根據不同課程探尋多種教學模式，提高教學效果

近年來，以MOOCs為代表的新型教學模式不斷涌現，大多依托網絡教學資源，秉承自由學習的理念，旨在調動學生的學習積極性和創造性，為傳統課堂注入了新的活力。筆者在計算機網絡課程群的建設中，結合各門課程的優勢和特點，進行了多種課程教學模式的改革和嘗試，力求獲得更好的教學效果。

以計算機網絡課程教學模式改革為例，該課程作為課程群的第一門專業基礎課，其教學效果對整個專業的后續學習至關重要。考慮到這門課程的網絡資源比較豐富，且大部分內容難度不大，筆者采取了傳統教學與網絡教學相結合的混合教學模式。這種模式由課前預習、面對面授課（face-to-face）、在線學習（On-line）、實踐訓練4個過程組成。此學習模式整合了各種教學資源和多樣化的學習形式，如課堂學習、自主學習、分組討論、任務驅動、協作項目實踐活動、實踐訓練等[5]。混合教學模式既保持了傳統課程教學的優勢，又在課前和課后引導學生自主學習，學生能通過各種學習方式保持學習興趣并取得良好的學習效果。

在物聯網技術概論課程教學模式改革中，針對該課程內容繁而細、知識更新快、實踐性強的特點，筆者提出了物聯網導論的開放式教學法，主要途徑有開放教學過程、開放教學內容、開放教學考核與開放教學環境等。在教學過程中，以學生為主體開展教學活動，課堂上有分組討論、頭腦風暴、及時答疑、小組展示等各種環節。在注重師生關系平等的基礎上，盡量與學生進行課堂互動，引導學生積極思考并大膽表達自己的觀點。在教學內容上以新技術和實例教學為主，每學期的課件和內容都要及時更新和補充，并將教學內容融入實際案例。比如在介紹常用傳感器及其典型應用的時候，會聯系生活中的小米手環、智能醫療、智能家居應用等，既提高了學生的學習興趣，也擴充了學生的視野。在教學環境上，以開放的網絡教學平臺作為課堂的補充，并以開放的形式進行考核，注重對學生分析能力和創新能力的考核。

實踐證明，依據不同課程的特點和性質，在課程群中開展適合不同課程的多種教學模式探索，能大大增加課程的吸引力并降低學習的難度，學生不僅能學到知識，更能提高學習的興趣，并鍛煉自學能力和創新能力。

4.2 重視實踐教學環節，提高學生工程實踐能力

為了保證實踐教學環節的教學質量和教學效果，筆者多次對物聯網工程專業實踐教學計劃進行深入的研究和有針對性的修訂，包括增加實踐教學環節的學時、提高綜合性與設計性實驗比例、增加物聯網應用綜合設計及創業實踐環節、強化實習環節和畢業設計環節，并加強對實踐教學體系各環節的規范化管理。

1）調整實驗學時，改革實驗教學方式，提高綜合性與設計性實驗比例。

計算機網絡課程群中的每門課程都配備了實驗教學環節。對于一些實踐性較強的課程，如網絡互聯技術課程，根據其課程特點，改革性地將理論課堂搬到實驗室。為保證課堂效果和實驗過程完整性，采用4節連上的方式，并將對分課堂和任務驅動的教學理念引入課堂，用一節課講解核心的理論和實驗內容，余下3節課全部進行實驗、調試和答疑。每節課以一個實踐小項目為驅動，學生通過分組合作的方式進行，以實踐項目完成效果為考核的標準。學生普遍反映這種實踐教學效果良好，可以及時消化和理解理論知識，避免理論與實踐的脫節，并鍛煉了協作與學習能力。

為了彌補大多數課程中以驗證性實驗為主的局限性，課程在每門課程的實驗教學大綱中都加入了一個綜合性的實驗內容，并在高年級增加了物聯網應用綜合設計及創業實踐環節，主要提供一些平臺和一段時間給學生進行知識的梳理和總結，鼓勵學生進行創業計劃實現自己的想法，把學生的興趣、愛好、學習、創新融為一體，這也是實踐環節的主要目標。

2）深入開展校企合作模式，提高實踐教學效果。

隨著國家對高等教育的重視與不斷投入，高校擁有的資源越來越豐富，師資力量不斷增強，但學校教育本身仍然存在不完善之處。僅通過課堂理論學習，學生不能獲得期望的知識、能力和素質，而在實踐環節中，又存在設備昂貴、教師普遍缺乏實際工程經驗等問題。為了解決上述問題，筆者積極與國內具有一定規模和實力的企業合作辦學，請企業人員參與課程大綱的建設，并在實驗環節中邀請有工程經驗的技術人員來校教學和指導，甚至把一部分實踐環節直接放到企業中，讓學生盡早接觸企業，積累工程經驗。

4.3 通過創新活動，激發學生創新能力

1）鼓勵學生自主申請并建立創業工作室。

物聯網創新工作室由優秀學生為領頭，帶領學生團隊進行小型創業項目的研究與實踐，主要目標是通過團隊協作的研究性學習，鍛煉學生的研究能力和創新能力，并培養團隊合作與交流能力。申請創業項目完全由學生完成，教師只做方向上的引導，實行“三自原則”，即自發組織學生創業團隊、自主管理團隊、自行研究和探索。

從大三開始，筆者就鼓勵學生將自己在物聯網應用上的創新想法轉化為項目，并組建自己的科研團隊，學院提供學習研究場所并提供經費資助。通過這種放手和支持，大大鍛煉了學生的創業和創新能力，很好地激勵了學生的學習自主能動性。同時，以創業工作室為基地，挖掘了大批優秀的人才，為今后的物聯網方向競賽活動提供了項目經驗和團隊基礎。

2）在實踐教學中，抓好專業實習與培訓認證。

專業實習是實踐教學的重要內容，也是學生直接接觸企業的重要途徑。筆者一直鼓勵學生到企業中去，接觸經驗豐富的工程師，提升實踐創新能力。因此，在實習環節中，筆者主要采用校企聯合的模式，將學生放到企業中去，由經驗豐富的工程師擔任指導教師，實習內容為能夠鍛煉學生實踐創新能力的企業真實項目，采用“1+3+6”的實習模式（10%的時間聽課，30%的時間案例分析，60%的時間動手實踐），使學生在實習中真正獲得課堂外的實戰工程經驗。教師還鼓勵學生利用課余時間參加公司培訓，完成認證，提高自身技能和素質，為將來的就業增加競爭力和積累工程經驗。

5 結 語

物聯網技術的出現給人們的生產和生活方式帶來了深刻的變革，給整個信息技術領域帶來了前所未有的挑戰，同時給高校計算機網絡相關課程的教學提出了新的要求與挑戰。

參考文獻：

[1] 盧先領， 毛力. 物聯網時代計算機網絡教學改革初探[J]. 無錫職業技術學院學報， 2014（1）： 38-41.

[2] 王相林. 分層次的計算機網絡課程體系建設[J]. 計算機教育， 2011（6）： 20-23.

[3] 梁艷， 曾碧卿. 基于CDIO模式的計算機網絡技術專業課程群建設[J]. 中國科技信息， 2012（21）： 177-178.

[4] 陸為群. 高師院校課程群建設的原則和策略[J]. 黑龍江高教研究， 2007（11）： 100-112.

[5] 李紅， 王春枝， 賀章擎. 信息化背景下計算機網絡課程混合學習模式研究[J]. 計算機教育， 2014（20）： 15-17.

（編輯：孫怡銘）