新工科建設背景下計算機網絡課程教學改革與實踐

章 玥，彭 超，劉獻忠

（華東師范大學 軟件工程學院，上海，200062）

0 引言

為了主動應對新一輪科技革命、產業變革、國家戰略的需求，2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設。新工科建設行動路線提出了“三個階段、三個任務、三個突破”的行動方案，將“學與教”作為三個任務中的第一個關鍵任務并給出了指導意見[1]。具體包括：在人才知識體系方面，提出基于時代和未來卓越工程人才核心素養和能力加快課程改革，注重前沿知識和學科交叉知識體系建設，注重實踐創新性課程體系建設；針對人才培養質量，提出完善學習目標、培養目標、培養方案、課程大綱、評價分析、課程品質報告、改進方案實施等環節，從而實現閉環質量持續改進；在教學方式和技術上，注重以新型信息技術為支撐的探究式、討論式、參與式教學和混合式學習等教學方式。

計算機網絡是信息時代的重要基礎設施。計算機網絡課程是軟件工程、計算機科學、網絡工程等新工科專業方向本科生重要的專業必修基礎課程。計算機網絡課程對于培養學生掌握計算機網絡領域背景知識，理解計算機網絡、協議及應用的工作原理，分析和解決計算機網絡領域實際問題具有重要意義。網絡技術的飛速發展需要更多高素質的網絡技術人才，如何在新工科建設背景下，對計算機網絡課程進行改革，以應對時代對網絡領域卓越工程人才的需求，是一個亟需探討的問題。

1 計算機網絡課程現狀及特點

有別于計算機領域的其他基礎課程，計算機網絡課程的知識體系大多基于當前的因特網建立，是計算機軟硬件技術和通信技術綜合體，課程知識體系龐雜，具有跨學科的特點，學習難度大。課程內容雖圍繞計算機網絡模型層次結構展開，知識點卻相對分散，覆蓋了數據通信、算法與數據結構、控制論、排隊論、圖論、信息論、控制理論等多個領域。同時，計算機網絡課程的知識體系是從工程實踐中總結來的，其知識點的理解，需要將理論與實踐相結合、將課堂所學靈活運用于解決具體實際問題。另一方面，網絡技術的飛速發展要求計算機網絡課程教學內容體系、教學方法能夠與時俱進，而當前計算機網絡課程的教學內容已相對陳舊，難以體現實際網絡中最新技術的發展動態。在教學方式上，傳統的課堂教學模式難以照顧到每一位學生，一旦學生沒能在課堂教學過程中及時跟上學習進度，在知識點的理解和把握方面便會顯得力不從心，甚至產生沮喪情緒。傳統的授課方式以教師講授為主，學生處于被動的一方，對知識點的理解往往停留在紙面，獨立思考的積極性不高，缺乏主動從實際出發、理論聯系實際的能力。

2 課程改革思路

針對計算機網絡課程知識點龐雜、跨學科、學習難度大等特點，根據新工科建設行動方案對“學與教”在知識體系、培養質量、教學方式等方面給出的指導意見，為了提升計算機網絡課程教學質量，打破計算機網絡課程內容相對陳舊、與實際脫節的局面，有必要從如下幾個方面對計算機網絡課程進行改革：①改進課程內容體系，注重教學內容的深度和廣度；②落實創新實踐環節，注重實踐內容與網絡領域實際工作的關聯；③改進教學質量，注重學習目標達成度與過程化考核的內在聯系；④完善教學方式，注重混合式教學與學習參與度的相輔相成。

3 改革實踐過程

結合上述從課程內容體系、創新實踐環節、教學質量、教學方式等4 個方面對計算機網絡課程進行改革的思路，華東師范大學軟件工程學院計算機網絡課程實施的改革實踐內容具體包括梳理教學內容、課程實踐改革、完善教學大綱、規劃教學活動4 個方面。

3.1 梳理教學內容

計算機網絡本課程選用的是Andrew S.Tanenbaum和David J.Wetherall編著的《Computer Networks》（第五版）英文原版教材基礎上，按照教材所給出的計算機網絡模型層次結構展開教學內容，梳理了每一章的教學重難點，包括網絡軟硬件、網絡參考模型、數據通信理論基礎、數字調制與復用、公用交換電話網絡、差錯檢測及糾正、停等協議和滑動窗口協議、多路訪問協議、以太網、網絡層設計要素、路由算法、Internet 的網絡層、傳輸層協議要素、擁塞控制、TCP 等。

將Behrouz A.Forouzan 編著的《Data Communications Networking》（第五版）作為輔助教材，進一步梳理數據通信理論基礎部分的教學內容，輔助學生厘清數字傳輸與模擬傳輸的基本原理及各自所涉及的技術要點。同時引入Larry L.Peterson和Bruce S.Davie 編著的《Computer Networks:A Systems Approach》（第五版），供學有余力的學生課下研讀，增加理論知識深度，從構建網絡、連接到網絡、互聯網絡、規模化、資源分配等視角來加深對計算機網絡的認識，尤其是資源分配部分所涉及的對于開展網絡研究十分重要的相關術語、評價指標、排隊策略等。針對計算機網絡課程術語眾多、容易混淆等問題，提供了Cisco的網絡顧問手冊[2]給學生，供其速查課程中各個專業術語。

為了將網絡領域最新的前沿知識納入課程體系，圍繞每章教學內容設計了體現網絡技術最新發展動態的討論版塊，如軟件定義網絡、5G、以太網、擁塞控制等，將計算機網絡頂級會議（如SIGCOMM、NSDI 等）、期刊資料（如IEEE Communication Magazine 等）及相關網絡資源作為參考資料提供給學生，以便學生及時了解網絡技術最新發展動態。

3.2 課程實踐改革

在面向應用的課內實驗部分，基于教材自帶的以抓包分析為主的實驗，筆者選擇了協議層次、以太網、IPv4、ARP、UDP 和TCP6 個實驗。同時，為了體現實驗與實際應用的關系，在ARP 實驗中增加了ARP 欺騙的實驗環節，在UDP 部分增加了與DNS 和DHCP 協議結合分析的部分。

在面向探索和研究的課外拓展實驗部分，筆者重點設計了針對Socket 編程、經典網絡模擬工具NS2 和NS3、軟件定義網絡仿真工具Mininet的拓展實驗，涵蓋了實際工作中常用的網絡編程技術以及網絡研究領域主流的模擬工具/仿真工具。實驗內容重點關注TCP 協議擁塞控制機制、路由器排隊算法、網絡路由協議、無線移動網絡等網絡中典型的重難點及熱點話題。同時，強調實踐的創新性，針對網絡技術發展最新動態，設計了對網絡領域頂級會議最新熱點論文中的實驗進行重現[3]的參照實驗環節，激發學生在學習計算機網絡課程方面的熱情，提升學習主動性。

3.3 完善教學大綱

合理的教學目標是教學大綱的核心，對于教學至關重要。傳統的課程目標包括：①使學生掌握數據通信的基本原理和計算機網絡的體系思想；②理解網絡協議、網絡設備及網絡應用的工作原理；③具備設計開發網絡軟件及規劃管理網絡硬件的能力。上述教學目標在制定時以教師為主體，學生較難領會教學目標的核心思想。為此，以學生為主體，從學生能力培養的角度制定教學目標，按照布魯姆認知過程中的“記憶、理解、應用、分析、評估、創造”6 個層級，制定了5 個教學目標，分別如下：①描述計算機網絡的構成，闡述計算機網絡領域的關鍵概念和術語，閱讀并理解計算機網絡領域相關的文獻材料，從而達到理解計算機網絡領域的核心知識的能力；②解釋計算機網絡層次體系結構及各層的主要功能，說明典型網絡的技術特征，解釋典型協議及應用的工作原理，從而達到深入理解計算機網絡、協議及應用的工作原理的能力；③運用計算機網絡涉及的相關理論和技術，分析及評估計算機網絡協議，制定網絡規劃方案，從而達到靈活運用理論知識、分析解決計算機網絡領域實際問題的能力；④運用計算機網絡涉及的相關工具，分析及評估計算機網絡協議，從而達到靈活運用工具展開動手實踐的能力；⑤設計和開發計算機網絡通信程序，從而達到在計算機網絡領域中開發實踐的綜合能力。同時，圍繞課程各個章節給出了每個章節的學習目標和學習重點難點。

針對上述學習目標，在考核評價體系方面，設計了面向教學目標的多維度過程化考核評價方法。強調過程化考核，增加了平時成績在總評成績中的比重，平時成績包括自測題、課程討論、出勤、平時作業和期中考試5 個部分。將教學目標與具體的考核機制綁定，除傳統的期中考試、期末考試外，將出勤、線上線下活動的參與度、作業及測試的完成時間及完成質量等納入考核評價體系，并為上述考核方式分配與具體教學目標相對應的比重，完善學生評價機制及量化指標，確保每位學生都能全程參與到完整的教學活動中。

3.4 規劃教學活動

在傳統的教學模式中，教學活動以教師授課為主，形式相對單一，學生的積極性較難調動。為此，采用了面向混合式線上線下教學的計算機網絡課程新型教學模式。在為每章教學內容分配對應的講授學時、討論學時、習題學時、實驗學時基礎上，設計包括教師講授、學生閱讀材料、討論課、學生自測、師生在線討論等多種形式在內的豐富多樣的教學活動，設計以知識點驅動的學習任務，按照課前、課中、課后三個環節重新組織教師和學生分別需要完成的教學活動內容。同時，制作了微課視頻和對應的自測題，輔助學生加強對課程知識點的理解。

依托華東師范大學的在線教學平臺“大夏學堂”，課程網站的常用功能包括課程內容發布、課程通知發布、自測題、課程對話、成績中心、課程報告統計等，提供了課程簡介、教師簡介、教學大綱、教學計劃、課程目錄、課程公告、課件資料、多媒體資源、參考資料、自測題、討論交互、作業、拓展等豐富的教學資源。根據每周課堂教學進度安排，發布每周課程導航、每周學習任務、每周學習要點、教材和輔助教材及對應的PPT，以便學生課前預習。圍繞重點知識點設計了自測題供學生課后完成，建設了題型豐富的題庫；通過在線討論版塊，幫助學生了解網絡技術領域最新發展動態。

4 教學效果

教學團隊在實施上述計算機網絡課程教學改革措施的過程中，獲得了學生和同行的一致好評。學生表示，計算機網絡課程“讓同學們了解最新的技術與存在的問題”“提高大家對這門課的興趣”“安排的十分有條理，清晰妥當”“每節課教授的知識量合適”“銜接很好，同時會帶學生總覽本節課的學習任務，條理清晰，課下設置合適的作業、小測和討論等幫助學生及時鞏固知識”“拓展版塊提供給學生一些學習方向，深入理解計算機網絡”“這門課讓人受益匪淺”。

5 結語

隨著網絡技術不斷飛速發展，與時俱進的計算機網絡課程教學內容體系和教學方法對新工科項目建設過程中培養卓越人才具有重要意義。在計算機網絡課程改革的道路上，強調課程內容的前沿性、實踐的創新性、評價的完善性是激發學生的學習熱情和動力的有效手段。