新工科背景下計算機網絡課程實驗教學體系的研究

摘? 要：培養具有知識和能力的高素質人才是當前高校人才培養的目標，實驗模式的創新對于創新人才知識（學科基礎知識、專業教育知識）和能力（分析問題能力、解決工程問題能力、研究探索能力等）的培養具有重要的指導作用，而實驗模式中的實驗教學水平直接決定了學生專業核心能力的培養質量，并對今后學科專業學習以及發展均具有舉足輕重的作用和影響。為了探索計算機網絡實驗模式和實驗教學體系，構建了基于O2O（Online To Offline）計算機網絡課程實驗教學體系。文章針對計算機科學與技術專業的計算機網絡課程實驗教學內容陳舊和形式單一的現狀，以及傳統實驗教學中存在的普遍性問題，結合計算機網絡課程的特點，探討了工程教育認證和新工科背景下計算機網絡課程實驗教學體系，提出了基于O2O的計算機網絡課程實驗教學實踐體系。基于O2O的計算機網絡課程實驗教學模式改變了傳統以演示性、驗證性實驗為主的弊端，擴大了實驗教學的空間和時間，全面展示學生的個性化，對于培養學生的創新意識，激發學生的主動性和創造性具有指導意義。通過對三屆本科生計算機網絡課程實驗教學實踐，取得了良好效果，為計算機網絡課程實驗教學提供了參考和借鑒。

關鍵詞：計算機網絡;實驗教學;新工科;工程教育專業認證

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）32-0101-04

Abstract： Cultivating high-quality talents with knowledge and ability is the current goal of talent cultivation in universities. The innovation of experimental mode plays an important guiding role in the cultivation of innovative talents' knowledge（basic knowledge of disciplines， professional education knowledge） and ability（ability to analyze problems， ability to solve engineering problems， ability to research and explore， etc.）， and the experimental teaching level in the experimental mode directly determines the quality of experimental teaching. The cultivation quality of students' professional core competence plays an important role in the future study and development of the discipline. In order to explore the experimental mode and teaching system of computer network， the experimental teaching system of computer network based on O2O（online to offline） is constructed. In view of the current situation of obsolete content and single form of computer network experiment teaching in computer science and technology specialty and the common problems existing in traditional experiment teaching， this paper discusses the computer network experiment teaching system under the background of engineering education certification and new engineering， and puts forward the computer network experiment teaching system based on O2O teaching practice system. The computer network experimental teaching mode based on O2O has changed the disadvantages of traditional demonstration and verification experiments， expanded the space and time of experimental teaching， and comprehensively displayed the students' individuality， which has guiding significance for cultivating students' innovative consciousness and stimulating students' initiative and creativity. Through the three sessions of undergraduate computer network experimental teaching practice， good results have been achieved， which provides a reference for computer network experimental teaching.

Keywords： computer network; experimental teaching; new engineering; engineering education and professional certification

我國的經濟建設正步入以工業互聯網為基礎的企業數字化轉型快車道，創新復合型人才的培養已經成為高校人才培養的重中之重，隨著互聯網的高速發展，互聯網與傳統教育的結合形態越來越多樣。隨著以5G、物聯網、云計算、大數據等新興技術為代表的新一代信息通信技術的快速迭代發展，感知-通信-計算一體化及協同融合創新發展是新一代信息通信技術發展的必然趨勢。計算機網絡是計算機技術、通信技術緊密結合并不斷發展的產物，伴隨著物聯網、云計算以及大數據的發展，信息技術能力培養的生態環境也發生著重大的變革，針對計算機網絡是一門理論性、系統性和實踐性很強的課程特點，文獻[1]把O2O模式用于高校網絡育人工作中，多年來許多學者對計算機網絡課程及其實驗教學體系進行了探索。文獻[2]就新工科背景下計算機網絡實驗教學模式進行了探索。文獻[3]就在線開放課程建設實踐用于地方高校，取得了良好效果。文獻[4]對本科生計算機網絡課程的教學內容的改革進行了探索。文獻[5]針對 “互聯網+”背景下的計算機網絡課程改革進行了思考和實踐。文獻[6]對計算機網絡課程實驗教學改革與實踐，特別是線上教學模式進行了設計和實現。文獻[7]和文獻[8]的作者經過對計算機網絡課程教學多年實踐進行了深入思考。計算機網絡課程實驗教學是計算機網絡課程的一個重要組成部分。由于計算機網絡技術更新快、理論體系復雜，如何進行實驗教學改革是網絡實驗教學面臨的新問題。

如何更好地設計計算機網絡課程實驗教學體系以清晰表達計算機網絡技術最基本的工作原理以及研究問題的基本方法，以面對不斷變化的新技術，針對本科生知識結構，如何創新計算機網絡課程實驗教學體系模式以滿足計算機網絡人才和產業對創新意識、實踐能力的需求？這些問題正是作者思考的出發點，也是作者研究的動機。

為了突出學生在計算機網絡課程教學體系中創新能力尤其是動手實踐能力的培養，通過有目的、有系統地創新實踐教學環節，使學生樹立創新意識，開發創新思維，掌握創新技能方法，從而提高學生創新素質。本文結合計算機網絡課程的特點以及工程教育認證和新工科建設新要求，提出了基于O2O（Online To Offline）的計算機網絡課程實驗教學體系的創新模式改革，構建了O2O計算機網絡課程實驗教學體系，基于O2O（Online To Offline）的計算機網絡課程實驗教學體系是計算機網絡課程實驗教學模式的一個嘗試性的探索，是實驗教學領域的一次創新。將傳統計算機網絡課程實驗教學內容整合劃分為線上、線下兩個部分，構建一個O2O的開放性的實驗教學體系，在虛擬化和其他信息技術手段的應用下，使實驗教學、學習活動在線上和線下得以充分展開，線下成為線上教學活動的輔助手段和有力補充。通過O2O的開放性的實驗教學實驗平臺，學生的實踐操作將不受時間和空間的限制，學生可以自己選擇合適的時間完成實驗，極大地提高了實驗室網絡設備的利用率，使實驗教學體系更貼近教學實際，達到比較好的教學效果。

一、構建基于O2O的計算機網絡課程實驗教學體系的基本思路

就目前國內計算機網絡課程實驗教學現狀來看，大多數高校由于網絡實驗室實驗設備數量以及使用時間和空間限制很難滿足學生對計算機網絡課程實驗需求，導致大多數學生實際動手操作和網絡實踐能力弱，更談不上創新意識的培養。因此，創新計算機網課程實驗教學模式對于培養學生的實踐能力和解決問題能力是至關重要的。

根據計算機專業本科生培養計劃和目標，我們將“系統能力”和“解決復雜問題能力”明確為計算機專業本科生的專業核心能力，并始終是本科教學建設的重心所在。而專業核心能力培養對應課程體系均包含了大量實驗，其實驗教學水平直接決定了學生專業核心能力的培養質量，并對今后專業學習以及發展均具有舉足輕重的作用和影響。

針對實驗教學的問題，對照工程認證和新工科建設的目標，提出了基于O2O的計算機網絡課程實驗教學體系構建的研究目標、基本思路和教學理念，從平臺、實驗、質量等方面系統性地構造了線上線下實驗教學體系，在計算機網絡課程實驗教學中進行了以學生為中心的新模式探索，取得了顯著成果。

二、基于O2O的計算機網絡課程實驗教學體系構架和實踐

（一）傳統實驗模式的普遍性問題

當前線上教育主要聚集在計算機網絡課程基本理論知識，計算機網絡課程實驗教學線上資源嚴重匱乏，尤其缺乏研究類、創新類和實驗類在線實驗;同時，受實驗設備及管理的時限制約，傳統實驗模式下學生做計算機網絡課程實驗缺乏靈活性和時間保障;傳統實驗模式由于缺乏學生實驗過程數據，一方面難以精準定位學生學習難點，另一方面難以實現早期過程控制，質量控制粗糙。

（二）基于O2O的計算機網絡課程實驗教學體系構架

基于O2O計算機網絡課程實驗教學體系實驗平臺由線下實驗環境（10個實驗柜，4臺實驗主機組成。每個實驗柜中由2個路由器和2臺交換機以及轉接RJ45插線槽組成），為完成驗證網絡基本理論、網絡設備配置、設備組網、網絡管理實驗，將路由器、交換機、PC機等設備組成一組進行實驗。整個實驗室由實驗臺構成，如圖1所示。每個實驗臺就是一個教學模塊。可將做實驗的學生分為多組，一組一個實驗臺，學生在一個實驗臺內協作配合完成網絡實驗。

線上實驗管理平臺組成，如圖2所示。

線上實驗管理平臺實現整個實驗過程的虛擬化、網絡化、在線化、智能化，即實現了以下功能：

1. 通過云虛擬化技術，將真實的路由器和交換機部署到網上，實現“7*24”預約服務。由于在線實驗平臺將所有的實驗資源均封裝在實驗云中，突破了傳統實驗模式的時空限制，學生能夠隨時、隨地通過互聯網進行在線實驗，實驗結果能快速反饋給學生。

2. 良好的實驗環境體驗，實現了從課程管理、用戶管理到設備管理一體化，提高了設備使用效率和學生網絡實驗的積極性。

3. 增設創新型實驗和研究型實驗，進一步提高學生實驗的主動性及創造性，激發學生科研實踐的興趣，培養學生的創新科研能力。

（三）基于O2O的計算機網絡課程實驗教學體系內容設計

針對實驗教學的問題，在計算機網絡的實驗教學中進行了以學生為中心新模式的探索。其實驗教學體系內容設計的基本指導思想如下：

1. O2O的融合實驗教學模式：根據“計算機網絡”實驗教學的特點，我們采用了線下實踐和線上實驗融合實驗教學模式，其教學體系內容設計如圖3所示。線下在實驗室可以操作設備，也可以組網實驗;在線上教學環節學生可以在任何時間、任何地點進行實驗。

2. “7*24”個性化服務實驗教學模式：培養學生有疑問不僅可以問老師，還可以通過關注微信群提出問題，每個學生既是問題的提問者，也是解決問題者。鼓勵學生針對學習中碰到的問題，設計實驗并進行驗證分析，如果自己不能設計完成實驗，學生還可以發起實驗眾籌，組成實驗小組，設計實驗并進行驗證分析。

3. 創新型實驗和研究型實驗為學生樹立創新意識，開發創新思維，掌握創新技能方法提供良好訓練支撐。

三、優化教學內容

在構建實驗教學體系的同時，作為計算機科學與技術專業的核心課程，計算機網絡課程實驗教學內容的優化，是實踐教學改革的基礎和前提。我們采用了“自底向上”包括五層，即物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層，最后增加了網絡安全內容。同時，我們不斷跟蹤先進技術，以適應計算機網絡新技術、新概念、新應用不斷涌現、快速發展的特點，將新技術與現有內容充分融合，為此，必須不斷修訂實驗教學大綱和充實新的教學內容。經過多年的修改和優化，計算機網絡課程實驗教學主要內容如表1所示。

提高學生理解計算機網絡課程理論知識和鍛煉實踐動手能力是開設計算機網絡課程實驗課的主要目的。因此，設計實驗時，在內容選擇與難度把握方面應緊緊圍繞這個目標，讓各個層次的學生均得到提高。此外，實驗課的組織管理也很重要，應采取合適的方法，調動學生的積極性，激發他們的思維潛能。計算機網絡的發展是持續不斷的，計算機網絡課程實驗教學的手段和方法也必須隨之發展。

創新實驗和一般實驗不同，創新實驗探索的是未知，創新實驗的過程需要學生自己設計， 創新實驗的過程中，學生通過自己對問題的思考和解決問題的能力完成實驗。

四、結束語

計算機網絡課程是一門理論和實踐結合十分緊密的課程，計算機網絡課程實驗教學具有十分重要的地位，基于O2O的計算機網絡課程體系化、交叉融合的實驗教學模式對提高教學質量的探索具有重要意義。只有不斷研究探索計算機網絡課程實驗教學環節，不斷創新，才會對培養應用型和創新型人才具有重要的現實意義。通過O2O的計算機網絡課程實驗教學體系實踐發現學生思維更加活躍，對計算機網絡的基礎理論掌握更加熟練，全面展示了學生個性化，激發了學生的主動性和創造性，達到比較好的教學效果。

下一步，我們按照計算機網絡課程實驗教學層次型體系，并為每個層次的實驗教學提出并設計了相應的實驗教學內容， 我們將完善實踐教學內容，重點培養學生的開發能力和綜合實踐能力，為計算機網絡課程實驗教學的研究和發展提供相應的參考方案。

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