“四位一體”的計算機網絡課程教學改革與實踐

楊敬民 陳添丁 張文杰 魏志森

摘? 要：計算機網絡是計算機學科基礎及必修課程，持續提升教學質量有著重要的意義。以教學質量國家標準為框架，面向工程教育專業認證，結合學校應用型人才辦學定位，分析閩南師范大學計算機網絡課程教學的現狀與問題。以問題為導向，設計“四位一體”綜合改革模型，從教學方法、教師發展、資源保障及持續改進四個方面綜合進行教學改革與實踐。教學質量評估數據顯示，反饋的問題大部分解決或緩解，改進效果比較明顯。其中，學生評教對創客教育和開放實驗室評價最高，同行評教對創客教育和教師發展評價最高。

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）09-0134-06

Abstract： Computer Network is the basic and compulsory course of computer science. It is of great significance to continuously improve the quality of teaching. Based on the framework of national standards of teaching quality， this study is oriented to the certification of engineering education and combines the orientation of applied talents. This paper analyzes the current situation and problems of computer network course teaching in Minnan Normal University. This research is problem-oriented and designs a "four-in-one" comprehensive reform model to comprehensively carry out teaching reform and practice from four aspects： teaching methods， teacher development， resource security and continuous improvement. The teaching quality evaluation data show that most of the feedback problems are solved or alleviated， and the improvement effect is obvious. Chuangke education and open laboratory were rated the highest by students， while Chuangke education and teacher development were rated the highest by peer teachers.

Keywords： applied talents; connotation construction; engineering education certification; teaching quality standard; teaching reform

“十二五”期間，為健全計算機專業教育質量保障體系，教育部高等教育司組織高等學校計算機類專業教學指導委員會制定了《高等學校計算機類專業教學質量國家標準》（以下簡稱《質量標準》），主要目的是通過標準化來規范專業人才培養的質量要求[1]。《質量標準》以學生發展為出發點，堅持“目標導向、產出導向、能力導向、需求導向”，持續改進人才培養質量，服務經濟與社會發展需要，引導專業教學改革[2]。

2016年我國正式成為《華盛頓協議》的第18個成員，成員之間互認工程教育本科學位。工程教育專業認證圍繞培養目標和畢業要求，按照國際等效的認證標準開展認證工作，強調三個基本核心理念：以學生為中心、成果導向、持續改進[3]。通過認證專業的畢業生，工程教育和從業資格被其他協議成員所認可，這對提升我國工程教育質量，增強工程教育人才培養對產業發展的適應性，促進中國工程教育的國際互認，提升我國工程技術人才的國際競爭力有重大意義。2017年11月，中國工程教育專業認證協會發布了《中國工程教育認證標準（修訂版）》（以下簡稱《認證標準》），對課程教學改革也提出了相應的要求[4]。

閩南師范大學地處福建省21世紀“海上絲綢之路”核心區，海峽西岸經濟區。作為一所地方本科院校，學校以服務國家及福建省對人才需求為導向，培養福建海峽藍色經濟試驗區所需的高素質應用型管理人才。計算機網絡是網絡工程、物聯網工程及相關專業的計算機學科基礎及必修課程，是一門集計算機技術與通信技術、軟件與硬件、理論與實踐結合非常緊密的專業核心課程。課程學習效果直接影響該專業方向后續相關課程的學習。實踐教學在工科教育中占有重要地位，是培養學生工程能力的主要途徑，同時也是理論聯系實際、培養學生實踐技能和問題解決能力的重要方法。在實踐過程中，學生的學習能力、溝通表達能力和協同合作能力也會得到快速的提升。以計算機網絡課程進行教學改革探索具有十分重要的意義。

本文組織結構如下：文章的第一部分以《質量標準》和《認證標準》為理論指導，結合閩南師范大學辦學定位，采用學生問卷調查、企業專家訪談、同行評議、任課教師自查等調查方法，梳理課程現狀，分析問題。文章的第二部分以問題為導向，首先制定教改指導原則。其次，設計了“四位一體”綜合改革模型，即從教學方法、教師發展、資源保障及持續改進四個方面進行綜合教學改革和實踐，針對性解決問題。最后，通過教學質量評估數據評估改進效果。文章的第三部分總結全文，指出下一步的研究方向。

一、相關工作與問題分析

（一）相關工作

由于計算機網絡課程在計算機類課程體系中處于基礎性專業課程的地位，不同高校根據各自的辦學特色和人才培養目標，針對該課程開展了多種形式的教學改革和探索，產出較多創新的教學模式，提升了教學質量。比較有代表性的包括中國農業大學的趙明[5]提出的研究性教學，通過把科研成果、方法和思想（包括專業文獻閱讀）融于整個教學過程中，把培養學生的創新和實踐能力作為教育改革的主要目標。四川大學的陳黎等[6]在實驗課程中增加綜合實驗內容，設計了綜合性實驗大綱，更好地提高學生創新能力和創新意識，激發學生實驗興趣。杭州電子科技大學的蔡文郁等[7]提出的啟發式實驗仿真教學，采用開源NS-3仿真軟件，設計啟發式實驗案例，讓學生對網絡通信協議有直觀深入的理解，進而提高教學效果。武漢大學的林海等[8]引入互動式教學，針對中國學生在互動式教學中積極性不高的特點，強調了強制性參與是必要的手段。進一步地，通過對上述文獻的分析，我們發現目前的課程教學改革更聚焦于具體教學模式的改進，鮮見有綜合性改革的探索與實踐。因此，本文首先通過調研明確問題，然后以問題導向，根據《質量標準》《認證標準》和學校辦學定位，確立教改指導原則，接著設計包括“教學方法，教學條件，資源保障，持續改進”四個方面在內的“四位一體”課程綜合改革模型，并積極進行改革實踐。同時，以產出量化指標評估效果并持續改進。

（二）問題分析

閩南師范大學計算機學院有網絡工程、物聯網工程、計算機科學與技術、軟件工程、數據科學與大數據技術五個專業，四個年級本科生共計1 826人，計算機網絡是上述五個專業的基礎必修課程。通過學生問卷調查、企業專家訪談、同行評議、任課教師自查等形式，我們對閩南師范大學網絡工程專業計算機網絡課程的教學過程進行問題收集、分析和歸類。在問卷調查的權重設計中，根據以學生為本和結果導向的原則，按照學生問卷調查（30%），企業專家訪談（30%），同行評議（25%），任課教師自查（15%）的比例設置問題權重，最后形成問題匯總表，見表1。

表1表明，按問題分類總得分降序排列，問題主要集中在四個方面，分別是教學方法、教學條件與資源保障、課程考核及評價和持續改進。具體而言：

1. 傳統教學方法對培養目標的適應性較差。問題又可細分為理論教學、實踐教學、課外學習三方面。在理論教學中，主要采用“傳遞-接受”模式。該教學模式源于赫爾巴特的四段教學法，老師以講授多媒體課件為主，輔助黑板板書，學生單向接收信息。該教學模式不利于培養學生創新思維和解決實際問題的能力。第一，教師課堂講授的案例，主要以理論計算為主，缺少計算機網絡工程應用案例，學生普遍反映不知如何將理論應用于實際，存在“工科教學理科化”傾向。在實踐教學環節，原理驗證實驗居多，缺少培養工程能力的應用型實驗，缺少工程應用場景的真實感、綜合性技能實踐和創新性實踐。第二，實踐教學主要采取單人單機實驗模式，缺少團隊的協同學習，不利于實際工程項目中所需的溝通協調能力和團隊合作能力的培養。第三，實踐教學按“原理講解-實驗驗證-教師指導”的傳統模式開展，學生被動接受，往往出現學生理論掌握不牢，實驗進展緩慢甚至做不完，教師疲于講解指導的情況，效率較低。在課外學習中，沒有針對性的面向實際工程設計學習環節，學生處于放養狀態，忽視了學生學習能力的培養。

2. 課程教學對專業人才培養目標和標準支撐不足。設計并建立課程對人才培養目標和標準的映射矩陣，通過映射矩陣可以直觀地看到課程采用的教學模式、教學設施與教學條件對標準的覆蓋情況，為后續的教學質量評估和持續改進提供完整視圖，該映射矩陣恰恰缺失。其次閩南師范大學工科專業基礎相對比較薄弱，網絡工程、物聯網工程和數據科學與大數據技術都是近年來新開的專業，男女生源比例接近4∶6，福建生源是本一批招生，省外則為本二批，生源特點也是需要重點考慮的因素。

3. 課程考核及評價體系單一。目前課程考核主要是對學生學習成果的檢查，由期末考試成績（70%），實驗成績（15%）和平時表現成績（15%）三部分組成。其中期末考試成績采取閉卷百分制考試形式，實驗成績由書面實驗報告和實驗過程評價組成，平時表現成績由作業、課堂表現組成。學生提交的作業（理論和實驗）由教師手工批改評定分數等級，由于學生多，實驗課程緊，學生的實驗過程無法做到全程跟蹤，缺乏及時、客觀的評價和反饋。在成績評定上以結果性評價為主，不重視過程性評價，考核結果不能全面、真實地反映學生的學習情況。另外任課教師自評屬于可選，容易流于形式。

4. 教學條件和資源保障不足。專任教師大學畢業即入校從事教學工作，科研也是以理論研究為主，缺少實際網絡工程項目經驗。隨著招生規模的擴大，基礎網絡實驗室面積嚴重不足。實驗主要是個人電腦運行虛擬機和應用軟件進行的單人單機仿真實驗，計算機網絡技術發展迅速，學生培養定位于園區網和企業網等中大型商業網絡技術管理人才，缺失該場景下數據中心交換機，無線接入控制器、應用層網關等開展工程實踐的儀器設備。

5. 課程持續改進的機制需要進一步加強。目前的課程改進機制主要包括校院二級教學督導隨機聽課，期末試卷分析。還未完全建立基于學生的“教學目標-教學過程-學習產出-教學目標”的閉環機制。

二、課程教學改革與實踐

（一）指導原則

1. 明確目標。明確課程教學的三個面向“面向培養目標，面向畢業要求，面向辦學定位”。將三個面向的內容分解成可以落實到課程的對應內容，按照知識、能力和素質模型建立映射矩陣，明確課程教學的針對性和對三個面向的支持力度。

2. 科學施教。原則上，教學改革探索的新方法需要有成熟的教育理論作為支撐和有成功案例可以參照，并結合自身實際優化，保障教學改革的有效性和切實提升教學質量。在此基礎上，凝練教研室長期教學實踐經驗和技術優勢，在信息化教學做出特色。

3. 問題導向。堅持通過調查分析得到問題，區分問題的普遍性和嚴重性，抓住影響全局的核心問題，靶向治理，通過量化指標客觀反映教改效果。

基于上述指導原則，對計算機網絡課程中存在的問題，我們從教學方法，教學條件，資源保障和持續改進四個方向進行了綜合課程教學改革，設計了“四位一體”的課程教學綜合改革模型，如圖1所示。

（二）教學方法

1. 以能力為導向的理論教學模式

“三位一體”是比較成熟的理論教學模式，有大量的成功案例[9]。網絡工程教研室根據學生情況和多年的教學實踐，凝練計算機網絡課程每個章節的教學目標和要掌握的知識點，設計問題，以關鍵問題為導向，實施啟發式教學，引導學生發現問題，分析問題和解決問題。關注學生學習能力、創新能力、溝通表達能力與團隊合作能力的綜合提升，并開發了支撐上述業務的信息化系統，主要包括在線問卷調查系統、教務管理系統和網絡教學與實驗平臺。問題的來源有三類，第一類是理論問題，主要來源于本學科的理論教學，新增加從教師的科研項目中凝練的問題;第二類是工程實踐問題，主要來源于校企合作企業的工程項目，部分來源于教師橫向課題的工程實踐;第三類是學生提出的問題，鼓勵學生參加教師的科研項目。

2. 以產出為導向的創客教育模式

創客教育源于2009年美國的“創客教育計劃”，是近年來新興的教育模式，強調“基于創造的學習”，創客教育以成果產出為導向，主要目的是培養具有創新意識、創新思維和創新能力的應用型人才[10]。在實踐中，教研室將計算機網絡課程的知識點與教師在軟件定義網絡、云計算、認知無線電、數據挖掘等方向的理論研究和應用研究課題相融合，形成綜合型學習主題群，由學生組成的創客學習小組承接，并通過成果進行效果檢驗。一般將15%理論教學和80%課外學習的課時用于創客教育。創客學習小組針對本小組的綜合型實驗課題，自主設計，依托實驗室設備進行實驗驗證。在作品展示環節，先進行限時的課堂作品演示和匯報，然后通過學生提問，教師點評等互動環節，選拔出優秀作品。作品改進后，參與學科競賽，教師課題實踐等，最后將成果導入成果庫，作為下一學期的參考素材。

在教學實踐中，學生作為學習個體，會涉及到理論與實踐的協同，課內與課外學習的協同，個人學習與團隊學習的協同。個體的差異會影響學習進度和學習效果，教師需要及時跟進，發現問題并及時解決，信息化系統的應用可以快速提升效率。通過教學管理系統和問卷調查系統，收集和分析學習過程的數據，及時發現學生在某個知識模塊學習存在的問題，通過推送電子化案例，現場輔導，課堂點評等形式，開展有針對性的指導。通過教學與實驗系統，在校園網范圍內，7×24小時開放實驗室，學生通過校園網預約實驗時間，輸入用戶名和密碼即可做實驗，通過實驗驗證腳本自動檢驗實驗結果，實驗配置參考幫助學生快速掌握實踐技能。

（三）教師發展

建設有專業特色、高素質的“雙師型”師資隊伍是提升教育質量的重要保障，在實踐中，除了重視現有專業教師的培養和繼續教育， 提高教師自身的專業理論水平和專業實踐能力外，也需要注重教師的人文關懷，激發教師的事業熱情。首先通過人才引進政策，引入具有豐富網絡設備研發經驗和IT項目管理經驗的企業高級工程師，負責實驗室建設和工程實踐環節，加強教研室工程應用能力。其次鼓勵教師積極申報教育部產學合作協同育人項目和省校兩級教學改革項目，并在職稱量化評分、教學獎勵給予傾斜。第三，課程教學改革有大量的隱性工作，比如自研信息化業務系統，制作教學案例等，將這部分隱性工作量化折算為工作量，以精神鼓勵為主，輔以適當的物質獎勵，讓教師獲得認可與尊重。第四，鼓勵教師參加與教學專業相關的資格認證和能力水平考試，參加網絡設備廠商工程師考證，比如思科的網絡工程師，華為的網絡工程師認證培訓與考試等。參加培訓和考證的費用，由教師發展專項經費給予支持。通過上述的措施，激發教研室教師的工作熱情，積極參與教改與工程實踐，提升教學理論水平和工程實踐能力。

（四）資源保障

1. 實驗室建設

首先是參照網絡工程師職業資格要求，加強網絡專業核心課程間關聯度建設，整合實驗室資源，構建“基礎網絡實驗室-專業網絡實驗室”二級模式，打通基礎能力培養和專業能力培養通道，實現與企業工程環境的對接。學院在2016年對基礎網絡實驗室進行設備升級和擴容，2017年建設移動通信網絡實驗室，主要用于進行企業網、校園網等中大型商業網絡工程實踐。2018年建設軟件定義網絡實驗室，2019年建設工業控制系統安全聯合實驗室。其次是改革實驗室管理制度，實行學院實驗室管理辦公室和專任教師雙線管理，給予專任教師更多使用實驗室自主權，并采用學生培養質量，教學成果，科研成果等對專任教師進行量化考核，成果導向以規范實驗室的使用和產出。

2. 教學資源庫

教學資源庫是課程教學能順利進行的基礎保障，教學資源庫的建設水平，對教育目標的達成有很大的影響。從狹義的角度，教學資源庫主要包括硬件資源和軟件資源，從廣義的角度看，還包括社會助學資源。硬件資源庫主要包括實驗室場地和實驗設備，軟件資源主要包括問題庫、案例庫、微課視頻、應用軟件、仿真軟件、教材等。應用型本科學生培養目標是面向社會需求，動員社會助學力量，比如校友、用人單位、網絡設備廠商等，聘請企業工程師做兼職教師，共建實踐教學基地等。

3. 教改經費

從目前的實踐，教改經費主要來源于三大類，第一類是校院兩級的教學專項經費，提前做好預算和申報，積極向教務處申請經費支持。第二類是教師的科研課題經費，主要是縱向科研經費和企業橫向開發課題經費。第三類是社會助學資源提供的經費，比如合作企業漳州科能集團設立的教育資助經費。

4. 信息化系統

利用信息技術創新教學的模式與方法，是加快推動信息技術與教育教學深度融合的重要途徑。在課程教學改革中，我們借助教研室的技術優勢，開發了問卷調查系統和教務管理系統，增加了教師、學生、同行三級評教功能。通過評教指標的設計，收集評教數據，并給出數據統計和分析。在引入商用實驗系統的基礎上，二次開發了網絡教學與實驗平臺，增加了實驗室網上預約，個人/小組學習空間，實驗結果自動化檢測等三大功能。學生通過網上預約子功能，即可預約實驗室機位，我們將客戶端接入的IP地址限制為校園網范圍，學生在宿舍和教師通過校園網即可訪問。在實踐中，教師根據學校相關管理規定，限制接入區域和接入時段。個人/小組學習空間存放項目的電子化文檔，網絡拓撲，配置文件等資料，方便學生或創客學習小組的持續學習。實驗結果自動化檢測采用JavaScript開發了結果檢測腳本和參考配置文件匹配腳本，學生做完實驗配置后，即運行結果檢測腳本，檢測腳本給出檢測結果。學生也可以運行參考配置文件匹配腳本，通過對比發現差異，進一步修正實踐操作。

（五）持續改進

教學評價是教學質量管理的重要內容，構建科學、合理的教學評價指標體系，對教師理論教學和工程實踐進行客觀、公正的評價，對幫助學生學習、促進教師職業發展具有重要意義[11]。為了更合理的評價，我們構建了由學生、教師、同行構成的三級評價體系。重點突出理論教學的學術性、教學過程的互動性、工程實踐的真實性、關注學生的成長性、重視評價指標的導向性。學生和教師還有同級評價，比如創客教育，既有教師的日常考核和創客學習小組日常表現的相互評價，又有學生的自我評價;針對創客學習小組綜合實訓項目作品，既有教師對作品的評價和小組對作品的自我評價，又有小組之間對作品的相互評價。

在教師對學生的指導與評價中，工程倫理[12]是需要重點關注的內容。通過工程倫理認證標準的教育，使學生具備良好的倫理價值觀，樹立正確的工程倫理意識，在未來的工程實踐活動中自覺地、按照認證標準去規范自身的倫理行為，預防各種倫理問題的發生具有重要的意義。通過工程項目實踐，強調工程實踐活動中各角色需要擔負的責任，培養學生社會倫理責任實踐能力。

（六）實施效果

計算機網絡課程教學改革探索從2016年下半年開始，經歷3個學年，在2020年，根據校院兩級的評教數據，學生對任課教師的教學總體評價平均分均達到98.2，比之前的評價均分89.6提升了8.6，位于所在專業群的5%。同行評教的平均分也達到96.7，比之前的評價均分90.3提升了6.4，位于所在專業群的10%。在評教子項指標中，學生對創客教育和開放實驗室評價最高，分別為99.8和98.2。同行評教對創客教育和教師發展評教最高，分別為98.5和97.3。

三、結束語

本文以《質量標準》和《認證標準》為指導框架，根據學校辦學定位，以問題為導向，從教學方法、教師發展、資源保障和持續改進等四個方面進行了綜合教學改革與實踐，在實際教學中取得了良好的效果。后續工作，計劃從以下三個方面繼續提升理論水平和深化實踐能力[1]：第一是在教學實驗平臺中引入虛擬現實和增強現實技術，探索教學與工程環境的虛實結合、理論與工程開發過程的全景沉浸，進一步提升學習體驗和效率，促進深度學習。

第二是采用大數據學習分析技術，收集教學過程各類數據，建立分析模型，提供精準的學習診斷，實現對學習效果和學習情境的優化。第三是研究創客教育與發展創客空間，進一步孕育和培養有特色的創客文化，探索創新創業教育新模式。

參考文獻：

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