計算機網絡課程教學改革思路及實踐

張明軍

[摘 要]計算機網絡是網絡工程專業的一門重要專業基礎課程。針對該專業人才培養方案中培養應用型人才的目標以及計算機網絡課程目前學與學的情況，文章分析了本課程存在的問題及其產生的原因，提出了從教學內容、教學方法以及教學模式等方面進行教學改革的思路，并對部分改革進行了實踐。經過實踐可知，本課程的教學改革是可行的，能夠改善教學效果。

[關鍵詞]計算機網絡;教學改革;實踐;應用性

[中圖分類號] TP391 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）04-0127-04

計算機網絡是將計算機技術與通信技術相互滲透、密切結合而形成的一門交叉學科[1-2]，是我院網絡工程專業、信息管理與信息系統專業的必修課程。一般認為，該課程是網絡工程專業的專業基礎課程，是信息管理與信息系統專業的專業課程。

計算機網絡是一個非常復雜的系統，科學家們利用模塊化思想來解決這個系統的復雜問題，提出了兩類不同的模塊構建模型：一類是ISO/OSI模型，另一類是TCP/IP模型。兩種模型各有局限性，在當前的教學中，通常綜合這兩種模型，分成五個模塊，稱為五層模型[2]，從上至下分別是：應用層、運輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。從文獻[3-5]的調研情況來看，國內外高校教師在講解計算機網絡時，通常采用兩種講授方法：一種是從下到上（通常稱為自底向上）的講解，即從物理層講起，層層向上，最終講到應用層。這種講授方法合乎人們思維和理解的習慣。下層是基礎，上層在下層的基礎上構建相應功能。因此，先講基礎性的知識，再講上層建筑，可以使學生在認知上產生層層遞進的清晰感。另一種講授方法則是從上到下（稱之為自頂向下）的講解。這種講授方法是一種由表及里的方法，先講應用，再講理論，符合認知心理學，即一般來說，人的認識過程，往往是從感性認識到理性認識。這種講授方法從現象入手（先有感性認識），再引導學生“透過現象看本質”，使學習者容易接受。

綜合文獻數據與教材[2，6-8]的情況來看，國內的講授方法主要采取的是第一種講法。廣州大學華軟軟件學院（以下簡稱我院）自開設該課程以來，也一直采用從下到上的講授方法，從人才培養方案中“培養應用型人才”的定位出發，要求學生對計算機網絡理論知識的學習達到“了解”“理解”和“掌握”三個層次，同時對學生實踐應用能力的要求也比較高。因此，本課程的配置為大課（理論課）和小課（實驗課），課時比為1[∶]1。

利用分層模型來講解計算機網絡的知識點，無論是從上到下的講授方法，還是從下到上的講授方法，都有以下幾個共同的特點：

第一，各層之內，知識點耦合度高;各層之間，知識點關聯度低。知識點的這種分布特點，必然導致單獨講授每層時，由于知識點密集、原理性強，學生感到很抽象難懂;而各層之間，因為知識點的關聯度低，顯得各層的“獨立性”比較強，給學生的感覺是結構松散、知識點分散。

第二，每層要解決的問題和涉及的知識領域有顯著的不同。物理層、數據鏈路層側重于硬件，涉及物理、電子、信號等學科的知識;網絡層、運輸層、應用層則偏重軟件，涉及數據結構、算法等學科的知識。因此，要學好計算機網絡這門課，學生儲備的知識必須既有廣度又有深度。廣度，是指知識面要廣，因為這門課程涉及很多學科的知識，學生一旦不熟悉某些學科的知識，就很難學好這門課;深度，是指學生在這些相關學科知識的掌握上要學得比較扎實。因此，如果在課程所涉及的學科領域中存在某個或某些弱項學科，學生學習這門課程時就會感到困難。

第三，總的來說，該課程的所有知識點都比較抽象。以我院學生的素質，大部分學生很難理解過于抽象的理論。這是他們學習能力中明顯的弱項。因此，課程抽象性的特點，也使很多學生產生畏難情緒。

一、存在的問題

（一）期末考試成績不理想

基于計算機網絡課程的上述特點，該課程是學生公認的高難度課程。歷屆學生對該課程的反饋也是如此。我們對2020學年學習該課程的451名學生進行了調查，收回有效樣本368份。有29.9%的學生認為課程“非常難”，66.3%的學生認為“有點難度”。由此可見，學生在學習該課程時，確實存在很大的困難。能夠直接反映這種學習困難的，就是學生期末考試成績很不理想。我們統計了該課程近5年的期末考試成績，如表1所示。

多年來，我院系部也特別重視這個問題，為了排除教師的原因，抽調了經驗豐富的教師團隊，也采取了各種教師搭配和教學形式，考試的結果仍然是大多數學生不及格。因此，可以認為導致這種結果的主要原因并非教師。

（二）理論與實驗不同步

根據人才培養方案的定位和要求，計算機網絡課程的實驗主要設計為“應用性實驗”，而計算機網絡底層理論難以設計出合適的應用實驗，網絡高層的知識應用卻比較多。因此，自底向上的課程內容安排，必然導致前幾周沒有與理論相對應的實驗可做，而后續則有大量的應用實驗。一直以來的做法是把后面的應用性實驗往前安排，這會出現理論知識尚未講解，相應的實驗卻已經完成的情況。這種理論與實驗不同步的情況，必然導致學生完成實驗卻不懂實驗原理，無法分析和理解實驗現象與數據，更不可能理解這些知識“為何用”“何時用”，培養學生通過實驗能舉一反三的目的顯然無法達到，實驗教學的有效性大打折扣。

（三）課程教學團隊不穩定

計算機網絡課程是兩個專業的必修課程，學生人數較多，一位教師無法完成該門課程的全部教學工作。多年來，該課程的教學工作一直由多位教師擔任。該課程開課10多年來，課程負責人已更換數人，課程教學團隊成員幾乎年年都在調整。課程教學團隊不穩定，難以形成教學的共識和默契。眾所周知，即使是講授同一門課程的教師，在認知水平、講授方法、問題視角等方面也一定存在差異，所以對課程的教學組織、教學內容等方面的認知，也必然會有差異，甚至有比較大的分歧。僅靠少數幾次集體備課和教研會議，根本無法對這門課程的教學形成共識和默契。例如，網絡子網編址是一個非常重要的知識點，由于課時的限制，一般安排大課對子網編址的概念和原理進行講解，由于其復雜性，小課需要進一步講解子網編址的方法，總結出子網編址的步驟，方便學生理解，然后只有結合大量練習和實驗，才能使學生掌握。如果這里的大課和小課老師不是同一人，往往會出現兩種情況：一種是小課老師把大課講解的子網編址原理復習一遍，便開始練習和實驗;另外一種則是小課老師認為大課老師已經講解過而直接安排練習和實驗。這兩種情況都不合適，是缺乏本門課程的教學經驗以及教師之間的教學默契導致的。

（四）難以探索符合學情的教學模式

教學團隊的不穩定，使任課教師對講授這門課程抱有一種臨時代課的心理，加上教學任務的繁重，使得教師無心也無精力考慮課程的改革問題。教研氣氛之淡薄，導致教師沒有課程改革的動力;教師精力的限制，也制約了教師對課程教學內容、教學系統的研究，更不可能對教學方法和教學手段的有效性進行探索。凡此種種，使得教師對課程教學缺乏系統性的研究，更難以探索符合學情的有效教學模式。

二、教學內容的改革

對計算機網絡課程教學內容進行改革的目的是：盡可能降低課程的難度。我院對此主要從理論和實驗兩個方面進行改革。

（一）計算機網絡理論內容的改革

第一，從應用的角度出發，所有的理論講授，只要“夠用”即可。這就要求盡量裁剪掉所有“不用”或“沒用”的理論。

所謂“夠用”，一是對后續課程進行分析，要能為后續課程打好基礎;二是對就業崗位進行分析，要為學生未來的職業儲備打好基礎。基于理論內容改革的總體思想，以國內最知名的教材《計算網絡》（解放軍理工大學謝希仁教授編寫，曾獲國家級教材獎）為本，在此基礎上對教學內容進行梳理，裁剪了部分內容，比如裁剪“SONET/SDH”的全部內容，因為我院網絡工程專業并未設置光纖網絡方面的后續課程，學生以后的就職崗位，最多能接觸光纖熔接，并不會涉及光纖網絡的設計與建設。

第二，對底層理論只介紹“是什么”，不深究其“為什么”。從用戶應用的角度來看，對底層理論掌握的多寡并不影響高層的應用操作。我院培養的本科生，其定位并不是從事底層通信系統的研發和技術改造的人才，因此完全可以對底層理論大刀闊斧地進行簡化，不深究其技術細節或推理過程。例如在學習數據鏈路層的“CSMA/CD”時，將復雜的算法細節總結成通俗易懂的十六個字“先聽后發，邊聽邊發，沖突停止，延遲重發”，而該算法里面的細節，如延遲算法、強化干擾、利用率等僅點到為止，并不深究其為什么。這種簡化，既方便學生了解原理的思想，也方便學生記憶。

第三，加強知識之間的邏輯聯系。為了把各層之間看似分散的知識點組織起來，我們試圖用一個形象的、簡單的問題，把各個層的知識串聯起來。這個問題是：主機A上的某個應用程序，與主機B上同樣的應用程序，如何通信？顯然，兩臺主機上的程序（進程）要通信，前提是兩臺主機要能通信;兩臺主機要能通信，主機之間兩兩相鄰的設備之間就要能夠通信;相鄰的設備要能通信，必然要用網線（傳輸媒體）把兩兩相鄰的設備連接起來并能傳遞信號。

這個過程，實際上只是一個非常簡單的邏輯常識。哪怕學生還沒有學習過計算機網絡知識，也很容易理解這個通信過程。如果學生理解了這個通信過程，就能比較容易理解課程各章知識的關聯性，因為各章知識的講解，就是圍繞著這個通信過程中各層需要解決的問題而展開的：程序（進程）到底怎樣通信，是運輸層需要解決的問題;主機之間怎么通信，是網絡層需要解決的問題;相鄰設備怎么通信，是數據鏈路層需要解決的問題;而網線如何將數據轉化為信號進行傳輸，是物理層需要解決的問題。

實際上，這個通信問題的邏輯，如果從宏觀的角度來理解，就是對計算機網絡體系結構的宏觀認識。因此，如果學生能夠在宏觀上掌握這個問題邏輯，對于他們學習和理解計算機網絡體系結構中的技術細節必然會有很大的幫助。而我們在課程教學設計中，就應該明確提出這個邏輯，并且在后續課程內容的講授中根據知識點的需要，反復強調這個邏輯。

（二）計算機網絡實驗內容的改革

在不改變現有的教學講授模式的基礎上，增加少量的驗證性實驗，以彌補計算機網絡底層實驗不足的缺陷，更解決了理論課和實驗課不同步的問題。我們立足學生的實際情況，借助各種協議分析軟件或模擬仿真軟件設計相關的驗證性實驗，而不采用其他高校基于電路板編程或協議編程的驗證性實驗，因為這種實驗對于我院學生來說將會有很大難度。

新增了“網絡性能測試”“以太網幀的認識與分析”等實驗，通過實驗驗證理論，使學生獲得對理論的直觀認識，鞏固已經學習過的理論知識，同時也使得實驗課與理論課同步。

三、教學方法的改革

（一）采用類比法

計算機網絡課程的理論性很強，顯得非常抽象。可是對這些理論和概念進行認真分析后，我們發現其基本原理和現實生活中的一些現象或事物有相同或相似之處。因此，如果在教學過程中，我們能夠找到它們之間的相同點或相似處，就可以運用類比教學法來進行講授。這使得非常抽象的教學內容，通過學生耳熟能詳的日常生活的類比而變得更容易理解。

比如，在講授共享式局域網時，完全可以與現實中的4人學生宿舍共享一個洗手間的情況進行類比：網絡主機如何使用共享媒體，就如哪個學生先用洗手間、怎么用的問題。這兩個問題的解決方法是類似的，教師只要引導學生思考共享洗手間怎么用，他們就會遷移到共享媒體怎么用，這樣不但訓練了學生的思維，也讓學生更好地掌握了相關的網絡知識。又如在講授IP地址時，完全可以把IP地址類比成個人身份證號碼的問題;講授域名系統DNS時，可以類比成個人姓名與身份證號碼的相關性問題。

此外，我們在授課中還會采用因果類比法、對稱類比法等。通過這些類比法，可以使復雜的、抽象的理論變得通俗、形象、易懂，也可以使學生從被動接受變為主動思考。

（二）通過動畫解析理論

《計算機網絡》這本教材為了使讀者容易理解其中的理論，往往配上一些圖像加以說明。應該說，圖像確實可以幫助學習者更好地理解理論。我們在制作課件時，除了教材中的圖像，還設計了大量其他的圖像。但是計算機網絡通信過程是一個動態的過程，靜態的圖像只能反映計算機網絡通信某個時刻的狀態，難以把計算機網絡通信的變化過程表述出來。為此，在講授中使用Powerpoint設計動畫，通過動畫解析理論，能使理論描述變得更直觀，更容易被學生理解。

（三）多做練習

“精講多練”是我國傳統教學的一個重要原則。在講授計算機網絡這種理論性比較強的基礎課程時，我們認為應該遵循這個教學原則。學習的最低要求是識記。學生如果連識記的能力都沒有，更談不上理解、掌握和應用知識了。計算機網絡課程知識點多、概念多、原理多，因此識記的最好方法就是多做練習。我們根據教學內容編寫了計算機網絡習題練習冊，每章都設計了大量的習題，包括選擇題、判斷題、填空題和綜合題。要求學生每學完一章便完成一章的練習，而且要求上交檢查，計入平時分。我們已計劃將此練習冊進一步擴充和完善，為建設習題庫做準備。

四、教學模式的改革計劃

如果在課程內容、教師能力和學生素質都無法改變的條件下，要提高該課程教學的有效性，除了上述改革外，教學模式的改革也值得嘗試。

（一）實施線上與線下結合的教學模式

2020年的新冠肺炎疫情，使在線教學模式進一步推廣開來。我們對學生能否接受在線教學模式進行了調查。在368份有效樣本中，有78.8%的學生表示可以適應在線教學;在課堂教學和在線教學的選擇中，有42.1%的學生選擇在線教學。應該說，當代的學生是和互聯網一起成長的，他們不知不覺中就形成了互聯網思維。因此，在今后的教學過程中，如果能夠使在線教學與課堂教學有機地結合起來，那就有可能產生最佳的教學效果。而如果能夠借助本次在線教學所積累的經驗和資料，將計算機網絡這門課程，打造成為“線上”與“線下”緊密結合的一門課程，采用SPOC（Small Private Online Course，即小規模限制性在線課程）教學模式，應該能夠進一步提高該課程的教學有效性。當然，具體的實施方案還有待進一步探索。

（二）采用“自頂向下”的教學方法

在我院網絡工程專業的教學計劃中，計算機網絡作為一門基礎課，在學生入學后的第二學期開設。而學生只在第一學期學習了辦公軟件和程序設計基礎兩門基礎課程，此外再沒有學習計算機網絡課程所涉及知識的其他先修課。這顯然為學生學習計算機網絡課程造成了一定的困難。那么，在不能改變開課學期的前提下，是否可以改變教師的課程講授方法？這顯然是可行的，在缺乏必要的先修課的前提下，“自頂向下”的講授法也許更能提升課程教學的有效性，更適合一年級大學生的接受能力，前文也有分析，在此不再贅述。對此，我們已經組織教學團隊展開討論，也與對該門課程采用自頂向下講授方法的相關院校進行了調研。

五、總結

計算機網絡課程從2007年在我院開設，至今已經進行了14輪的教學，這期間雖然進行過如雙語授課等課程建設，但該課程建設依然不夠完善，特別是近年來學生反響強烈。因此，計算機網絡課程教學改革勢在必行。但課程教學改革是一項龐大工程，并非一朝一夕就能促成且取得效果。按照計算機網絡課程的教學改革計劃，應從2020年開始推進，卻因新冠肺炎疫情而改為線上授課，受線上教學限制，落實后的教學效果暫時無法進行全面跟蹤。從學生對授課教師的評價，以及對部分學生訪談的情況來看，教學改革取得較好效果，但由于調查不全面，不足以作為結論，后續須繼續跟蹤。從教學團隊以及教學督導的反饋可知，本課程的教學改革是合適的、可行的。

致謝

教學督導徐紀敏教授為計算機網絡課程的建設傾注了大量心血，從課程的教學設計、教學課件、教學語言以及教學改革部署都給予了大量的意見和建議，本文的撰寫也得到了他的指導。本課程的教學改革實施還得到了教學團隊的崔繼副教授、凌友良高級工程師、孫勇毅工程師、唐屹教授等老師的支持。在此對上述各位老師表示誠摯的感謝。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：劉鳳華]