民航新工科計算機網絡教學升級與實踐

吳岳洲，傅 強，何止戈

（中國民用航空飛行學院 計算機學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

隨著計算機網絡技術的快速發展和應用，計算機網絡已經成為社會發展的重要基礎設施，在此平臺基礎上，我們的生活、工作、學習、娛樂等各行各業發生著翻天覆地的變化。因此，對計算機網絡技術的掌握和應用已成為基于產出的教育（Outcomes-based Education，OBE）模式理念的重要內容，出現了基于互聯網平臺資源的線上教學、線上線下混合式教學、虛擬教研室、云課堂等多種教育模式。在互聯網、大數據等新一代信息技術快速發展背景下，大學計算機網絡教學需主動適應“互聯網+”背景下的新型教學模式，充分利用和整合網絡教學資源，提升課程教學質量，為師生賦能[1-2]。

在傳統教學模式下，盡管教師充分備課和授課，但受計算機網絡課程概念多、原理抽象等特點，教學效果不理想。本文以中國民用航空飛行學院計算機網絡教學為例，針對民航院校的應用型新工科人才培養目標，結合計算機科學與技術專業工程教育認證要求，為強化工程應用和成果導向，強調學生能力產出和民航業對于應用型人才需求的一致性，教學過程中不單單講解概念、理論以及原理，提出理論教學多元化、前沿化，實驗教學工程化、案例化，支撐新工科背景下培養符合產業發展需求的高質量科技人才[3-4]。

1 民航新工科背景下知識體系選擇

民航新工科背景對大學計算機網絡教育提出全新挑戰，民航行業軟件網絡化程度高，為打造民航網絡產業創新人才高地，依托民航類院校新工科發展建設契機，通過多主體、多學科協同理論指導、教學創新、內容優化等途徑，培養學生解決行業網絡工程問題的能力。中國民用航空飛行學院計算機學院為適應OBE 理念需求，選擇“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材的計算機網絡經典教材系列，謝希仁編著的《計算機網絡》（第8 版），該教材教學內容具有相應的廣度和深度，內容深入淺出、新穎實用，不僅為學生提供專業所必需的知識結構，也對大學生綜合能力提升具有較強促進作用，比較滿足工程教育的個性化培養需求和學生自身發展需要。

所選計算機網絡教材知識體系包括9 個章節：概述、物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層、網絡安全、互聯網上的音頻/視頻服務。由于理論課知識覆蓋面廣，若學生不能很好理解理論課程內容，將會導致理論課枯燥、實驗課效果不佳的情況。本文以中國民用航空飛行學院計算機學院為例，基于OBE 理念，創新和改革教學方法，對理論和實驗的知識體系進行了優化設計。

2 知識體系升級與教育

知識體系的升級與教育需充分發揮教師的積極性、創造性、主動性，教學過程中合理設計民航行業知識或案例，有效激發學生學習興趣，促進專業應用與創新能力形成。傳統計算機網絡課的理論課和實驗課學時比接近4∶1，理論教學配比較重，學時分配難以滿足OBE 理念需求，因此，中國民用航空飛行學院計算機學院對整個計算機網絡教學體系教學升級，針對實驗項目偏少，優化了“理論教學”和“實驗教學”兩大方面的學時分配和知識體系[5]，理論教學32 學時，實驗教學24 學時，教學評價將綜合重點考慮平時實驗成績和期末考試成績，平時成績占比40%，期末成績占比60%。整體上強化了實驗課內容，教學內容和教學形式都進行了升級優化。

2.1 理論教學多元化、前沿化

通過理論教學，使學生掌握計算機網絡的基本理論、基本原理和典型應用，是繼續學習網絡編程、信息安全類課程的基礎。由于計算機網絡知識體系面廣，傳統理論教學知識體系存在一定的局限性，學生在理論知識學習過程中缺乏積極主動性。為適應OBE 理念需求，結合民航行業工程應用為主的實際需求，根據教材知識體系框架，找準教育切入點和側重點，對理論教學知識體系進行提煉增刪，規劃前6 章作為教學重點，設計理論教學學時32 學時，實現有限時間內學習更有用且面向產出教育目標的知識點，教學內容如表1 所示。

表1 計算機網絡理論教學

2.1.1 理論教學知識體系提煉

針對配套教材知識面廣、知識點多的特點，結合OBE 要求，對各章知識點從掌握、理解、了解三個層級進行梳理，支撐理論教學的講解學時合理分布。第1 章概述，掌握計算機網絡定義與體系結構、網絡通信數據交換方式、計算機網絡的性能指標；理解因特網各部分工作方式、OSI 與TCP/IP 結構；了解計算機網絡作用與發展。第2 章物理層，掌握信道概念、雙絞線制作、頻分復用、時分復用、統計時分復用和碼分復用；理解信道極限信息傳輸速率計算、波分復用原理、常見寬帶接入技術等；了解物理層的基本概念、數字傳輸系統等。第3 章數據鏈路層，掌握數據鏈路層點對點信道和廣播信道特點、以太網MAC 層硬件地址、CSMA/CD 協議；理解PPP 協議幀格式、以太網在物理層和數據鏈路層的擴展方式、以太網交換機作用、VLAN 技術；了解數據鏈路層的基本概念、PPP 協議特點、以太網信道利用率、高速以太網技術等。第4 章網絡層，掌握傳統IP 地址分類及無類域間路由選擇CIDR、IP 分組交互與路由選擇、路由器與三層交換機、IP 協議基本內容、地址解析協議、路由選擇協議；理解Internet 控制報文協議的報文類型與相關網絡命令、IP 地址配置方法、路由器基本配置方法；了解虛電路服務和數據包服務、網絡層與網絡互聯的基本概念等。第5 章運輸層，掌握停止等待協議、連續ARQ 協議、TCP 流量控制與擁塞控制、TCP 運輸連接管理；理解UDP 用戶數據報首部格式；了解TCP 的有限狀態機。第6 章應用層，掌握域名解析、FTP 工作原理、統一資源定位符URL、電子郵件協議SMTP 和POP3、動態主機配置協議DHCP、簡單網絡管理協議SNMP；理解域名系統基本概念、因特網域名結構、域名服務器分類、超文本傳送協議HTTP 工作過程；了解簡單文件傳送協議TFTP、TELNET、超文本標記語言HTML、搜索引擎等。

2.1.2 理論教學多元化

引入教材配套官方線上教學視頻，對難以理解或抽象的概念或原理，除了在教學過程中細致講解，課后還可以根據個人知識點掌握情況，通過網絡教學視頻進行鞏固、深化理解或預習，鍛煉了學生溫故知新、自主學習能力，利于知識查漏補缺，體現了線上線下教育結合的優勢。同時，考慮學生整體課程安排和師生交流時間有限等情況，教師和學生難以開展充分的面對面交流，利用超星學習通網絡教學平臺開展提問、課后答疑、一對一交流等，實現課堂教學與網絡教學的互聯互通，暢通師生交流渠道。

理論教學過程中引入思維可視化（Thinking visualization）支撐教學內容可視化的理念，教師在課堂上結合精心準備的動畫、視頻等知識點展現方式，講解部分重要或抽象知識點，主要包括：碼分多址CDMA 的相關計算、CSMA/CD 協議、IP 數據報分片、距離向量路由算法、路由信息協議RIP、TCP 的連接建立與釋放、TCP 擁塞控制、TCP 的滑動窗口等內容，通過動畫視頻，配上適當的背景音樂，讓學生以輕松的心態去學習，聽課注意力明顯比靜態的PPT 或純口述講解效果好。

2.1.3 理論教學前沿化

為進一步培養學生的綜合應用創新能力，在原有理論教學知識體系中，根據學時知識結構，滲透引入相關前沿知識，通過微專題講解模式啟發學生思維，拓展學生的知識面，主要包括引入邊緣計算、EPON 網、電磁傳播原理、家庭智能網關、GPU并行計算等，增加學生學習興趣和創新能力，探究相關技術結合點和發展趨勢，進一步體現計算機網絡技術的平臺性和綜合性。

2.2 實驗教學工程化、案例化

鑒于各個行業對計算機網絡人才的技術需求不一致、工程能力要求不斷提升，考慮民航信息技術發展的網絡自動化程度高等特點，若采用完全與理論教學章節同步的實驗教學模式，圍繞網絡網路基礎原理開展印證性教學，難以獲得理想的學生實際動手操作和網絡實踐鍛煉效果，創新性和知識體系整體性不強，難以滿足新工科發展需求。因此，本文在理論教學基礎上，為實現OBE 理念，重視學生實踐和創新能力培養，遵循學生對網絡技術認知發展規律，設計多階段、不同層次的多維協同計算機網絡實驗教學，通過小組綜合案例實驗方式，一定程度上解決實驗環境資源不足的問題，使學生更好地理解和掌握理論教學的知識體系內容；通過小組內部研討和教師指導，引導學生發現問題、分析問題、解決問題。整體實現了理論知識點的統一理解和工程問題的合理分解，促進學生實踐能力產出導向[6-8]。實驗內容如表2 所示。

表2 計算機網絡實驗教學

實驗教學采用循序漸進的案例驅動方式，具有典型工程應用代表性。實驗1 至實驗8，主要是通過在實驗室環境學生自行練習網絡命令使用和網絡協議分析，要求學生獨立完成。實驗9 至實驗11，由于實驗用路由器、交換機等設備數量有限，通過引入的網絡實驗教學綜合平臺開展，該類實驗具有一定的綜合性，采取小組形式開展，評價采用小組項目微答辯形式開展，鍛煉了學生的團隊協作精神。實驗12，考慮計算機網絡教育中新工科學生的軟件開發實踐能力鍛煉，設計基于Python 編程語言的Web 自動化—瀏覽器高級操作實驗，提升學生在Web 自動化應用方面對相關軟件技術的了解和應用，該部分具有一定的深度和難度，要求學生自己收集資料、下載和配置三方庫，但是趣味性強，有效開發學生創新思維和動手能力。

為支撐實驗開展，需要不斷優化教學客戶端硬件和更新相關現代化教學軟件環境，并簡化學生實驗教學系統操作流程，提升實驗交互友好性，使學生將實驗重點盡量集中在關鍵知識點上，而不是耗費在實驗系統響應時間或煩瑣的實驗環境配置方面。和其他很多高校一樣，考慮計算機網絡實驗過程中部分硬件資源有限，通過真實和虛擬網絡實驗環境相結合，有效解決資源使用瓶頸。針對難度較大的實驗將采用示范教學法進行現場演示，學生同步開展實驗。同時，每次實驗會下發實驗任務，包括實驗目標、實驗環境、實驗步驟等內容，通過任務驅動法，要求學生提交統一模板格式的實驗報告，便于教師直觀有效掌握學生的實驗情況，積累的教學過程材料也有利于支撐工程認證所需的課程評價。

3 結束語

本文基于高校“新工科”人才培養要求，通過研究民航類院校OBE 理念發展和需求，針對民航院校計算機網絡知識體系進行理論和實驗教學內容進行升級優化。通過對計算機科學與技術專業的6 個班級授課，相對于傳統教學模式，升級后的多元化理論教學和案例化實驗教學，強調工程認證教育理念引領下的以學生為中心和成果導向，拓展理論與實驗教學寬度的同時，有效提高了該專業課程的教學質量，提升了學生分析解決復雜工程問題和綜合創新能力。