大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡(luò)教學改革研究與實踐

高旻，易華玲，羅西，韓汶迅，文俊浩，熊慶宇

（重慶大學大數(shù)據(jù)與軟件學院，重慶 401331）

一、現(xiàn)狀與背景分析

計算機網(wǎng)絡(luò)課程是計算機科學與技術(shù)、軟件工程、通信工程等專業(yè)的核心課程。當前，云計算、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”與物聯(lián)網(wǎng)等信息領(lǐng)域的主流研究方向都與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。

目前，計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教師通常圍繞計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進行原理介紹。課程教授內(nèi)容側(cè)重通信技術(shù)，包含很多通信原理與技術(shù)，而學生缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)理論儲備，在理解相關(guān)技術(shù)時十分困難。同時，大數(shù)據(jù)時代背景下，為支持數(shù)據(jù)科學與處理、機器學習、人工智能的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷更新，高校亟需優(yōu)化計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學體系，夯實網(wǎng)絡(luò)各層的核心理論和技術(shù)，并突出其對分布式計算、云計算、大數(shù)據(jù)的支撐技術(shù)，以更好地使計算機網(wǎng)絡(luò)課程滿足大數(shù)據(jù)時代背景下社會對計算機網(wǎng)絡(luò)人才的需求，加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

（一）教改項目的研究背景

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等新科技和新商業(yè)模式快速推動著現(xiàn)代工業(yè)、服務(wù)業(yè)和經(jīng)濟社會的發(fā)展。《2019年政府工作報告》提到“深化大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)應(yīng)用”[1]，說明我國的大數(shù)據(jù)與人工智能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了萌芽與初步發(fā)展的階段，將進入快速發(fā)展時期。為了支撐快速發(fā)展的新經(jīng)濟，培養(yǎng)新型工程創(chuàng)新人才，高校必須進行全面、深刻的改革和創(chuàng)新。新工科教育理念和教育改革就是在這樣的背景下提出的。高校需要新思維、新體制機制，全面創(chuàng)新工程教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，支撐和引領(lǐng)新經(jīng)濟。

國家高度重視大數(shù)據(jù)在經(jīng)濟社會發(fā)展中的作用，黨的十八屆五中全會提出“實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”，國務(wù)院印發(fā)了《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》[2]，全面推進大數(shù)據(jù)發(fā)展，加快建設(shè)數(shù)據(jù)強國。此外，越來越多行業(yè)開始關(guān)注、開發(fā)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)。根據(jù)《關(guān)于促進信息消費擴大內(nèi)需的若干意見》[3]和《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》[4]提出，大數(shù)據(jù)相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)業(yè)年均復(fù)合增長率保持在30%左右，并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、政府管理和民生服務(wù)等方面廣泛應(yīng)用。

（二）計算機網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)當前面臨的問題

1.教學體系陳舊，無法體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對大數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐

目前，計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教師通常圍繞計算機網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)開展教學。在大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸、存儲與計算均依賴于計算機網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷更新，計算機網(wǎng)絡(luò)授課體系亟需更新。與大數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、視頻流與內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等，均未在目前的教學體系中有較好體現(xiàn)。

2.實驗體系中缺失大數(shù)據(jù)支撐技術(shù)，難以滿足行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求

目前，計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實驗體系強調(diào)協(xié)議分析，雖然能在一定程度上幫助學生理解計算機網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中各個層次的服務(wù)模型，但缺乏大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實驗，難以滿足大數(shù)據(jù)背景下IT行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求。

3.教學案例設(shè)計不完善，難以提高學習效率

課程的講授內(nèi)容側(cè)重通信原理與技術(shù)，而學生缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)理論儲備，在理解相關(guān)技術(shù)時感到比較困難，嚴重影響學習效率。課程雖然有一些案例，但都是針對單個知識點的小案例，沒有貫穿整個體系的案例，也沒有針對大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的案例，需要教師對案例重新進行設(shè)計。

（三）教改項目研究內(nèi)容

為了解決上述問題，筆者提出以下幾點改革方向：1.高校要落實數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)建設(shè)的相關(guān)任務(wù)，在實踐教學方法的探索或改革中取得突破，構(gòu)建面向大數(shù)據(jù)背景的計算機網(wǎng)絡(luò)教學體系。2.學校可以通過“核翼融合”的教學案例體系提升學生的學習效率，并培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。高校可以通過重構(gòu)實驗教學體系，夯實學生的知識基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維，使學生深入理解大數(shù)據(jù)技術(shù)。4.高校要完善考核方法，激發(fā)學生自主學習的興趣，培養(yǎng)學生的探索精神和實踐創(chuàng)新意識，使學生滿足大數(shù)據(jù)背景下的行業(yè)發(fā)展需求。

二、大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡(luò)教學改革研究與實踐

（一）研究內(nèi)容

1.以大數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動，重構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)課程體系

高校要分析大數(shù)據(jù)技術(shù)，重新設(shè)計授課內(nèi)容。大數(shù)據(jù)技術(shù)需要數(shù)據(jù)收集、彈性帶寬、差錯檢驗、安全性、同步性、虛擬性等計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)作為支撐，項目組將分析虛擬局域網(wǎng)和鏈路虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)，以及負載均衡、視頻流和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)等技術(shù)，并基于此重構(gòu)課程體系。

項目組根據(jù)授課內(nèi)容構(gòu)建“一核多翼”的課程體系。其中，“一核”是指計算機網(wǎng)絡(luò)核心基礎(chǔ)知識，包含網(wǎng)絡(luò)分層體系架構(gòu)和各層重要協(xié)議。“多翼”是指與大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)知識，包括虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)[5]等。“一核多翼”的課程體系如圖1所示。

圖1 “一核多翼”的課程體系

2.針對新教學體系，構(gòu)建“核翼融合”的教學案例體系

項目組針對“一核”，設(shè)計貫穿整個計算機網(wǎng)絡(luò)體系的大案例，即設(shè)計一個涵蓋計算機網(wǎng)絡(luò)核心基礎(chǔ)知識，且貫穿計算機網(wǎng)絡(luò)體系應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的服務(wù)模型。

項目組面向大數(shù)據(jù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計“多翼”教學案例，在上述大案例的基礎(chǔ)上，針對大數(shù)據(jù)技術(shù)相關(guān)的多項網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計多個輔助大案例的子案例，形成“核翼融合”的教學案例體系。“核翼融合”的教學案例體系如圖2所示。

“核翼融合”的教學案例體系的主要內(nèi)容包括：1.面向虛擬化技術(shù)，基于谷歌公司軟件定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)計教學案例；2.面向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)谷歌數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計案例；3針對內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，采用Netflix、YouTube等視頻流內(nèi)容分發(fā)技術(shù)設(shè)計案例。

3.強化數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維，完善計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教學體系

項目組通過協(xié)議分析實驗夯實知識基礎(chǔ)，將協(xié)議分析與虛擬仿真結(jié)合起來，利用GNS3網(wǎng)絡(luò)仿真虛擬實驗平臺和Wireshark抓包工具，對計算機網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議棧中的HTTP、FTP、DNS、TCP、ICMP、IP、ARP等協(xié)議進行實驗分析。

項目組利用虛擬化仿真實驗深入理解“多翼”技術(shù)，利用GNS3仿真平臺和VMware進行大數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化仿真模擬，通過實際的動手配置訓練過程，讓學生更加深刻地理解技術(shù)原理。

4.增加實踐占比，構(gòu)建新的課程考核模式

項目組弱化了教材中需要死記硬背的知識，減少了客觀題的占比，增加綜合多項知識的探索性內(nèi)容和結(jié)合實際案例分析的能力考查作業(yè)，并嘗試增加綜合作業(yè)和新的實驗體系在課程考核中的占比，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識，使學生更注重實踐和創(chuàng)新。

（二）研究目標

項目組的研究目標如下：1.項目組結(jié)合相關(guān)研究，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動的方式，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)教學方法的改革，為學院的專業(yè)建設(shè)提供支撐，契合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標。2.項目組構(gòu)建計算機網(wǎng)絡(luò)新的理論教學體系和實驗教學體系，使學生在了解計算機網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)和服務(wù)模型的基礎(chǔ)上，進一步掌握網(wǎng)絡(luò)虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，為學院各專業(yè)的其他課程教學打下基礎(chǔ)。3.項目組將相關(guān)教改最終落地到學院三個專業(yè)（軟件工程專業(yè)、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)、人工智能專業(yè)）的計算機網(wǎng)絡(luò)教學與實驗環(huán)節(jié)。

（三）擬解決的教學問題

在新時代背景下，為響應(yīng)國家重大戰(zhàn)略需求，教師和學生培養(yǎng)均強調(diào)跟蹤學科前沿、學科交叉等特點。因此，在大數(shù)據(jù)背景下，高校進行計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學改革研究，需要將教育教學與行業(yè)需求進行緊密結(jié)合，探索如何將大數(shù)據(jù)背景融入教學體系和實驗實踐過程中，與當前的行業(yè)需求保持同步，培養(yǎng)適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的人才。

高校要以大數(shù)據(jù)技術(shù)為指導(dǎo)，不僅要強調(diào)課堂教學體系、實驗體系的創(chuàng)新，而且要強調(diào)教學方法和改革考核標準，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和探索精神。在教學中，高校要重新構(gòu)建“核翼結(jié)合”案例體系，提升學生的學習效率。在考核中，高校要增加實踐部分的考核比例，在實驗課程內(nèi)容中融入虛擬化、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)支撐技術(shù)。

（四）研究方法

項目組采用文獻研究與調(diào)研相結(jié)合的方法，依托重慶大學、阿里巴巴、重慶移動的研究平臺，在重慶、杭州等地的行業(yè)知名企業(yè)開展結(jié)構(gòu)化訪談，摸清大數(shù)據(jù)背景下各地企業(yè)對計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的共性需求和特性需求，為高校構(gòu)建大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡(luò)課程體系和實驗體系提供參考和指導(dǎo)。

在課題執(zhí)行期間，項目組按照如圖3所示“課程體系重構(gòu)—教學案例設(shè)計—實驗體系重構(gòu)—課程考核改革”的研究路線，重點研討以下問題：1.構(gòu)建“一核多翼”的課程體系，推動大數(shù)據(jù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交叉與融合，培養(yǎng)適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代行業(yè)需求的復(fù)合型人才；2.面向大數(shù)據(jù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建“核翼融合”的教學案例體系，提升學生的學習效率，并培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力；3.構(gòu)建強化數(shù)據(jù)和創(chuàng)新思維的實驗教學體系，通過協(xié)議抓包分析、虛擬化仿真實驗、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)新實驗，深入理解大數(shù)據(jù)技術(shù)，培養(yǎng)數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維；4.增加實踐占比，構(gòu)建新的課程考核模式，培養(yǎng)學生的探索精神和實踐創(chuàng)新意識。

圖3 項目研究路線

（五）主要特色

1.項目組的研究是結(jié)合大數(shù)據(jù)行業(yè)背景，大數(shù)據(jù)與軟件學院“軟件工程”“數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)”“人工智能”的專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)而開展的。筆者充分考慮了大數(shù)據(jù)行業(yè)的前沿技術(shù)，與行業(yè)需求相結(jié)合，為學校實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標提供支撐。

2.項目組對現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)實踐教學方法、課程體系、實驗體系以及考評機制進行改革，加深學生對課程核心知識和大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的理解，激發(fā)學生主動學習的興趣，使學生由被動接受知識變?yōu)橹鲃訉W習、自主創(chuàng)造，提高學生進行創(chuàng)新實踐的能力。

三、結(jié)束語

大數(shù)據(jù)需要計算機網(wǎng)絡(luò)的支持，網(wǎng)絡(luò)是大數(shù)據(jù)最基礎(chǔ)最重要的需求。大數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)具有彈性的帶寬，以此來適應(yīng)它的信息量大小的變化；需要網(wǎng)絡(luò)擁有處理故障或錯誤的機制，以便處理器出現(xiàn)故障時，能將任務(wù)分配給另一個處理器；需要網(wǎng)絡(luò)有良好的安全性，以便保護隱私，進行訪問控制和攻擊檢測；需要網(wǎng)絡(luò)能夠同步，以使多個處理器上的作業(yè)能同步進行。

綜上，大數(shù)據(jù)時代的到來，對于人們的思維方式、行業(yè)變革及產(chǎn)業(yè)的變化帶來了深刻而巨大的影響。大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與計算機網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，對計算機網(wǎng)絡(luò)教學的培養(yǎng)目標、質(zhì)量提出了新的要求。為了很好地應(yīng)對這些新的變化與形勢，適時進行計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學改革，高校要從培養(yǎng)目標、培養(yǎng)模式、課程設(shè)置、教學方法、實踐教學等方面主動去改革、適應(yīng)，為社會經(jīng)濟的發(fā)展培養(yǎng)實用的創(chuàng)新型人才，使人才更好地滿足大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展要求。