“計算機網絡”課程小班化教學：從理論到實踐

［摘 要］ 結合近年來在計算機網絡領域的科研和教學經驗，探討“計算機網絡”課程小班化教學的建設思路和具體教學方法。在課程建設中，積極實施小班化教學和項目化教學模式，采用比較靈活的教學方法，注重理論教學和實踐教學的有效結合。在理論教學中，通過生動講解“計算機網絡”的基本原理和核心知識，并適時分析計算機網絡前沿技術發展現狀，以拓寬學生的知識面，激發學生的學習興趣。通過有效實施這些措施，取得了顯著的教學效果，不僅增強了學生對計算機網絡知識的掌握，也提高了學生的創新思維和實踐動手能力，使“計算機網絡”課程的教學質量和實效得到了顯著提升。

［關鍵詞］ 計算機網絡；小班化教學；課程建設

［基金項目］ 2020年度江蘇省自然科學基金面上項目“無人機小基站輔助無線網絡智能切片機制研究”（BK20201357）

［作者簡介］ 沈 航（1984—），男，江蘇南京人，博士，南京工業大學計算機與信息工程學院副教授，主要從事計算機網絡研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）43-0129-04 ［收稿日期］ 2023-10-27

“計算機網絡”課程不僅是計算機科學專業的核心基礎課，也廣泛受到其他專業學生的歡迎和喜愛［1-2］。為培養適應網絡信息社會需要的專業人才，南京工業大學計算機科學與技術專業已經入選國家級特色專業建設點。南京工業大學于2014年啟動了“計算機網絡”課程的教學改革和建設。

在“計算機網絡”課程建設中，采用小班化教學和導師制的學習模式，強調理論教學和實踐教學一體化。在理論教學方面，深入淺出地講授計算機網絡的基礎知識和核心原理，并結合網絡通信技術的發展現狀，拓寬學生的知識面，激發他們對計算機網絡的學習興趣。同時，優化教學大綱，增加實驗實踐課程，配置了先進的網絡設備和仿真平臺，以期通過具體的實驗操作，加深學生對網絡體系結構、典型網絡場景及通信協議工作原理的理解。另外，積極鼓勵部分有潛力的學生參與科研項目，在導師指導下開展研究，加強學生獨立分析和解決實際問題的能力，培養學生的創新思維［3］。

經過近幾年的教學改革與建設，南京工業大學已初步形成一套比較完整和有效的“計算機網絡”課程教學體系。通過不斷總結經驗和改進方法，以推動“計算機網絡”課程教學水平的提高，為國家培養更多優秀的網絡技術人才。

一、“計算機網絡”課程設計方法

（一）采用以問題為導向的新型教學法，激發學生的學習興趣

針對計算機網絡中易出現的典型問題和現象，如擁塞控制、路由選擇、傳輸協議、網絡安全等，課前準備一些問題情況，在教學中結合這些典型的網絡問題，引導學生主動思考和討論問題的成因及解決方案。教師充分利用網絡中的典型問題進行講解，通過問題情境激發學生對知識點的好奇心。

（二）建立知識體系化教學

根據計算機網絡技術發展的歷史脈絡和知識的邏輯框架，將網絡體系結構、網絡協議、網絡設備等知識點進行系統化歸納，梳理計算機網絡的發展歷史，設計教學的知識框架和知識結構圖，并通過層層遞進的方式構建知識體系，幫助學生全面系統掌握計算機網絡技術的發展脈絡和知識框架，厘清知識邏輯，并對關鍵知識點進行有針對性講解。

（三）強化項目驅動教學，促進知識內化

根據社會網絡應用的實際情況，設置基于實際項目的教學案例，如校園網絡規劃、企業局域網搭建、網站構建等，將理論教學與實際項目需求相結合，通過分析項目實例，指導學生在實踐中運用所學知識完成項目，達到理論聯系實際的良好教學效果，提高學生將網絡知識內化為解決實際問題的能力。

二、“計算機網絡”課程理論教學

（一）設置情景教學

針對一些典型的網絡環境和應用場景，如網頁訪問過程、文件下載過程、網絡游戲過程等，設計情景教學案例，通過模擬網絡工作過程，鼓勵學生思考并討論其中涉及的協議和網絡設備，加深其對網絡知識的理解。同時，設置一些問題，引導學生思考和討論，充分調動學生的主觀能動性。例如，可以設計一些與網絡環境和協議相關的問題，讓學生討論TCP和UDP協議的區別及適用場景、討論不同的路由選擇協議優缺點等。另外，可以組織學生分組繪制網絡拓撲結構的思維導圖。在教授網絡協議機制時，可以展示每個協議報文的數據格式和字段，以及動畫模擬報文在網絡中的傳輸，幫助學生深入理解；也可以通過視頻演示一個網絡攻擊的過程，以便學生理解網絡存在的安全漏洞。

（二）趣味性和競爭性議題

結合網絡知識點，設計一些充滿趣味性和競爭性的網絡技術游戲，如網絡技術填詞競賽、網絡故障模擬排查競賽、網絡技術問答競賽等。通過這些寓教于樂的游戲活動，激發學生的學習興趣，檢驗他們對網絡知識的掌握效果。同時，可以設置一些小組競賽，強化團隊協作精神。具體而言，可以安排網絡技術填詞競賽，準備一些涉及計算機網絡基礎概念的詞匯表，如協議名稱、網絡設備等，進行填空競賽，或增加一些與網絡故障類型相關的詞匯，進行網絡故障詞匯填空競賽。組織網絡故障模擬排查競賽，設計幾個典型的網絡故障場景，如服務器不能訪問、網絡速率下降等，讓學生通過探尋現象，分析原因，最終定位故障。競賽排名可以根據故障定位的效率和準確性評判。開展網絡技術問答競賽，設置選擇題形式的網絡技術題目，隨機抽取題庫中的題目，檢查學生對計算機網絡知識點的掌握程度。組織團隊網絡搭建競賽，鼓勵學生團隊分工合作，在限定時間內搭建符合要求的網絡系統，考核團隊的協作能力，包含交換機和路由器的企業局域網。這些寓教于樂的游戲形式，既能夠進行趣味性和競爭性的考核，提高學生的參與度，評估教學效果，也可以充分調動學生的參與熱情，使其在娛樂中鞏固計算機網絡知識，達到較好的教學效果。

（三）構建案例教學

選擇計算機網絡中典型的故障案例，如路由配置錯誤引起的網絡連接故障、大流量引起的網絡擁塞故障等，通過案例演示，啟發學生分析故障成因，并提出解決方案，達到理論聯系實際的教學效果。可以準備一些典型的網絡故障案例，如網絡速率明顯下降的故障，設置為帶寬過載造成的擁塞故障；新加入的主機無法訪問網絡，設置為VLAN配置錯誤導致的故障；等等，引導學生分組對案例進行討論并給出分析過程和解決方案。另外，可以提供一個虛擬的網絡環境，讓學生直接對故障場景進行還原和處理。通過這種融合理論和實際的案例教學，有助于提高學生處理網絡故障的綜合能力，激發學生的學習興趣。

三、“計算機網絡”課程實踐教學

（一）任務驅動法強化實驗教學

根據網絡技術應用情況，為學生設計實驗任務，如進行路由器配置、搭建企業局域網、設置網絡安全等，學生須根據任務要求完成網絡環境搭建，在完成實驗任務的過程中，熟練掌握網絡設備配置和網絡環境搭建技能。實驗任務設計須貼近實際，符合行業需求。例如，可以設計配置企業組網的實驗任務，讓學生完成企業內部網絡的規劃和設備配置。該網絡須包含交換機、路由器、防火墻等設備，要求學生須完成網絡拓撲設計、VLAN劃分、路由策略配置、ACL訪問控制列表設置等任務。還可以設計VPN網絡的搭建任務，要求學生實現不同分支機構之間的安全訪問。通過完成這些符合實際的網絡規劃和配置任務，有助于促使學生掌握網絡設備的配置和管理。

（二）項目驅動法培養學生創新思維

根據當前計算機網絡技術的發展趨勢，可設置一些前沿的網絡技術應用項目，如軟件定義網絡的搭建、IPv6網絡規劃等，通過引導學生學習和實踐這些前沿技術項目，激發他們對新技術的好奇心，培養其新技術學習能力和創新思維。同時，教師要控制項目難度，避免學生產生畏難情緒?？梢宰寣W生以項目的方式學習SDN軟件定義網絡，研究SDN網絡架構，使用OpenFlow協議完成路由器的虛擬化。也可以設置校園網IPv6規劃項目，要求學生研究IPv6地址規劃方案，設置轉換機制，逐步完成IPv6遷移。另外，可以設置以太網網絡升級項目，要求學生研究如何將原Fast Ethernet網絡升級到Gigabit Ethernet。通過這些項目研究，不僅可以提高學生對新技術的認知，還可以培養其解決實際問題的能力。

（三）構建網絡化的實驗教學環境

為了加強實驗教學效果，積極構建網絡化的實驗教學環境，可利用虛擬化和云計算技術，融合各種典型的網絡設備和環境，建立在線的實驗教學平臺，使學生可以在任何時間和地點進行實驗操作，實現教學資源的共享和利用。實驗教學須依賴實驗環境的穩定性和可靠性，確保學生獲得順暢和成功的實驗經歷。可以通過OpenStack等虛擬技術，在實驗室構建虛擬化的網絡實驗環境，內置各種主流的網絡設備如路由器、交換機、防火墻等。學生可以申請相關的虛擬設備和網絡，進行網絡規劃、配置等實驗；也可以建立Web頁面，通過遠程Web頁面訪問實驗環境，靈活安排實驗時間。通過網絡化和虛擬化技術，可以實現開放和彈性的實驗教學資源利用，提高學生的學習效果。

（四）增加具體案例討論

增加具體案例討論，促使學生在具體場景中運用所學知識，分析實際網絡問題并提出解決方案，獲得解決實際問題的經驗，達到更好的教學效果。在對比不同路由協議的過程中，可以設置這樣一個案例場景：一個公司的網絡包含多個分支機構，網絡結構復雜，須要選擇合適的內部路由協議。可以讓學生基于不同的網絡拓撲條件，如星型、環型或層次化結構，比較分析RIP、IGRP、OSPF等路由協議的優劣。通過這個案例可以訓練學生進行方案設計的能力。在選擇最佳網絡接入解決方案的過程中，可以設定這樣一個案例：一個公司的網絡接入帶寬不足，須要進行升級?？梢蕴峁┎煌膸捫枨髷祿?，讓學生根據成本和性價比等條件，選擇最優的網絡接入解決方案，如升級到更高帶寬的光纖接入、租用專線等，以培養學生進行網絡規劃和方案選擇的能力。在模擬一次典型的DDOS攻擊的過程中，可以構建一個模擬網絡環境，配置多臺服務器提供Web服務，然后發起一個分布式DDOS拒絕服務攻擊，讓學生通過監控網絡流量變化、分析攻擊特征，并根據分析結果采取限制IP訪問、更換DNS解析等措施進行防御，最終恢復網絡服務，以培養學生進行網絡故障分析和處理的綜合能力。

四、“計算機網絡”課程理論教學與實踐教學的有效協同

第一，理論教學須緊密聯系實際，通過實例化的教學內容加深理解。例如，在講授TCP協議時，可以結合網絡視頻學習的場景，解釋TCP如何通過擁塞控制實現順暢傳輸；在講授IP協議時，可以通過網絡游戲案例，說明IP協議如何負責數據報文的源到目標的傳遞；在講授HTTP協議時，可以用瀏覽器訪問網頁的例子，解析HTTP在客戶—服務器之間的請求—響應模式。

第二，在理論教學中加入適當的示范和模擬演練環節，如利用視頻演示協議數據包的傳輸過程，以形象化抽象的概念。例如，可以通過動畫演示TCP連接三次握手的過程，說明SYN、SYN-ACK等標志位的作用；可以通過模擬動畫演示IP數據報文被封裝的過程，解釋TTL字段的意義；可以利用網絡包抓取工具，演示抓取HTTP請求和響應報文，解析報文結構和內容。

第三，安排實驗課與理論課同步進行，內容上高度相關。例如，在講授了數據鏈路層的內容后，可以安排數據幀封裝實驗。讓學生構造一個簡單的網絡環境，用網絡仿真軟件抓取數據幀，解釋其中的源MAC地址、目標MAC地址、類型字段等，分析數據幀的封裝與解封裝過程，加深學生對數據鏈路層封裝機制的理解。

第四，實驗教學以驗證和展示理論知識為主，適當設置設計性實驗，培養學生的應用能力。例如，可以設置路由表配置驗證性實驗，驗證不同路由協議的工作原理；設置模擬TCP連接過程的展示性實驗，展示三次握手機制；設置校園網網絡規劃設計的設計性實驗，提供網絡用戶和需求描述，要求學生設計網絡拓撲、確定交換機型號、劃分VLAN并配置路由協議，完成規劃書，以培養設計能力。

第五，鼓勵學生創新實驗，運用所學知識解決實際問題。例如，可以設置一個開放式的實驗題目：如何改善學校網絡的接入速率和穩定性。讓學生根據所學知識，從網絡拓撲、網絡設備、線纜、接入方式等方面著手分析問題和提出解決方案，進行創新性設計。

第六，在理論課結束后，可以設置綜合性案例分析環節，檢驗學生對理論的掌握水平。例如，可以提供一個企業網絡頻繁故障的案例，問題癥狀是網絡速率變慢、連不上服務器等。要求學生綜合分析可能的故障原因，如網絡擁塞、線纜問題、IP地址沖突等，并提出有針對性的解決方案。

第七，引入項目驅動和情景教學法，在項目操作中讓學生貫徹理論知識。例如，可以指導學生以項目形式完成一個公司辦公網絡的規劃，提供虛擬的辦公網絡環境。讓學生在此情景中進行需求分析、網絡設計，然后進行設備配置，完成網絡搭建。同時，考核項目報告，檢查網絡理論和技術運用效果。

以上案例旨在說明教師應如何通過具體案例，檢驗和強化學生對理論知識的掌握程度，并培養學生運用所學知識解決實際問題的綜合能力。通過理論教學和實踐教學的有機結合，有助于實現知識的驗證和內化，培養學生解決實際問題的能力。

結語

面對小班化教學的機遇和挑戰，學校從多個方面進行了有益的探索與嘗試。鼓勵學生參與科研項目，在導師的指導下進行研究和實踐，培養學生獨立分析解決問題的能力。這些措施的有效實施取得了顯著的教學效果，不僅加深了學生對“計算機網絡”知識的掌握，也提高了學生的創新思維和實踐動手能力，顯著提升了“計算機網絡”課程的教學質量和實效。后續，將進一步總結教學經驗，不斷改進和完善教學方法，形成長效的持續改進機制，促進“計算機網絡”課程建設的持續發展；將探索建立網絡學習社群，鼓勵學生之間進行討論問題、分享學習資料、一起完成網絡技術競賽等形式的協同學習。同時，可設置一些大型的網絡規劃、設計項目，指導學生綜合運用所學知識完成規劃項目，并強化理論的應用。

參考文獻

［1］王慧強，馮光升，郭方方，等.結合科研，打造計算機網絡教學新模式［J］.計算機教育，2014（11）：22-25.

［2］黃傳河.問題與系統建構導向的計算機網絡教學方法［J］.計算機教育，2015（4）：34-37.

［3］白光偉.以科研促進“計算機網絡”課程教學［J］.中國大學教學，2007（12）：33-34.

Small-Class Teaching of Computer Network Courses： From Theory to Practice

SHEN Hang

（School of Computer and Information Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing，

Jiangsu 211816， China）

Abstract： This paper combines the author’s scientific research and teaching experience in the field of computer network in recent years to discuss the ideas and specific teaching methods for small-class teaching in the “Computer Network” course. In course construction， the paper actively adopts small-class and project-based teaching models， more flexible teaching methods， and focuses on the effective combination of theoretical teaching and practical teaching. In theoretical teaching， it vividly explains the basic principles and core knowledge of Computer Network， and timely analyzes the development status of cutting-edge computer network technologies to broaden students’ knowledge and stimulate their interest in learning. Through the effective implementation of these measures， it has achieved significant teaching results， which not only enhanced students’ mastery of computer network knowledge， but also improved students’ innovative thinking and practical abilities， improving the teaching quality and effectiveness of Computer Network courses.

Key words： Computer Network; small-class teaching; curriculum construction