新工科背景下系統思維方法深度融入的計算機網絡課程教學改革研究

摘要：計算機網絡課程作為一門支撐計算機、網絡類相關專業的基礎必修課程，其課程內容龐雜、涉及知識點多，很多問題需要跨章節、跨層次地理解，學生在學習過程中極易出現“思路掉隊”“前后串聯錯位”等問題。針對此類問題，文章以新工科背景下人才培養需求為牽引，將系統思維方法深度融入課程內容設計中，提出一種基于“精簡去重”的網絡問題樹深度系統優化方法，圍繞“問題樹”進行系統思維方法深度融入的教學案例和實踐科目設計，提升“葉子問題”在課堂教學中對學生注意力的牽引，通過兩個學期教學實踐和考核結果表明學生對“網絡體系結構”“網絡問題樹”等方面的理解和掌握程度有顯著提升，新方法可有效推動課程整體教學效果邁上新臺階。

關鍵詞：新工科；系統思維；網絡問題樹；教學案例設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0169-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

在新工科人才培養模式下，多學科交叉融合達到前所未有的廣度和深度，計算機網絡與通信技術、操作系統、網絡安全以及密碼學等多學科實現融合。傳統的人才培養模式難以應對新時期人才培養的要求，如何通過專業課程培養德才兼備的人才是一項亟待解決的重要課題。在大部分開設計算機、網絡類專業的高校中，計算機網絡課程是計算機科學與技術、密碼工程、信息對抗技術、信息安全專業學生的一門專業背景必修課，對學生建立計算機網絡的整體概念，掌握計算機網絡的基本理論、基本原理、基本技術具有重要作用和意義。

1 現階段課程教學中存在的問題

本文在前期的教學中綜合分析學員學情特點和學習需求，依據人才培養大綱要求，制定了教學計劃，梳理了理論教學內容和實踐教學訓練科目，并在實際教學中取得良好的效果。但是根據實際教學的反饋，目前課程建設仍存在以下幾點不足。

1） 網絡“問題樹”分支冗余繁雜，牽引力末端傳導微弱。在當前教學環節中，針對網絡體系結構的分層模型構建了計算機網絡“問題樹”，圍繞“如何建網？”“如何用網？”兩大主干問題組織構建教學內容，并分化出6個二級問題和33個“葉子問題”，從課程實施效果來看，由于網絡“問題樹”分支冗余繁雜，部分問題在不同分支上重復出現，學員在學習過程中對一些“點狀分布”的知識在整個體系結構中位置認識錯亂，“問題樹”的牽引效應在層層傳導過程中快速衰減，導致學員對于處在問題樹末端的“葉子問題”響應微弱，出現對各知識點之間復雜的關系理不順，學不透的現象，降低了學員的學習積極性，影響了教學效果。

2） 教學內容設計缺乏“系統思維”方法融入。計算機網絡課程涉及知識點多、內容龐雜，很多問題需要聯系跨章節、跨層次的內容進行闡明，需要引導學生從網絡體系結構的維度去思考問題，但這種較短時間內“前后串聯”的方式對學生吸納知識的速率提出較高要求，在教學實施過程中，學生容易出現“思路掉隊”的情況，影響課程進度。且當前教學內容缺乏在“系統思維”方式融入方面的設計，導致學員在學習過程中不能系統、全面、遞進式思考問題，影響教學效果。

3） 部分實驗科目內容缺位，邏輯關聯不強。在實驗環節實施過程中，目前主流的基于eNSP的實驗教材，如《路由和交換技術實驗及實訓— 基于華為eNSP》各實驗科目間邏輯關聯性不強，實驗內容顆粒度劃分與理論課中的重點內容匹配度不夠。同時該教材中大部分都是網絡層內容以下的科目，缺少網絡層以上的實驗科目如：TCP協議分析、網絡故障分析等實驗，無法讓學生手工分析驗證重要協議，與理論環節所學內容互相印證。基于以上原因，導致本課程理論內容與實驗內容銜接度不足，影響教學效果。

綜上所述，本課題擬針對以上教學過程中存在的不足之處，開展新工科背景下計算機網絡課程教學改革研究，深度融入系統思維方法，重構計算機網絡課程內容設計，豐富實驗科目，提升整體教學效果。

2 新工科背景下網絡類專業課課程建設研究現狀

目前，針對新工科背景下網絡類專業課課程建設，在教學思維方式、內容設計、實踐模式等方面，涌現出許多優秀成果。

1） 在思維方式融入方面，燕山大學閆盛楠等人提出一種科學思維方法與專業課教學融合的教學模式。運用科學有效的思維方法指導教與學的過程，通過營造思維刻意訓練的學習氛圍、普及科學思維的方法理論、在學科背景中應用實踐、提供精細化的教師指導，并在教學實踐中持續改進，促使學生建立學科思維，發展科學思維[1]。

2） 在課程內容設計方面，南京郵電大學江雪、王光輝等人針對新工科背景下專業課課程建設要求，分析目前計算機網絡課程教學內容、教學模塊關聯性等方面存在的問題[2]。重構計算機網絡課程的教學內容，強化理論與實際聯系，融入星鏈計劃、北斗衛星、校園網等前沿性、趣味性教學內容，取得較好的教學效果。

3） 在實踐模式方面，復旦大學李景濤等人通過分析現有計算機網絡課程教學內容中存在的問題，面向新工科教學改革的需要，提出基于“學習—應用—創造”三階段教學模型的計算機網絡實驗總體設計，詳細介紹漸進式實驗設計具體過程和實驗要求，取得良好的教學效果[3]。上述研究成果多聚焦于課程教學內容本身的設計，或針對單個章節、知識點的科學思維培養，缺乏對課程整體系統思維與課程內容深度融合方法研究，在實際教學過程中仍存在諸多不足，因此本文依據實際教學情況對系統思維方法深度融入的計算機網絡課程教學開展研究。

3 系統思維方法深度融入的計算機網絡課程教學改革的構思

3.1 基于“精簡去重”的網絡問題樹深度系統優化方法

對照計算機網絡體系結構的層次劃分，保持現有 “如何建網？”“如何用網？”兩大主干問題分化出的6個二級問題不變的前提下，對33個“葉子問題”進行全局角度優化，優化的基本原則如下。

1） 全局歸一化處理各層反復出現的問題。如數據鏈路層、網絡層、傳輸層都會出現“尋址問題”，以往的做法是將MAC地址問題、IP地址問題和端口問題分別在設置“葉子問題”這使得問題樹在教學實施過程中對學員的牽引力不強。本文擬將以上3個“葉子問題”進行全局歸一化處理，合并為通用型的“尋址問題”，在各層知識點講授時分別引出，以壓縮問題規模，增加“葉子問題”的教學過程中對學員的牽引力，提升教學效果。

2） 細化標注各層具有同類性質問題。如交換機中的自學習算法和路由器的路由算法，本質上都是在一定網絡范圍內為了構建一張數據轉發表的數據交換問題，不同點在于交換機是面向局域網的，路由器是面向跨網傳輸的。本課題在進行問題樹優化時，對同類性質問題間的區別進行細化標注。

3） 刪除不在本層協議中解決的問題。如鏈路層的以太網與PPP協議不解決可靠傳輸問題，本課題在鏈路層不再設置“可靠傳輸”的葉子節點問題。

3.2 基于系統思維方法深度融入的教學案例設計

在課程實施過程中，將對照七大思維能力中“系統思維”能力，梳理的具體系統思維方法，將其有機融入教學案例設計中。如在講解OSPF協議時，首先引導學生分析路由“最優”的多維度衡量標準，然后抽象分析全局路徑“最優”問題的解決方案-Dijkstra算法，提升學生多維視角分析、全局視角分析的系統思維能力。本文擬依據學生學習積極性、節點測試結果等來評估教學效果[4]，針對教學中反饋的問題通過PDCA 循環模式來不斷改進教學內容設計，提升學習效果。

3.3 基于eNSP 的遞進式實踐教學模式

在課程實踐環節，基于《路由和交換技術實驗及實訓—基于華為eNSP》教材，搜集綜合案例，基于OBE教學理念，以成果為導向，重構設計顆粒度符合理論教學重點，且層次分明、邏輯關聯性強的實驗科目[5]。如圖1所示，不同層次之間實驗科目存在邏輯上的依賴關系。以數據鏈路層完成的VLAN配置實驗搭建的網絡拓撲為基礎，可以進一步開展網絡層動態路由RIP或OSFP配置實驗。學生在做完一個層次的實驗后可以平緩過渡到另一個層次的實驗，前后實驗是緊密耦合的，并不存在明顯的割裂關系。從一個簡單實驗出發，逐步提升實驗難度，有助于逐步增強學生完成實驗的信心，避免學生產生畏難情緒影響學習效果。同時，在實踐教學環節采用學生“自主式學習、合作式學習”相結合的方式來完成實踐內容，依據學員學習積極性、學習成果等來評估教學效果[6]。

4 課程教學改革的效果

本次教學改革實施對象為信息安全專業本科生，本專業學生作為實施本次教學改革研究的參與者和研究對象，授課教師在開課前對改革具體措施、課程內容調整、課程考核評價做了詳細介紹。

在課程授課完畢后收集學生對課程改革的滿意度[7]，如表1所示。從調查結果來看，94.7%的學生對改革后的課程學習效果感到滿意，90，4%的學生認為系統思維容易的改革方法有助于對計算機網絡體系結構的整體理解和掌握，84.6%的同學認為課程內容的改革提升了學習動力。在本課程的過程性考核和終結性考核中，理論課成績較往年提升9%，實驗課成績提升13%，通過對教學效果的綜合分析評估，本文所提出的系統思維方法深度融入的計算機網絡課程教學改革有效提升了教學質量。

5 結束語

本文結合近五年計算機網絡課程建設經驗，分析當前課程實施過程中存在的痛點問題，將系統思維方法深度融入課程設計，圍繞問題樹進行系統思維方法深度融入的教學案例和實踐科目設計，提出一種基于“精簡去重”的網絡問題樹深度系統優化方法，通過兩個學期教學實踐和考核結果表明，學生對“網絡體系結構”“網絡問題樹”等方面的理解和掌握有顯著提升，課程整體教學效果邁上了新臺階。

參考文獻：

[1] 閆盛楠，顧廣華，荊楠.科學思維方法與專業課深度融合的教學改革探索：以信號與系統課程為例[J].高教刊，2023，9（33）：125-128.

[2] 江雪，王光輝，胡文龍.新工科背景下計算機網絡課程教學體系探索與實踐[J].軟件導刊，2023，22（4）：181-185.

[3] 李景濤，闞海斌，黃啟軒.新工科背景下計算機網絡實驗的漸進式項目設計[J].計算機教育，2023（5）：198-201.

[4] 楊啟超，蔡瑞杰，劉勝利，等.基于階段性目標達成的計算機網絡實驗教學改革探索[J].網絡安全技術與應用，2023（6）：103-106.

[5] 張明軍，肖東升，鄭開濤，等.新工科背景下計算機網絡課程教學改革實踐[J].計算機教育，2024（3）：154-160.

[6] 張揚武，李國和.計算機網絡實驗課程教學改革研究[J].高教學刊，2024，10（5）：112-115.

[7] 熊駿，金文，丁飛，等.基于OBE理念的計算機網絡課程教學改革與實踐[J].軟件導刊，2024，23（1）：204-208.

【通聯編輯：李雅琪】