面向創新能力培養的高級計算機網絡課程建設探索與實踐

［摘 要］高級計算機網絡作為計算機類碩士研究生的一門重要學科基礎課程，對碩士研究生創新能力培養具有重要意義，但在知識體系構建、前沿技術探索以及實踐環節設計等方面仍存在不足，影響了課程效益的發揮。課程組結合陸軍工程大學碩士研究生教學實際，進行了一系列課程改革：構建了以創新能力培養為核心的高級計算機網絡課程體系，建立了專題與文獻相結合的課程內容組織方式，設計了融課前指導預習、課中專題研討、課后思考拓展為一體的研討式教學模式，并設置了融合互補的基礎性課內實驗模塊和“1+N+L”的自主性實驗模塊。實踐證明，課程改革有效提升了課堂教學質量，有助于培養學生的創新思維和實踐能力，為后續的課題研究奠定了堅實的基礎。

［關鍵詞］高級計算機網絡；教學改革；創新能力培養；研討式教學

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）09-0066-06

隨著人工智能、5G、物聯網等技術的快速發展和廣泛應用，計算機網絡已經成為現代社會不可或缺的信息基礎設施，理解和掌握計算機網絡的設計原理與關鍵技術對信息大類碩士研究生開展科研創新活動越來越重要[1]。因此，越來越多的高校開設了計算機網絡相關課程，在本科階段重點講授計算機網絡的基本概念、基本技術等，在碩士研究生階段著重介紹計算機網絡的核心技術原理、技術演進趨勢等[2]。高級計算機網絡課程所涉及的研究領域是世界上發展最快的領域之一。面對創新人才培養的需求，可借鑒國內外計算機網絡碩士研究生課程教學的成功經驗，對本課程的教學內容和教學模式進行探索，為碩士研究生開展創新研究提供必要的支持。

陸軍工程大學（以下簡稱我校）計算機網絡相關課程是謝希仁教授于1983年首次為碩士研究生開設的。1995年以來，我校對計算機網絡相關課程進行了改革，將其基礎原理部分內容設置于本科生教學中，稱為計算機網絡原理課程，將其高端部分內容設置于碩士研究生的教學中，稱為高級計算機網絡課程。目前，我校擁有計算機科學與技術、網絡空間安全、信息與通信工程等信息類一級學科博士授權點，以及電子信息專業博士學位授權點。針對這些學科領域的碩士研究生培養需求，我校開展了系統化的高級計算機網絡課程改革，重點突出對網絡體系結構和關鍵技術的介紹，幫助碩士研究生了解和掌握計算機網絡體系結構的基本理念、核心設計思想和基本的協議機制，深入研究網絡技術的一些重要原理和基本方法，并通過課堂講授、專題研討、文獻研討和綜合實驗等教學形式，構建交互式、研討式的課程教學模式，以培養學生科學思維能力。

一、高級計算機網絡課程教學體系設計

通過分析國內外知名高校的碩士研究生高級計算機網絡課程教學情況發現，當前一般按照以下兩種模式來組織課程教學：第一種是按照傳統的分層體系結構形式來組織教學的模式，即講授模式，但在知識點的組織過程中適當擴充內容的深度與廣度；第二種是按照研討的形式來組織教學的模式，即研討模式，設置若干個專題并以文獻牽引的方式進行技術研討。上述兩種授課模式各有優缺點，第一種模式能夠幫助碩士研究生更加系統地把握計算機網絡的體系結構及核心問題，但由于大多數碩士研究生在本科階段已經按照該模式學習過計算機網絡相關課程，此模式較難激發其學習興趣，并且在課時安排上也存在困難。第二種模式中的前沿技術專題講座雖然能夠幫助碩士研究生迅速把握本專業的熱門研究方向和研究問題，但課程內容缺乏系統性，難以幫助學生把握課程的核心知識體系。并且，對于剛入學的碩士研究生而言，他們中的大多數人并不具備短時間內閱讀大量英文文獻的能力，如果機械地按照“專題+文獻”的方式開展課程教學將會割裂知識點之間的關系，會使學生難以形成知識體系，導致教學效果大打折扣。因此，簡單地以第一種或第二種模式進行高級計算機網絡課程教學，會存在與本科階段學習內容重復或課程內容缺乏系統性等問題，有必要結合碩士研究生教學特點優化課程教學設計。

基于此，我校在借鑒國內外著名大學碩士研究生計算機網絡相關課程教學經驗的基礎上，結合本校碩士研究生的具體特點和培養要求，設計了以提高碩士研究生創新能力為中心的高級計算機網絡課程教學體系[3-4]。課程組將教學內容劃分為理論教學和實踐教學兩大模塊。理論教學將計算機網絡的核心知識點劃分為若干個專題，采用研討模式分析每個專題涉及的核心技術、發展現狀以及未來演進趨勢等；實踐教學則包括課程實驗和自主設計性實驗兩部分，并在教學過程中穿插專題研討及論文研討。這樣的教學注重引導碩士研究生對計算機網絡核心知識、核心原則和前沿研究進行理解與掌握，并鍛煉其利用所學知識動手解決問題的能力。

（一）理論教學體系

計算機網絡的一個典型特點就是概念多、知識點分散，且技術發展快。在碩士研究生初步理解計算機網絡體系結構的基本概念的情況下，教師需要優化理論教學內容的組織形式，以使其進一步理解計算機網絡的核心知識點、演進過程以及發展前沿等，并且要重點分析從提出問題到給出技術方案的思路，讓碩士研究生不僅知其然，更知其所以然，這樣才能夠為其后續的科研創新奠定基礎?；谶@一思路，課程組圍繞計算機網絡的核心內容，采用專題研討的方式組織理論教學內容，設計了如表1所示的7個專題。

首先，理論教學內容涉及的7個專題形成了“總—分—總”的架構，其中網絡體系結構專題是整個內容的基礎。這樣的架構能幫助學生快速回顧計算機網絡體系結構的基本概念，了解計算機網絡體系結構的設計思想、研究現狀以及面臨的挑戰等，并進一步掌握計算機網絡的基本設計原則，如圖1所示。

其次，在網絡體系結構專題的支撐下，網絡路由專題、網絡擁塞控制專題和網絡服務質量專題是傳統計算機網絡教學的3個重要內容，分別解決網絡的互聯互通、穩定高效傳輸、服務質量保證等問題。這些問題是計算機網絡研究的核心問題，隨著有關這些問題的新研究成果的不斷涌現，學生可以通過技術發展脈絡來探索開展研究的一般性方法。這3個專題可以從網絡資源調度分配的視角來統一進行描述：選路本質上就是指分配哪些網絡資源給通信雙方；擁塞控制是指在大量用戶競爭資源的情況下，如何對資源進行合理分配；網絡服務質量是指在面臨不同QoS等級的用戶時，如何通過分配資源盡可能滿足用戶需求。這種描述可以幫助學生以辯證統一的思想從更高層次上理解問題的本質。

再次，網絡安全專題、網絡新技術專題是前述3個專題的拓展，前者幫助學生理解計算機網絡面臨的典型安全威脅及其產生根源，掌握典型網絡威脅分析與防范方法；后者注重分析當前網絡體系結構在應對新應用方面存在的不足，并引出業界的創新性設計理念。這兩個專題的選擇主要考慮到將計算機網絡的基礎知識與前沿研究進行有機結合，可以引起學生的興趣，達到學術視野上的“頂天”；而分析這些研究背后的技術原理則可幫助學生從深層次理解技術的本質，達到技術原理上的“立地”。

最后，網絡設計原則專題從理論抽象層面對課程內容進行總結回顧，抽象形成計算機網絡中常用的設計理念，如軟狀態、隨機化技術、間接技術、虛擬化技術等。引導學生分析這些理念應用到了哪些場景中、帶來了什么好處、在其他課程中是否也可以應用等，這樣可以為其以后應用這些技術來解決課題研究過程中遇到的問題奠定堅實基礎。

（二）實踐教學體系

隨著國家新工科建設的深入推進，研究生教育需要瞄準科技前沿領域和關鍵領域，深化研究生培養模式改革，著力增強研究生的創新能力和實踐能力[5-6]。但目前碩士研究生在計算機網絡相關課程的實踐操作教學中仍存在不少問題。本質上，高級計算機網絡是一門實踐性非常強的課程，僅僅通過理論學習很難理解其背后的技術原理，因此有必要面向人才培養需求，加強實踐環節設計，著力培養學生理論聯系實際的能力[7]。

為此，課程組結合理論課程內容，設計了兩類實踐教學內容：課堂實驗和自主性實驗。前者與理論教學相配套，幫助學生更好地理解計算機網絡的基本原理。例如，針對網絡路由專題設計大規模網絡測量數據綜合分析的實驗內容，針對網絡擁塞控制專題設計數據中心網絡擁塞控制方法設計實驗，針對網絡服務質量專題設計多媒體服務質量優化實驗，針對網絡安全專題設計TCP連接安全實驗，針對網絡體系結構專題設計可編程網絡的實驗內容等。這些課堂實驗內容與理論教學內容密切結合，可以作為理論教學的有益補充。

此外，考慮到碩士研究生課程的特點及后續碩士研究生課題研究能力培養的需要[8-9]，課程組設計了“1+N+L”的自主性實驗模式，其中1代表課程的授課教師、N為課程組成員或選課碩士研究生的導師、L代表要求碩士研究生從實驗室（Lab）的在研項目中凝練提取創新課題。此模式鼓勵碩士研究生與導師加強溝通交流，共同提出創新性的課題研究思路，實現課程教學與課題研究的有機結合。授課教師結合課程知識體系對課題內容進行整理優化，形成自主性實驗課題庫，2～3名碩士研究生為1組選擇課題開展研究工作。為了幫助碩士研究生校準研究方向和跟上研究進度，授課教師組織1次集中的課題研究方案匯報和1次終期匯報，且邀請提出課題的教師對課題背景、碩士研究生的設計思路、研究成效、應用前景等進行點評，融入他們在大課題研究過程中發現問題、解決問題的思路，團隊的協作以及研究感悟等內容，潛移默化地對學生開展科研、進行團隊協作等產生影響。目前，課程組結合所承擔項目及課程教學內容，初步建成如表2所示的典型項目庫，并建立了項目庫動態更新機制。

計算機網絡技術既是未來信息化戰爭中戰斗力的倍增器，也是個別國家對我國“卡脖子”最嚴重的領域之一[10-11]。應將網絡協議設計的哲學辯證思維、老一輩科學家在計算機網絡領域研究創業的奉獻精神、我國在計算機網絡領域博弈過程中的愛國主義思想、信息化建設中網信人才的責任擔當意識等思政元素融入專業課程教學中，幫助碩士研究生建立正確的世界觀、人生觀和價值觀。

從近幾年的實踐效果看，這一實踐教學模式取得了良好的效果。課程組引導碩士研究生“在研究中學習，在學習中研究”，既豐富了教學內容與手段，又能夠將最新的學科知識或科研需求及時反映到教學中，從而提升碩士研究生的學習興趣和實踐能力，使他們在基本知識掌握、前沿知識了解、實踐能力與綜合設計能力提升以及品質培養等方面均有較大收獲，同時對他們后續的科研創新活動也有極大的正向促進作用。

二、課程教學模式與考核機制設計

結合碩士研究生特點，課程組開展了以問題驅動的研討式教學，形成了“預習、研討—講授、總結—探索”的模式，并設置了文獻閱讀交流和實踐訓練等環節，重點培養碩士研究生的好奇心、想象力和批判性思維，加強其對基礎理論知識的掌握，重點對其進行基本技能的訓練與實踐能力的培育。

首先，在課前預習階段，布置具有啟發性的課前預習思考題，以問題驅動碩士研究生去思考，變傳統的被動學習為主動學習和研究性學習。圍繞每堂課的核心知識點，設計具有啟發性的問題，讓碩士研究生從研究的視角進行預習，使碩士研究生經歷創新的過程。

其次，在課前碩士研究生充分思考的基礎上，用設問等方式調動和活躍課堂氣氛，讓碩士研究生討論回答“是什么、為什么、怎么做”等基礎性問題，教師適時進行總結講評，將被動的知識傳授過程變為主動的知識發現過程。接著，進一步引導碩士研究生思考現有解決方案有什么優缺點，能否適應當前網絡環境，有哪些需要改進的地方，從而積極拓展其思維，激發其學習積極性。

最后，在課后拓展環節，采用教師提供與碩士研究生查找相結合的方式，匯集不少于5篇與研討專題密切相關、兼顧影響力與時效性的文獻。碩士研究生結合這些文獻了解研討專題關鍵技術的發展趨勢、最新研究進展，思考未來的研究方向等，從而達到全面透徹地理解研討專題關鍵技術、掌握圍繞問題開展研究的一般性方法的目標。

在課前預習階段，先讓碩士研究生結合對擁塞控制基本概念的認識，思考什么是擁塞控制、為什么要進行擁塞控制以及如何進行擁塞控制，了解當前網絡擁塞控制的一般性做法。

在課中研討階段，首先采取碩士研究生研討、教師總結點評的方式全面分析傳統的擁塞控制技術，避免部分碩士研究生因預習不夠充分而產生認知偏差。隨后，師生共同分析現有方法的優缺點。例如，分析公平性和效率這兩個核心指標有無改進空間，通過無線網絡分組丟失現象分析TCP擁塞控制中擁塞判斷標準的不合理之處，通過高帶寬時延積網絡中擁塞控制對網絡吞吐率的影響分析其效率問題等，讓碩士研究生思考這些問題產生的根源以及改進方法。最后，引導碩士研究生思考網絡擁塞控制的本質是什么、資源如何在競爭對象之間實現共享。這樣，碩士研究生在開展研討的時候就能夠更加有的放矢，同時也鍛煉了他們對問題進行提煉和分析的能力。

在課后拓展階段，教師為碩士研究生提供兩篇討論在數據中心網絡、深度學習模型訓練環境中采取何種擁塞控制方法的文獻，同時讓他們自行查找其他有關文獻，找出在新網絡環境、新應用場景以及新網絡運維模式下更好的擁塞控制方法，引導他們分析技術發展脈絡并進行課堂交流，并在總結后形成專題報告，間接培養他們跟蹤學科前沿性研究的能力和學術交流能力。

在考核方式上，采用“知識+技能+創新”的綜合考核機制，重點考核碩士研究生掌握計算機網絡基礎知識、基本的網絡設計技能的情況以及基于課程知識開展軍事創新實踐的能力。利用考核機制引導碩士研究生改變傳統的學習方式，加強教師對教學全過程的管理；衡量碩士研究生的綜合能力與素質，激勵其全面發展，對在專題交流以及綜合性實踐中表現突出的碩士研究生，給予最終考核成績加分獎勵，讓他們在學習過程中有參與感和獲得感。

需要注意的是，在授課過程中，應充分考慮碩士研究生的特點，堅持“善于留白、享用終身”的設計理念，避免教師參與太多，堅決杜絕“滿堂灌”現象，留足時間和空間給碩士研究生展現自我、張揚個性，讓其逐漸具備較強的知識技能與較高的專業素養、批判性思維、問題解決能力、創新創造能力等。

三、教學效果分析

我校從2021年開始對碩士研究生高級計算機網絡課程進行改革創新，經過4年的實踐，取得了很好的效果。高級計算機網絡課程于2022年入選我校碩士研究生精品建設課程，并得到選課碩士研究生的一致好評。目前，本課程的選課人數持續增加，學校計算機科學與技術、網絡空間安全以及計算機技術等學科或專業70%以上的碩士研究生都將本課程作為其核心課程。一批碩士研究生基于課程學習過程中的項目實踐成果等，參加了研究生創新實踐大賽、大學生物聯網技術與應用大賽等，并取得了優異成績。從課程結束后的調研中也發現，碩士研究生對于課前指導預習、課中專題研討、課后思考拓展的理論教學模式，以及“1+N+L”的自主性實驗模式印象深刻，普遍反映對于其分析問題、梳理技術脈絡以及解決問題等能力的提升有非常大的幫助。然而，在教學過程中，課程組也發現有部分碩士研究生的基礎較為薄弱，文獻閱讀和動手實踐能力不足。對此，課程組準備對學生進行合理分組，建立綜合貢獻評價機制，讓基礎相對較好的碩士研究生作為組長，協調組員協作完成任務，實現共同提高。

四、結語

高級計算機網絡是計算機科學與技術、信息與通信工程、網絡空間安全等學科的一門經典核心課程，對于碩士研究生掌握相關學科的基本知識、提升科研能力具有重要意義。我校碩士研究生計算機網絡課程始于1983年，經過多年的建設實踐，取得了長足的發展，尤其是課程組結合新型人才培養需求，對課程進行了一系列改革，優化了專題式課程教學內容，構建了較為完善的碩士研究生高級計算機網絡課程教學體系，采用了問題驅動的研討式理論教學方法以及構建了“1+N+L”的自主性實驗模式。教師在授課過程中充分考慮碩士研究生的特點，堅持“善于留白、享用終身”的設計理念，給碩士研究生留足時間和空間，培養其具備批判性思維與問題解決能力、探究精神與創新創造能力等。近4年的實踐結果顯示，這一改革取得了很好的效果。計算機網絡領域的發展非常迅速，新技術新應用層出不窮，給課程建設帶來了新的挑戰。在后續工作中，課程組將持續關注技術發展前沿，充分考慮碩士研究生的特點，有針對性地進行課程體系改革創新，強化個性化學習與全員全程全方位育人的有機統一，不斷增強課程在人才培養中的作用。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責任編輯：鐘 嵐］