新工科建設(shè)背景下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

章 玥，彭 超，劉獻(xiàn)忠

（華東師范大學(xué) 軟件工程學(xué)院，上海，200062）

0 引言

為了主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革、國(guó)家戰(zhàn)略的需求，2017 年2 月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。新工科建設(shè)行動(dòng)路線提出了“三個(gè)階段、三個(gè)任務(wù)、三個(gè)突破”的行動(dòng)方案，將“學(xué)與教”作為三個(gè)任務(wù)中的第一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)并給出了指導(dǎo)意見[1]。具體包括：在人才知識(shí)體系方面，提出基于時(shí)代和未來卓越工程人才核心素養(yǎng)和能力加快課程改革，注重前沿知識(shí)和學(xué)科交叉知識(shí)體系建設(shè)，注重實(shí)踐創(chuàng)新性課程體系建設(shè)；針對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量，提出完善學(xué)習(xí)目標(biāo)、培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方案、課程大綱、評(píng)價(jià)分析、課程品質(zhì)報(bào)告、改進(jìn)方案實(shí)施等環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)；在教學(xué)方式和技術(shù)上，注重以新型信息技術(shù)為支撐的探究式、討論式、參與式教學(xué)和混合式學(xué)習(xí)等教學(xué)方式。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是信息時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程等新工科專業(yè)方向本科生重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域背景知識(shí)，理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議及應(yīng)用的工作原理，分析和解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)嶋H問題具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展需要更多高素質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才，如何在新工科建設(shè)背景下，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行改革，以應(yīng)對(duì)時(shí)代對(duì)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域卓越工程人才的需求，是一個(gè)亟需探討的問題。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程現(xiàn)狀及特點(diǎn)

有別于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的其他基礎(chǔ)課程，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)體系大多基于當(dāng)前的因特網(wǎng)建立，是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)綜合體，課程知識(shí)體系龐雜，具有跨學(xué)科的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度大。課程內(nèi)容雖圍繞計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型層次結(jié)構(gòu)展開，知識(shí)點(diǎn)卻相對(duì)分散，覆蓋了數(shù)據(jù)通信、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制論、排隊(duì)論、圖論、信息論、控制理論等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的知識(shí)體系是從工程實(shí)踐中總結(jié)來的，其知識(shí)點(diǎn)的理解，需要將理論與實(shí)踐相結(jié)合、將課堂所學(xué)靈活運(yùn)用于解決具體實(shí)際問題。另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展要求計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方法能夠與時(shí)俱進(jìn)，而當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)內(nèi)容已相對(duì)陳舊，難以體現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中最新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。在教學(xué)方式上，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式難以照顧到每一位學(xué)生，一旦學(xué)生沒能在課堂教學(xué)過程中及時(shí)跟上學(xué)習(xí)進(jìn)度，在知識(shí)點(diǎn)的理解和把握方面便會(huì)顯得力不從心，甚至產(chǎn)生沮喪情緒。傳統(tǒng)的授課方式以教師講授為主，學(xué)生處于被動(dòng)的一方，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解往往停留在紙面，獨(dú)立思考的積極性不高，缺乏主動(dòng)從實(shí)際出發(fā)、理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

2 課程改革思路

針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)點(diǎn)龐雜、跨學(xué)科、學(xué)習(xí)難度大等特點(diǎn)，根據(jù)新工科建設(shè)行動(dòng)方案對(duì)“學(xué)與教”在知識(shí)體系、培養(yǎng)質(zhì)量、教學(xué)方式等方面給出的指導(dǎo)意見，為了提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)質(zhì)量，打破計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容相對(duì)陳舊、與實(shí)際脫節(jié)的局面，有必要從如下幾個(gè)方面對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行改革：①改進(jìn)課程內(nèi)容體系，注重教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度；②落實(shí)創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，注重實(shí)踐內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)嶋H工作的關(guān)聯(lián)；③改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，注重學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成度與過程化考核的內(nèi)在聯(lián)系；④完善教學(xué)方式，注重混合式教學(xué)與學(xué)習(xí)參與度的相輔相成。

3 改革實(shí)踐過程

結(jié)合上述從課程內(nèi)容體系、創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)、教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)方式等4 個(gè)方面對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行改革的思路，華東師范大學(xué)軟件工程學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)施的改革實(shí)踐內(nèi)容具體包括梳理教學(xué)內(nèi)容、課程實(shí)踐改革、完善教學(xué)大綱、規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)4 個(gè)方面。

3.1 梳理教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本課程選用的是Andrew S.Tanenbaum和David J.Wetherall編著的《Computer Networks》（第五版）英文原版教材基礎(chǔ)上，按照教材所給出的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型層次結(jié)構(gòu)展開教學(xué)內(nèi)容，梳理了每一章的教學(xué)重難點(diǎn)，包括網(wǎng)絡(luò)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)參考模型、數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)、數(shù)字調(diào)制與復(fù)用、公用交換電話網(wǎng)絡(luò)、差錯(cuò)檢測(cè)及糾正、停等協(xié)議和滑動(dòng)窗口協(xié)議、多路訪問協(xié)議、以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)要素、路由算法、Internet 的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層協(xié)議要素、擁塞控制、TCP 等。

將Behrouz A.Forouzan 編著的《Data Communications Networking》（第五版）作為輔助教材，進(jìn)一步梳理數(shù)據(jù)通信理論基礎(chǔ)部分的教學(xué)內(nèi)容，輔助學(xué)生厘清數(shù)字傳輸與模擬傳輸?shù)幕驹砑案髯运婕暗募夹g(shù)要點(diǎn)。同時(shí)引入Larry L.Peterson和Bruce S.Davie 編著的《Computer Networks:A Systems Approach》（第五版），供學(xué)有余力的學(xué)生課下研讀，增加理論知識(shí)深度，從構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、連接到網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、規(guī)模化、資源分配等視角來加深對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)，尤其是資源分配部分所涉及的對(duì)于開展網(wǎng)絡(luò)研究十分重要的相關(guān)術(shù)語、評(píng)價(jià)指標(biāo)、排隊(duì)策略等。針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程術(shù)語眾多、容易混淆等問題，提供了Cisco的網(wǎng)絡(luò)顧問手冊(cè)[2]給學(xué)生，供其速查課程中各個(gè)專業(yè)術(shù)語。

為了將網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最新的前沿知識(shí)納入課程體系，圍繞每章教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)的討論版塊，如軟件定義網(wǎng)絡(luò)、5G、以太網(wǎng)、擁塞控制等，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)頂級(jí)會(huì)議（如SIGCOMM、NSDI 等）、期刊資料（如IEEE Communication Magazine 等）及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源作為參考資料提供給學(xué)生，以便學(xué)生及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

3.2 課程實(shí)踐改革

在面向應(yīng)用的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)部分，基于教材自帶的以抓包分析為主的實(shí)驗(yàn)，筆者選擇了協(xié)議層次、以太網(wǎng)、IPv4、ARP、UDP 和TCP6 個(gè)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)系，在ARP 實(shí)驗(yàn)中增加了ARP 欺騙的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在UDP 部分增加了與DNS 和DHCP 協(xié)議結(jié)合分析的部分。

在面向探索和研究的課外拓展實(shí)驗(yàn)部分，筆者重點(diǎn)設(shè)計(jì)了針對(duì)Socket 編程、經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)模擬工具NS2 和NS3、軟件定義網(wǎng)絡(luò)仿真工具M(jìn)ininet的拓展實(shí)驗(yàn)，涵蓋了實(shí)際工作中常用的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域主流的模擬工具/仿真工具。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重點(diǎn)關(guān)注TCP 協(xié)議擁塞控制機(jī)制、路由器排隊(duì)算法、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)中典型的重難點(diǎn)及熱點(diǎn)話題。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的創(chuàng)新性，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展最新動(dòng)態(tài)，設(shè)計(jì)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議最新熱點(diǎn)論文中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重現(xiàn)[3]的參照實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程方面的熱情，提升學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.3 完善教學(xué)大綱

合理的教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)大綱的核心，對(duì)于教學(xué)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的課程目標(biāo)包括：①使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)通信的基本原理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系思想；②理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的工作原理；③具備設(shè)計(jì)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)軟件及規(guī)劃管理網(wǎng)絡(luò)硬件的能力。上述教學(xué)目標(biāo)在制定時(shí)以教師為主體，學(xué)生較難領(lǐng)會(huì)教學(xué)目標(biāo)的核心思想。為此，以學(xué)生為主體，從學(xué)生能力培養(yǎng)的角度制定教學(xué)目標(biāo)，按照布魯姆認(rèn)知過程中的“記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)估、創(chuàng)造”6 個(gè)層級(jí)，制定了5 個(gè)教學(xué)目標(biāo)，分別如下：①描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，闡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的關(guān)鍵概念和術(shù)語，閱讀并理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)材料，從而達(dá)到理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的核心知識(shí)的能力；②解釋計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)及各層的主要功能，說明典型網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征，解釋典型協(xié)議及應(yīng)用的工作原理，從而達(dá)到深入理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議及應(yīng)用的工作原理的能力；③運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)涉及的相關(guān)理論和技術(shù)，分析及評(píng)估計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，從而達(dá)到靈活運(yùn)用理論知識(shí)、分析解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力；④運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)涉及的相關(guān)工具，分析及評(píng)估計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而達(dá)到靈活運(yùn)用工具展開動(dòng)手實(shí)踐的能力；⑤設(shè)計(jì)和開發(fā)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信程序，從而達(dá)到在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中開發(fā)實(shí)踐的綜合能力。同時(shí)，圍繞課程各個(gè)章節(jié)給出了每個(gè)章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)重點(diǎn)難點(diǎn)。

針對(duì)上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，在考核評(píng)價(jià)體系方面，設(shè)計(jì)了面向教學(xué)目標(biāo)的多維度過程化考核評(píng)價(jià)方法。強(qiáng)調(diào)過程化考核，增加了平時(shí)成績(jī)?cè)诳傇u(píng)成績(jī)中的比重，平時(shí)成績(jī)包括自測(cè)題、課程討論、出勤、平時(shí)作業(yè)和期中考試5 個(gè)部分。將教學(xué)目標(biāo)與具體的考核機(jī)制綁定，除傳統(tǒng)的期中考試、期末考試外，將出勤、線上線下活動(dòng)的參與度、作業(yè)及測(cè)試的完成時(shí)間及完成質(zhì)量等納入考核評(píng)價(jià)體系，并為上述考核方式分配與具體教學(xué)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的比重，完善學(xué)生評(píng)價(jià)機(jī)制及量化指標(biāo)，確保每位學(xué)生都能全程參與到完整的教學(xué)活動(dòng)中。

3.4 規(guī)劃教學(xué)活動(dòng)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教學(xué)活動(dòng)以教師授課為主，形式相對(duì)單一，學(xué)生的積極性較難調(diào)動(dòng)。為此，采用了面向混合式線上線下教學(xué)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程新型教學(xué)模式。在為每章教學(xué)內(nèi)容分配對(duì)應(yīng)的講授學(xué)時(shí)、討論學(xué)時(shí)、習(xí)題學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)包括教師講授、學(xué)生閱讀材料、討論課、學(xué)生自測(cè)、師生在線討論等多種形式在內(nèi)的豐富多樣的教學(xué)活動(dòng)，設(shè)計(jì)以知識(shí)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，按照課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)重新組織教師和學(xué)生分別需要完成的教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容。同時(shí)，制作了微課視頻和對(duì)應(yīng)的自測(cè)題，輔助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解。

依托華東師范大學(xué)的在線教學(xué)平臺(tái)“大夏學(xué)堂”，課程網(wǎng)站的常用功能包括課程內(nèi)容發(fā)布、課程通知發(fā)布、自測(cè)題、課程對(duì)話、成績(jī)中心、課程報(bào)告統(tǒng)計(jì)等，提供了課程簡(jiǎn)介、教師簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、課程目錄、課程公告、課件資料、多媒體資源、參考資料、自測(cè)題、討論交互、作業(yè)、拓展等豐富的教學(xué)資源。根據(jù)每周課堂教學(xué)進(jìn)度安排，發(fā)布每周課程導(dǎo)航、每周學(xué)習(xí)任務(wù)、每周學(xué)習(xí)要點(diǎn)、教材和輔助教材及對(duì)應(yīng)的PPT，以便學(xué)生課前預(yù)習(xí)。圍繞重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)了自測(cè)題供學(xué)生課后完成，建設(shè)了題型豐富的題庫；通過在線討論版塊，幫助學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

4 教學(xué)效果

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)施上述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革措施的過程中，獲得了學(xué)生和同行的一致好評(píng)。學(xué)生表示，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程“讓同學(xué)們了解最新的技術(shù)與存在的問題”“提高大家對(duì)這門課的興趣”“安排的十分有條理，清晰妥當(dāng)”“每節(jié)課教授的知識(shí)量合適”“銜接很好，同時(shí)會(huì)帶學(xué)生總覽本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)，條理清晰，課下設(shè)置合適的作業(yè)、小測(cè)和討論等幫助學(xué)生及時(shí)鞏固知識(shí)”“拓展版塊提供給學(xué)生一些學(xué)習(xí)方向，深入理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”“這門課讓人受益匪淺”。

5 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷飛速發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容體系和教學(xué)方法對(duì)新工科項(xiàng)目建設(shè)過程中培養(yǎng)卓越人才具有重要意義。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程改革的道路上，強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容的前沿性、實(shí)踐的創(chuàng)新性、評(píng)價(jià)的完善性是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)力的有效手段。