新時代下計算機網(wǎng)絡(luò)課程“三新”探索及實施

孫偉峰，張麗君，姚 琳

（大連理工大學(xué)軟件學(xué)院，遼寧大連 116600）

0 引言

計算機網(wǎng)絡(luò)作為計算機科學(xué)技術(shù)、計算機工程、信息安全、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)空間安全、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)課程，其核心地位顯而易見。打好計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，對學(xué)好后續(xù)課程有著重要作用。在物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)層出不窮的時代，計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也進入了“開放、開源”快車道，應(yīng)從多個方面對計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及考核方式等進行改革及改進。從內(nèi)容上，計算機網(wǎng)絡(luò)的知識點比較經(jīng)典，而在計算機技術(shù)特別是有線/無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容往往不能包含涌現(xiàn)出的新技術(shù)，但是課堂需要新的內(nèi)容。信息化、MOOC、即時通信等相關(guān)應(yīng)用的普及，使得教學(xué)方法不再局限于傳統(tǒng)課堂授課，而是可以融合更多面向成果導(dǎo)向的“新技術(shù)”。相應(yīng)地，課程考核方式也不只是局限于課堂出勤、課下作業(yè)、結(jié)課后考試，應(yīng)出現(xiàn)打破“自教自考”、方式單一的“新考核”方法。

本方案的實施以大連理工大學(xué)軟件學(xué)院的教學(xué)團隊為主體，從初期使用中文教材、各教師均承擔教學(xué)任務(wù)，發(fā)展為現(xiàn)在的雙語授課、集體備課、考教分離的教學(xué)方式，并在此基礎(chǔ)上不斷加強課程思政內(nèi)容建設(shè)，持續(xù)改進和優(yōu)化教學(xué)模式。

目前，已形成一支以網(wǎng)絡(luò)工程系教師為主的教學(xué)團隊，團隊也不斷引入新的成員，并積極推行教學(xué)改革和實施精品課程建設(shè)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方法、雙語教學(xué)、實驗課建設(shè)、網(wǎng)站建設(shè)等方面做了一些工作，也取得了一些成效。課程已于2010 年被評為“大連理工大學(xué)優(yōu)秀課程”，2014 年開始進行開放式課程設(shè)計。從2012 年起進行在線視頻建設(shè)——以線上預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)與線下授課相結(jié)合的方式。有教師建設(shè)的視頻已用于繼續(xù)教育學(xué)院，目前還作為盤錦校區(qū)的輔修課程使用，課題團隊也各自錄制了視頻。

1 相關(guān)研究

后疫情時代，傳統(tǒng)的課堂教育模式已經(jīng)不能滿足當前教育形式，尤其是以計算機網(wǎng)絡(luò)為代表的工程性學(xué)科，需要學(xué)生掌握一定的實踐操作技能。虛擬仿真軟件作為一種工程輔助教學(xué)軟件，極大地簡化了計算機類課程的實踐流程，學(xué)生易上手，學(xué)校投入的經(jīng)費也大幅減少。當前疫情雖得以控制，但也會出現(xiàn)突發(fā)狀況，這就要求高校必須靈活變動上課及實踐形式。關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)類課程改革，也有一些高等院校采取了相應(yīng)措施。黃光能等提出一種線上線下相結(jié)合的MOOC 教學(xué)方式，將課程內(nèi)容按照一定比例分為線上自主學(xué)習(xí)和線下授課兩部分，并且在課程中融入思政內(nèi)容，以引導(dǎo)學(xué)生形成正確的價值觀，培養(yǎng)學(xué)生的責任感，但是該方式將所有學(xué)生視為一個水準，忽視了部分后進學(xué)生的學(xué)習(xí)，學(xué)生成績?nèi)菀壮霈F(xiàn)斷層；董國鋼基于“三全育人”理念，進行教材創(chuàng)新，構(gòu)建慕課資源，以賽促學(xué)，以考促學(xué)，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，該方法雖然創(chuàng)新性好，但是忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的不同，容易打亂學(xué)生原本適合自己的學(xué)習(xí)方式；張燕等提出一種新工科背景下的智慧課堂教學(xué)模式，課前教師推送教學(xué)大綱及視頻，學(xué)生進行自學(xué)自測，課堂教師授課，師生一起討論，課后學(xué)生進行實踐總結(jié)，記錄動態(tài)化的學(xué)習(xí)軌跡和測評反饋，該方式可在一定程度上關(guān)注到每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，卻忽視了教師的差異性，不同教師授課風(fēng)格有所不同，會對整個課堂造成局限性。也有高校基于OBE 理念開展教學(xué)實踐，關(guān)注教育產(chǎn)出，明確學(xué)生應(yīng)該掌握什么知識，判斷學(xué)生對知識掌握的程度，但是整個教學(xué)過程都是教師圍繞學(xué)生轉(zhuǎn)，并未去考慮教師的差異性。

基于以上分析，以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標，從教學(xué)新內(nèi)容、教學(xué)新手段及考核新方式3 方面進行改進，并以“三新”的面向成果導(dǎo)向，進行了初步教學(xué)實施。

2 教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)狀及改進

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容及改進

計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)目標包括：①知識目標：準確解析網(wǎng)絡(luò)各項基礎(chǔ)術(shù)語；理解計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理；理解TCP/IP 協(xié)議棧中各層協(xié)議的工作原理并能計算相關(guān)數(shù)值；知曉網(wǎng)絡(luò)技術(shù)前沿發(fā)展；②能力目標：具有具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)問題診斷、問題分析及解決能力，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和從事計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、開發(fā)及研究打下必要基礎(chǔ)；③素質(zhì)目標：樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，讓學(xué)生能夠在解決復(fù)雜工程問題時，認識到工程對社會及文化的影響，并理解其應(yīng)承擔的責任。

Fig.1 7 layers of OSI model and 5 layers of TCP/IP model圖1 OSI 7模型和TCP/IP 5層模型

教學(xué)內(nèi)容比較經(jīng)典，不管是自頂向下或是自底向上，大多教材針對的是OSI7 層參考模型或TCP/IP 5 層參考模型，如圖1 所示。講解各層次的作用及層次間的關(guān)系，學(xué)習(xí)和講解教材的協(xié)議、原理等。

而新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層出不窮，除經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議外，教學(xué)內(nèi)容還可以與時俱進，引入新的技術(shù)：如應(yīng)用層的HTML5；IMAP4 替代POS3 的原因；從TCP 到支持并行傳輸?shù)腗P-TCP、QUIC；TCP 擁塞控制算法中，除TCP-RENO 外的TCP-BBR、XCP；從IEEE802.11b 到IEEE802.11az；從傳統(tǒng)的路由表選路到軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）等。這些新技術(shù)中，根據(jù)學(xué)生們的反映，有選擇地進行引入，如圖2、圖3 所示，將SDN 引入課堂，以作相關(guān)知識的拓展延伸。此外，對于不同類型的學(xué)校（教育部高校、地方高校）等，也要區(qū)別對待。一般而言，教育部直屬高校更偏向于理論研究；地方院校會偏向于實際工程，例如依據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析工具Wireshark 的操作和抓取的數(shù)據(jù)包介紹協(xié)議原理，或者基于Cisco Packet Trace 模擬器進行網(wǎng)絡(luò)仿真等。

這種“新內(nèi)容”并非固定，而是根據(jù)課程需要而不斷變化。由清華大學(xué)崔勇教授牽頭的“計算機網(wǎng)絡(luò)開放社區(qū)”中，筆者負責組織的拓展內(nèi)容“新型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)”中，就包含有物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、人工智能在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)測量等新內(nèi)容。這些內(nèi)容以開源和開放的方式共享，在社區(qū)中不斷更新優(yōu)化，將促進計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容與時俱進。

Fig.2 Introduction of SDN class圖2 SDN課堂介紹

Fig.3 Comparison of traditional architecture and SDN圖3 傳統(tǒng)架構(gòu)與SDN比較

2.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)新方法

除新的教學(xué)內(nèi)容外，新的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)工具也層出不窮，特別是新冠疫情下的在線授課，涌現(xiàn)出一批線上資源。結(jié)合MOOC、SPOC、騰訊會議、釘釘、ZooM、QQ 課堂、飛書、各種即時通信工具群，線上授課（直播及錄播）已經(jīng)成為教學(xué)常態(tài)。在目前的后疫情時代，這些網(wǎng)絡(luò)資源也在發(fā)揮著重要的輔助作用。

有了線上資源和在線學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，可以逐步開展“線上—線下混合教學(xué)”，而關(guān)于混合教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂的改革和實施已有相應(yīng)研究及實施成果。以深入理解軟件定義網(wǎng)絡(luò)為例，陳美娟等利用線上和線下資源，設(shè)計一種基于瀏覽器和本地虛擬機的虛擬型實驗項目和基于實體SDN 交換機的實體型實驗項目方式，并進行了實施；李志輝等結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂開展教學(xué)，分為課前自主學(xué)習(xí)階段和面授課堂學(xué)習(xí)階段。自主學(xué)習(xí)階段，教師會按照所發(fā)布的學(xué)習(xí)資源和任務(wù)，并將其分為不同的難易程度，并在平臺討論區(qū)與學(xué)生進行互動。面授課堂學(xué)習(xí)階段，教師在平臺創(chuàng)建各種類型的課堂活動。李文騫等結(jié)合OBE 理念實施了翻轉(zhuǎn)課堂與對分課堂結(jié)合的教學(xué)活動，將學(xué)習(xí)成果劃分為兩個層次，面向普通學(xué)生和有能力的學(xué)生，并且采用翻轉(zhuǎn)課堂調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣；孫偉峰等闡述了在線分組的教學(xué)方案。后疫情時代，可以將線上學(xué)習(xí)與線下討論相結(jié)合。在線下加以引導(dǎo)，建議學(xué)生線上學(xué)習(xí)下一步內(nèi)容，以問題驅(qū)動，鼓勵學(xué)生們提出問題并加以分析，并在線下當場出一些練習(xí)題，用相應(yīng)的知識內(nèi)容分析解決問題。通過平臺（在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站、雨課堂）等查看結(jié)果，既作為課堂的平時成績，又是對學(xué)生的自我檢驗。如圖4所示，根據(jù)作業(yè)統(tǒng)計情況，可以及時了解學(xué)生對某個知識點的整體掌握情況，也可查看未作答學(xué)生的名單，以及時跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)。

Fig.4 An example of homework statistics on golden courses platform of Dalian University of Technology圖4 大連理工大學(xué)金課平臺作業(yè)統(tǒng)計示例

更重要的是，這種方式可以重點關(guān)注“后進學(xué)生”，以區(qū)別于以往的精英教育：哪些學(xué)生不出席、沒看視頻、答題不正確，可以重點關(guān)注和“照顧”，力爭實現(xiàn)“一個都不掉隊”，促進全員共同進步。文獻［11］采用學(xué)生分組形式，可以將這種激勵方式變成“區(qū)域化”激勵。

2.3 網(wǎng)絡(luò)課程中工程實踐及課程思政

計算機網(wǎng)絡(luò)課程同“網(wǎng)絡(luò)綜合實驗”課程聯(lián)合建設(shè)，作為計算機網(wǎng)絡(luò)后續(xù)課程，網(wǎng)絡(luò)綜合實驗課程團隊已搭建出集課堂教學(xué)、實踐教學(xué)、課外輔導(dǎo)功能于一體的多功能教學(xué)輔助平臺，便于學(xué)生課下復(fù)習(xí)自學(xué)，為學(xué)生課下主動學(xué)習(xí)提供方便。建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)綜合實驗室設(shè)計了綜合型（教學(xué)、科研、畢設(shè)、實訓(xùn)、競賽）、一體化（路由交換實驗、IPv6實驗、存儲技術(shù)實驗、無線實驗、綜合組網(wǎng)實訓(xùn)、綜合布線及系統(tǒng)集成實訓(xùn)）的實驗教學(xué)環(huán)境，在整個東北地區(qū)高校乃至全國的軟件學(xué)院里都是最好的綜合型網(wǎng)絡(luò)實驗室之一。

在“三全育人”的政策指引下，課程團隊也不忘“課程思政”，將我國計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及優(yōu)勢引入課程，如“移動支付”“北斗導(dǎo)航”等內(nèi)容。在課程思政方面引入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)拓展內(nèi)容如圖5所示。

Fig.5 Examples of ideological and political courses圖5 思政課程示例

3 面向過程的高效線上教學(xué)方案設(shè)計

3.1 線上資源線下打通

擬解決傳統(tǒng)線下課程中的如下4 個問題：①傳統(tǒng)線下課程中考綱與授課課件常年不變，導(dǎo)致授課內(nèi)容單調(diào)且陳舊；②傳統(tǒng)線下課程中教師與學(xué)生見面有限，導(dǎo)致教師與學(xué)生溝通困難；③傳統(tǒng)線下課程中學(xué)生僅能通過線下課堂獲取知識，導(dǎo)致課下預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)困難；④傳統(tǒng)課堂中學(xué)生被動學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)質(zhì)量低。

通過線上平臺教師的錄課視頻，實現(xiàn)出題、答題等，增強課堂互動。學(xué)生可通過線上平臺上提出問題并發(fā)起討論，結(jié)合QQ 群、論壇等線上輔助，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。同時，對重難點等問題，也可通過線上平臺（大連理工大學(xué)金課平臺）上傳視頻（教師團隊的現(xiàn)場錄課、線上錄課、網(wǎng)上資源等），供學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等，如圖6所示。

3.2 同源存異

Fig.6 Teaching video of golden courses construction platform of Dalian university of technology圖6 大連理工大學(xué)金課建設(shè)平臺授課視頻

采用“主干相同”“分支個性化”的方式，教師集體備課，如圖7 所示。選擇統(tǒng)一的課程內(nèi)容，作為“母版”教學(xué)課件；各位教師根據(jù)自己的教學(xué)風(fēng)格在此母版基礎(chǔ)上進行取舍，在統(tǒng)一教學(xué)目標的前提下突出自己的特色。在課程內(nèi)容方面，計算機網(wǎng)絡(luò)在信息化社會中的重要性日益突出，是當今IT 界公認的主流技術(shù)之一。教材選擇上，課程團隊本著“面向國際前沿”、開拓學(xué)生國際視野的原則，選擇國外經(jīng)典英文教材作為課程教材。采用雙語教學(xué)，教師團隊都已通過“雙語教師認證”。

Fig.7 Lesson preparation process圖7 備課過程

3.3 助教工作

該學(xué)期中，筆者所教授的計算機網(wǎng)絡(luò)課程共有204 人選課，分為兩個班級，有4 名助教輔助教學(xué)，每個班級分配兩名助教。助教的任務(wù)主要包括3 方面：①日常教學(xué)輔助工作，協(xié)助授課教師進行作業(yè)發(fā)布、批改、課下輔導(dǎo)，對班級學(xué)習(xí)情況進行分析，關(guān)注后進生，整體把握班級學(xué)習(xí)情況；②期末工作，進行課程大作業(yè)布置與修改，進行期末監(jiān)考，期末試卷批改；③助教會根據(jù)自己學(xué)業(yè)的研究方向，結(jié)合課程知識點，面向?qū)W生開展課程拓展演講，以幫助學(xué)生對課程內(nèi)容有更深入的理解、思考和拓展。在具體執(zhí)行過程中，各助教分管小組管理、作業(yè)批改、試卷分數(shù)核對、學(xué)生學(xué)情跟蹤等工作。

3.4 線上答疑

線上答疑分為兩種形式：①課堂答疑形式，每一章節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù)結(jié)束，教師會借助騰訊會議開展線上課堂答疑；②結(jié)合大連理工大學(xué)金課平臺，學(xué)生在完成每章的學(xué)習(xí)任務(wù)后，可在平臺上的教師答疑討論區(qū)，發(fā)布自己的問題描述或截圖，教師會進行解答。

4 考核方式改革

課程考核方式為期末考試（閉卷）70%+平時成績30%。期末考試中，實行“考教分離”，集體出題庫、分工負責題目、總體協(xié)調(diào)。期末考試題型由單選題（20 分）、術(shù)語辨析（20 分）、簡答題（30 分）與綜合題（30 分）4 部分構(gòu)成，其中單項選擇側(cè)重于考察各章節(jié)的零碎知識點；術(shù)語辨析題主要考察每個章節(jié)的關(guān)鍵術(shù)語、包括協(xié)議/方法/分類等，說明各術(shù)語的含義，還要辨別同類術(shù)語的異同，考察學(xué)生能力的高階性達成度；簡答題的考察點也涵蓋各章節(jié)，利用計算、陳述、解釋說明等形式考察學(xué)生對計算機網(wǎng)絡(luò)中重要知識點的理解。綜合題則用于考察計算機網(wǎng)絡(luò)中的核心知識點，要想在此部分獲得高分，學(xué)生不僅需要具備完善的計算機網(wǎng)絡(luò)知識體系結(jié)構(gòu)，還要擁有一定的創(chuàng)新與設(shè)計能力。比如，在最近一次綜合題中，既有層次之間的端口號、IP 地址、MAC 地址的變化，也有IP 分組、NAT 地址轉(zhuǎn)換、無線/有線MAC 接入方案等，綜合了至少3 個層次的知識點。在試卷選題方面，與其他高校的教學(xué)團隊互相學(xué)習(xí)交流；在教學(xué)實施中，積極使用線上平臺和資源。

通過平時作業(yè)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)進行監(jiān)督，每次課后作業(yè)10 分，共4 次，如圖8 所示?？梢钥吹?，學(xué)生平時作業(yè)提交率逐步提高，且接近100%，而且平時分數(shù)也逐步提高。對于提交作業(yè)不及時或者平時作業(yè)分數(shù)較低的“后進生”，會由助教進行一對一的督促，以提高整體學(xué)習(xí)成績。期末成績中平時成績占30%，取4 次中的3 次最高分進行記錄，平時成績最高分可達滿分30 分，平均分27.72 分。對于平時分低于27.72 的后進生進行跟蹤記錄，如表1 所示，隨機選取9 名后進生的平時成績和期末成績記錄發(fā)現(xiàn)，平時成績低于平均分的后進生，在期末成績中也能取得高于整體平均分66.5分的成績，甚至達到88分。

Fig.8 Daily homework statistics圖8 平時作業(yè)統(tǒng)計

實踐表明，學(xué)生能夠很好地利用線上資源進行學(xué)習(xí)，且學(xué)生可以適應(yīng)線下教師的教學(xué)方式，對引入的知識有濃厚興趣。同時，整個年級段的期末成績呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢，如圖9所示，符合預(yù)期期望，及格率達85.3%。

Table 1 Score comparison of underachievers表1 后進生成績比較

Fig.9 The distribution of final exam scores圖9 期末成績分布

5 結(jié)語

本方案引入的線上拓展教學(xué)平臺得以充分利用，學(xué)生運用教學(xué)平臺踴躍提出問題并回答其他同學(xué)提出的問題。并且，引入的課程資源也深受學(xué)生們的青睞，平均每個知識點的教學(xué)視頻有75%的學(xué)生觀看。從近兩年的教學(xué)改革方案實施成效可以看出：①通過“分支個性化”教學(xué)引入了更多更新的學(xué)科前沿內(nèi)容；②通過頻繁的線上教學(xué)互動充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性；③通過線上課程資源輔助學(xué)生進行課外學(xué)習(xí)，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。后續(xù)將繼續(xù)采用“面向國際、雙語教學(xué)”、“主干統(tǒng)一、個性分支”、“持續(xù)改進、過程考核”的方式。

綜上，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、在線資源豐富、人工智能技術(shù)提升的新時代下，從課程新內(nèi)容、教學(xué)新方法和考核新方式上提出了“計算機網(wǎng)絡(luò)”課程的“三新”探索及實現(xiàn)，這種方案可以平移到其他計算機相關(guān)專業(yè)課中，具有一定借鑒作用。