新時代計算機網(wǎng)絡課程教改研究

程遠　柳亞男　邱碩

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；理論教學；實踐教學；應用型人才

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0127-03

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network ，SDN）和人工智能等新技術不斷崛起。政府、企業(yè)對網(wǎng)絡規(guī)劃建設、網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡安全防護、網(wǎng)絡產(chǎn)品研發(fā)等各類人才的需求日益顯著，對該領域人才知識結(jié)構(gòu)和能力的要求也越來越高。多年來，計算機網(wǎng)絡課程教學以培養(yǎng)專業(yè)基礎扎實、知識面寬、實踐能力強的應用型、創(chuàng)新型人才為目標，為學生今后從事網(wǎng)絡相關的產(chǎn)品研發(fā)、理論研究等工作打下了堅實基礎[1]。

計算機網(wǎng)絡作為計算機、信息通信、網(wǎng)絡安全方向的本科生專業(yè)基礎課程之一，在計算機專業(yè)課中有著舉足輕重的作用[2]。另外，計算機網(wǎng)絡與信息通信、軟件工程、網(wǎng)絡安全、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等前沿學科又有著交叉融合，為許多新領域、新概念、新技術提供了技術基礎和知識體系支撐。然而，傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡課程教學存在內(nèi)容陳舊，與云時代的新變化、新技術脫節(jié)，重理論輕實踐等突出問題。通過多年來計算機網(wǎng)絡課題組的課程建設和實踐研究，逐步摸索出了一套先進的、科學的教學體系和教學方法。通過深入研究應用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，對理論教學環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)的大膽改革，努力使學生建立起全面的、嶄新的網(wǎng)絡知識體系，不斷提升學生的自主創(chuàng)新能力和實踐操作能力，從而適應未來可能遇到的各種新挑戰(zhàn)。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡課程教學存在的問題

1.1 知識體系陳舊，與新技術脫節(jié)

目前，大部分高校計算機網(wǎng)絡課程使用的教材是謝希仁編寫的《計算機網(wǎng)絡》以及在此基礎上演進出來的不同版本，內(nèi)容總體上沒有太大變化。這里面部分內(nèi)容和技術在目前實際應用中已經(jīng)被新技術淘汰，比如幀中繼、X.25、ATM、PPP協(xié)議等。除此以外，傳統(tǒng)的教材編寫模式和課程講授方法以介紹網(wǎng)絡基本協(xié)議為主。由于協(xié)議本身比較枯燥和抽象，本科生在初次接觸時難以深刻理解，更不容易產(chǎn)生興趣。從多年教學反饋情況看，很多學生學完課程后僅僅是對網(wǎng)絡某一層的若干技術有一定了解，缺乏對整個網(wǎng)絡體系以及網(wǎng)絡各層之間聯(lián)系的深刻認識，知識點之間沒有形成融會貫通，難以為新興邊緣學科的學習提供理論支撐。

從企業(yè)對計算機網(wǎng)絡人才需求角度看，僅僅了解協(xié)議的基本內(nèi)容和基本原理是遠遠不夠的。一方面，計算機網(wǎng)絡的基礎知識和關鍵技術離不開網(wǎng)絡實體設備的操作。許多學生僅僅知道網(wǎng)絡設備的名稱，連實物都沒有見過，更談不上實驗操作和進行相應的網(wǎng)絡配置。另一方面，傳統(tǒng)教材里缺少最新的網(wǎng)絡技術知識，導致學生只知道自己每天使用云，但不了解云的本質(zhì)是什么、云網(wǎng)絡和云計算有什么關系、公有云和私有云的概念、SDN和虛擬擴展局域網(wǎng)（Virtual Ex?tensible Local Area Network，VXLAN）技術是用來解決什么問題的等。作為一門不斷發(fā)展的學科，課程教學必須讓學生了解業(yè)界的發(fā)展方向，掌握最新的網(wǎng)絡技術動態(tài)及其發(fā)展過程，充分激發(fā)學生的好奇心和探索欲。

1.2 重理論，輕實踐

長期以來，計算機網(wǎng)絡的教學普遍存在重理論、輕實踐的現(xiàn)象，或者是實踐課程的內(nèi)容過于老舊，與實際應用嚴重脫節(jié)[3]。造成這一問題的原因主要有兩方面：1）實驗室建設經(jīng)費投入不足，無法為學生提供良好的實驗環(huán)境。隨著網(wǎng)絡仿真軟件的不斷發(fā)展，許多網(wǎng)絡教學實驗已經(jīng)可以通過軟件平臺來模擬實現(xiàn)，例如局域網(wǎng)的配置，虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local AreaNetwork，VLAN）的規(guī)劃設計，VPN配置管理，路由器ACL配置等等。然而，絕大部分企業(yè)提供的仿真應用軟件都是收費的。2）實驗課程的內(nèi)容設計沒有與時俱進。隨著大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。虛擬機、容器技術的廣泛應用對網(wǎng)絡產(chǎn)生了重要影響。在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下，往往需要同時應用多種網(wǎng)絡技術，需要學生具備綜合運用各種先進網(wǎng)絡知識和技術的能力，如負載均衡、流量工程、地址轉(zhuǎn)換、隧道技術等。這些技術的理解和運用都離不開實踐操作。因此，傳統(tǒng)的以講授協(xié)議為主的教學方式已經(jīng)無法滿足企業(yè)對應屆生提出的新要求。

1.3難以支撐交叉學科研究

新興互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展使得計算機網(wǎng)絡涵蓋的內(nèi)容更加豐富，與其他學科和新技術形成了緊耦合。因而，在講授計算機網(wǎng)絡基礎知識的同時，還應當適當補充一些交叉學科領域的相關知識技術，開拓學生的思維領域。例如，傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡與移動通信網(wǎng)絡融合，形成了移動互聯(lián)網(wǎng)，并逐步成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。移動互?lián)網(wǎng)技術的發(fā)展對傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡提出了許多新的挑戰(zhàn)。隨著計算機網(wǎng)絡規(guī)模的不斷發(fā)展，傳輸數(shù)據(jù)的安全性、接入網(wǎng)絡用戶的身份合法性等一系列安全問題變得日益突出。習近平總書記指出，沒有網(wǎng)絡安全就沒有國家安全。網(wǎng)絡安全的重要性已經(jīng)提上了歷史性的高度。因此，在教授網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)內(nèi)容的基礎上，很有必要讓學生了解網(wǎng)絡安全的概念和內(nèi)涵，如何實現(xiàn)網(wǎng)絡安全，基本的安全協(xié)議和信息安全技術有哪些等。

隨著企業(yè)業(yè)務的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和業(yè)務云化，以云計算和大數(shù)據(jù)為特征的云時代已經(jīng)到來。傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡課程教學很少對云的概念、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的基本知識、云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和傳統(tǒng)局域網(wǎng)的區(qū)別聯(lián)系等內(nèi)容進行介紹。除此以外，作為下一代網(wǎng)絡重要技術發(fā)展方向之一的SDN已經(jīng)得到了業(yè)界的普遍認可和關注。對于SDN技術的演進發(fā)展歷程、技術原理及特點等信息也亟待補充到計算機網(wǎng)絡課程中。只有與時俱進、密切聯(lián)系實際才能讓學生體會到科技發(fā)展的巨大魅力和前人不斷探索的科學精神。

2 計算機網(wǎng)絡課程理論教學改革

為了使學生深刻理解并掌握計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議機制，提高自主學習興趣，需要對教學模式和教學內(nèi)容進行改革創(chuàng)新。通過豐富的多媒體手段、案例分析講解等方式，將抽象的概念定義以及枯燥的協(xié)議原理生動化、具體化、直觀化，培養(yǎng)學生學以致用的本領。因此，在計算機網(wǎng)絡課程理論教學方面采取了以下改革措施。

1）創(chuàng)新教學理念和教學方法

積極開展自主學習活動，培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新能力。在課堂教學過程中，為學生提供充足時間自主互動，鼓勵學生從提出問題、發(fā)現(xiàn)問題入手，學會解決問題的基本思路。在網(wǎng)絡編程的教學過程中，鼓勵學生利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源自學網(wǎng)絡編程的基本概念、基本語法以及SOCKET編程的基本架構(gòu)，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，在此基礎上向?qū)W生講解網(wǎng)絡編程應用的難點。

除了基本網(wǎng)絡理論和技術原理外，課堂授課還可以引入實踐案例，通過對典型案例的分析，加深學生對基本理論和技術的理解。例如在講授局域網(wǎng)基本原理和設計要點時，可以通過一個校園網(wǎng)為例，從需求分析開始，全面介紹局域網(wǎng)的設計步驟、設備選擇、IP地址分配方案、VLAN劃分以及網(wǎng)絡管理等內(nèi)容，最終形成圖1所示的整個校園網(wǎng)絡拓撲。其中，校園一級骨干網(wǎng)是整個網(wǎng)絡的核心，它為二級接入網(wǎng)提供高速的互聯(lián)互通平臺并提供校內(nèi)主要服務器的訪問通道。一級骨干網(wǎng)由8個節(jié)點和高速路由交換設備構(gòu)成；二級接入網(wǎng)包括各院系的局域網(wǎng)，由多個分支接入節(jié)點和中低速的局域網(wǎng)構(gòu)成。通過對學生實際生活中使用的局域網(wǎng)絡的介紹，不僅可以使學生知道相關技術如何在實際網(wǎng)絡中具體運用，而且能夠?qū)ο嚓P知識點形成完整的體系，便于理解記憶。

2）將協(xié)議的實現(xiàn)與具體的網(wǎng)絡設備相結(jié)合

各種協(xié)議和技術歸根結(jié)底還是要落實到具體的網(wǎng)絡實體即各種網(wǎng)絡設備。例如，將以太網(wǎng)的工作原理與以太網(wǎng)卡功能、以太網(wǎng)交換機配置方式相結(jié)合；將IP編址技術、路由算法與路由器中路由表的配置聯(lián)系起來，從而理解基于端口轉(zhuǎn)發(fā)和基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā)的區(qū)別。通過抓取以太網(wǎng)幀和IP數(shù)據(jù)包并對報文進行分析，深入了解數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層對數(shù)據(jù)的不同封裝形式，掌握鏈路層對IP報文進行分片的實現(xiàn)過程。教會學生看懂簡單的設備技術說明書、了解設備主要參數(shù)性能指標和功能特點，適用場景等。

3）引入新技術、新趨勢以及交叉學科的內(nèi)容介紹

適當精簡已經(jīng)淘汰和脫節(jié)的相關技術內(nèi)容，引入業(yè)界最新的計算機網(wǎng)絡應用技術，如VXLAN、SDN、IPv6、虛擬化等。重點讓學生了解各種新技術的發(fā)展背景、與傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術之間的區(qū)別和聯(lián)系、技術的應用場景和基本原理等。目標是開闊學生視野，激發(fā)學生探索新知識、新技術的興趣。

以數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和SDN技術為例，云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡是連接數(shù)據(jù)中心大規(guī)模服務器的橋梁，也是實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化計算和存儲的基礎。云計算往往伴隨著服務器之間的海量數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能和可靠性的高低直接決定了云計算的服務質(zhì)量。軟件定義網(wǎng)絡則是近年來涌現(xiàn)的新興網(wǎng)絡技術，其核心思想是把傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備的控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能相分離。通過集中的網(wǎng)絡控制器來控制每個網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略，提高整個網(wǎng)絡的資源利用率和管理效率。隨著SDN技術的不斷成熟發(fā)展，將會對現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡乃至整個Internet的網(wǎng)絡架構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理方式、設備功能形態(tài)等各方面帶來顛覆性的變革。如圖2，SDN引入課堂，作為相關網(wǎng)絡知識的拓展延伸。

除此以外，計算機網(wǎng)絡課程教學過程中還需要增加交叉學科相關知識背景的介紹，例如，與網(wǎng)絡安全相關的隧道傳輸技術、VPN技術、身份認證與訪問控制技術等，為今后學生在其他邊緣交叉學科進一步深造發(fā)展奠定堅實的基礎。

4）引入“1+X”證書，提高就業(yè)競爭力

“1+X”證書即在獲得學歷證書的基礎上，鼓勵學生在學習期間額外獲取若干個與本領域職業(yè)技能相關的認證資質(zhì)?！?+X”證書的引入，指明了學生的培養(yǎng)方向和培養(yǎng)目標，也為全面評價人才質(zhì)量提供了重要依據(jù)?！?+X”證書將課堂講授的計算機網(wǎng)絡基礎知識與該學科的實際應用融合在一起，有助于讓學生提前接觸到網(wǎng)絡工程實踐，了解常見設備的基本配置方法及設備特性，增強學生的就業(yè)競爭力[6]。目前，網(wǎng)絡職業(yè)技能認證主要包括兩類：①華為網(wǎng)絡工程師職業(yè)認證。華為網(wǎng)絡工程師的培養(yǎng)目標是ICT領域新型融合型人才，華為網(wǎng)絡工程師認證的具體形式包括HCIA、HCIP、HCIE等級職業(yè)證書。通過認證表明學生對當前最新的通信網(wǎng)絡技術和華為通信設備有了全面的了解和掌握，具有中小型企業(yè)的網(wǎng)絡設計和部署能力。②思科網(wǎng)絡工程師職業(yè)認證。該認證以思科系統(tǒng)公司為依托，包含最新的網(wǎng)絡通信技術和思科的主流網(wǎng)絡產(chǎn)品使用方法。思科認證考試采用全英文命題，也對學生今后參與外企的網(wǎng)絡項目有較大幫助。目前該證書得到計算機和通信企業(yè)的高度認可。

3 計算機網(wǎng)絡課程實驗教學改革

計算機課程實驗教學改革的基本目標包括：1）通過不同類型實驗加深對理論知識的理解與運用，熟悉常見網(wǎng)絡設備的配置和操作方式；2）熟練掌握常用分析仿真軟件的使用方法，為今后學習深造積累經(jīng)驗。

學生通過動手實踐可以掌握各種網(wǎng)絡設備的配置和使用方法，驗證各種組網(wǎng)方案的特點。借助實驗不僅能夠增加學生對網(wǎng)絡設備的感性認識，而且能夠培養(yǎng)學生的思維能力和動手實踐能力[4]。對于實驗室建設經(jīng)費受限的問題，也可以在服務器上搭建虛擬網(wǎng)絡環(huán)境開展網(wǎng)絡實踐環(huán)節(jié)的教學。例如，模擬環(huán)境下的局域網(wǎng)規(guī)劃設計實驗可以讓學生掌握如何利用二層交換機構(gòu)建本地局域網(wǎng)絡并創(chuàng)建多個VLAN；模擬環(huán)境下廣域網(wǎng)規(guī)劃設計實驗可以讓學生掌握路由器的基本配置、IP地址規(guī)劃、NAT技術的應用場景、配置ACL規(guī)則實現(xiàn)動態(tài)包過濾、創(chuàng)建VPN實現(xiàn)業(yè)務邏輯隔離等。通過優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，促使學生把所學的網(wǎng)絡知識和現(xiàn)實中遇到的實際問題相聯(lián)系，通過實驗操作培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力。

NS2（Network Simulator，version 2）是一個廣泛應用的面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡仿真器。NS2可以仿真各種不同類型的IP網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)有各種網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，模擬產(chǎn)生不同類型的業(yè)務源流量，如FTP、Telnet、WebCBR 和VBR；支持路由隊列管理機制，如Droptail、RED和CBQ。利用網(wǎng)絡仿真器設計不同的實驗，并與理論教學相結(jié)合，提高了學生動手操作的能力。學生可以借助工具軟件分析網(wǎng)絡性能對各類業(yè)務產(chǎn)生的影響，獨立完成難點問題的實驗驗證，還可以發(fā)現(xiàn)自己在理論學習過程中存在的漏洞或者誤區(qū)，大大突破了傳統(tǒng)教學模式和實驗環(huán)境帶來的限制。

除新的實驗教學內(nèi)容外，新的網(wǎng)絡教學模式和教學工具也層出不窮。特別是在疫情下，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的線上教學資源和多樣化的線上授課方式供學生使用。結(jié)合MOOC、騰訊會議、ZooM、QQ課堂等各種即時線上交流工具，線上授課已經(jīng)成為當下的教學常態(tài)[5]。

4 結(jié)語

為適應當前經(jīng)濟社會對計算機網(wǎng)絡人才的要求，推動計算機網(wǎng)絡課程建設，課題組在教學內(nèi)容和教學方法上做了一些大膽改革創(chuàng)新。網(wǎng)絡形態(tài)和網(wǎng)絡技術的日新月異給計算機網(wǎng)絡課程的教學不斷提出新的需求和挑戰(zhàn)。只有將課程教學內(nèi)容更加緊密地結(jié)合實際，不斷地優(yōu)化教學方法，提高實驗環(huán)節(jié)產(chǎn)出，才能滿足企業(yè)對高層次實用性網(wǎng)絡人才的新要求。