大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡教學改革研究與實踐

高旻，易華玲，羅西，韓汶迅，文俊浩，熊慶宇

（重慶大學大數(shù)據(jù)與軟件學院，重慶 401331）

一、現(xiàn)狀與背景分析

計算機網(wǎng)絡課程是計算機科學與技術、軟件工程、通信工程等專業(yè)的核心課程。當前，云計算、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”與物聯(lián)網(wǎng)等信息領域的主流研究方向都與計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展緊密相關。

目前，計算機網(wǎng)絡課程的教師通常圍繞計算機網(wǎng)絡體系結構進行原理介紹。課程教授內容側重通信技術，包含很多通信原理與技術，而學生缺乏相應的基礎理論儲備，在理解相關技術時十分困難。同時，大數(shù)據(jù)時代背景下，為支持數(shù)據(jù)科學與處理、機器學習、人工智能的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡技術不斷更新，高校亟需優(yōu)化計算機網(wǎng)絡課程教學體系，夯實網(wǎng)絡各層的核心理論和技術，并突出其對分布式計算、云計算、大數(shù)據(jù)的支撐技術，以更好地使計算機網(wǎng)絡課程滿足大數(shù)據(jù)時代背景下社會對計算機網(wǎng)絡人才的需求，加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

（一）教改項目的研究背景

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習等新科技和新商業(yè)模式快速推動著現(xiàn)代工業(yè)、服務業(yè)和經濟社會的發(fā)展?！?019年政府工作報告》提到“深化大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)應用”[1]，說明我國的大數(shù)據(jù)與人工智能產業(yè)已經經歷了萌芽與初步發(fā)展的階段，將進入快速發(fā)展時期。為了支撐快速發(fā)展的新經濟，培養(yǎng)新型工程創(chuàng)新人才，高校必須進行全面、深刻的改革和創(chuàng)新。新工科教育理念和教育改革就是在這樣的背景下提出的。高校需要新思維、新體制機制，全面創(chuàng)新工程教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，支撐和引領新經濟。

國家高度重視大數(shù)據(jù)在經濟社會發(fā)展中的作用，黨的十八屆五中全會提出“實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”，國務院印發(fā)了《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》[2]，全面推進大數(shù)據(jù)發(fā)展，加快建設數(shù)據(jù)強國。此外，越來越多行業(yè)開始關注、開發(fā)應用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)。根據(jù)《關于促進信息消費擴大內需的若干意見》[3]和《大數(shù)據(jù)產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》[4]提出，大數(shù)據(jù)相關產品和服務業(yè)年均復合增長率保持在30%左右，并帶動相關產業(yè)的發(fā)展，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、政府管理和民生服務等方面廣泛應用。

（二）計算機網(wǎng)絡課程建設當前面臨的問題

1.教學體系陳舊，無法體現(xiàn)網(wǎng)絡對大數(shù)據(jù)的技術支撐

目前，計算機網(wǎng)絡課程的教師通常圍繞計算機網(wǎng)絡體系架構開展教學。在大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)的產生、傳輸、存儲與計算均依賴于計算機網(wǎng)絡的關鍵技術。隨著網(wǎng)絡技術不斷更新，計算機網(wǎng)絡授課體系亟需更新。與大數(shù)據(jù)相關的技術，包括網(wǎng)絡虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、視頻流與內容分發(fā)網(wǎng)絡等，均未在目前的教學體系中有較好體現(xiàn)。

2.實驗體系中缺失大數(shù)據(jù)支撐技術，難以滿足行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求

目前，計算機網(wǎng)絡課程的實驗體系強調協(xié)議分析，雖然能在一定程度上幫助學生理解計算機網(wǎng)絡體系架構中各個層次的服務模型，但缺乏大數(shù)據(jù)技術相關的網(wǎng)絡實驗，難以滿足大數(shù)據(jù)背景下IT行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求。

3.教學案例設計不完善，難以提高學習效率

課程的講授內容側重通信原理與技術，而學生缺乏相應的基礎理論儲備，在理解相關技術時感到比較困難，嚴重影響學習效率。課程雖然有一些案例，但都是針對單個知識點的小案例，沒有貫穿整個體系的案例，也沒有針對大數(shù)據(jù)相關技術的案例，需要教師對案例重新進行設計。

（三）教改項目研究內容

為了解決上述問題，筆者提出以下幾點改革方向：1.高校要落實數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)建設的相關任務，在實踐教學方法的探索或改革中取得突破，構建面向大數(shù)據(jù)背景的計算機網(wǎng)絡教學體系。2.學?？梢酝ㄟ^“核翼融合”的教學案例體系提升學生的學習效率，并培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力。高校可以通過重構實驗教學體系，夯實學生的知識基礎，培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維，使學生深入理解大數(shù)據(jù)技術。4.高校要完善考核方法，激發(fā)學生自主學習的興趣，培養(yǎng)學生的探索精神和實踐創(chuàng)新意識，使學生滿足大數(shù)據(jù)背景下的行業(yè)發(fā)展需求。

二、大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡教學改革研究與實踐

（一）研究內容

1.以大數(shù)據(jù)技術為驅動，重構計算機網(wǎng)絡課程體系

高校要分析大數(shù)據(jù)技術，重新設計授課內容。大數(shù)據(jù)技術需要數(shù)據(jù)收集、彈性帶寬、差錯檢驗、安全性、同步性、虛擬性等計算機網(wǎng)絡相關技術作為支撐，項目組將分析虛擬局域網(wǎng)和鏈路虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的體系架構，以及負載均衡、視頻流和內容分發(fā)網(wǎng)等技術，并基于此重構課程體系。

項目組根據(jù)授課內容構建“一核多翼”的課程體系。其中，“一核”是指計算機網(wǎng)絡核心基礎知識，包含網(wǎng)絡分層體系架構和各層重要協(xié)議?！岸嘁怼笔侵概c大數(shù)據(jù)技術相關的網(wǎng)絡知識，包括虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和內容分發(fā)網(wǎng)絡[5]等?！耙缓硕嘁怼钡恼n程體系如圖1所示。

圖1 “一核多翼”的課程體系

2.針對新教學體系，構建“核翼融合”的教學案例體系

項目組針對“一核”，設計貫穿整個計算機網(wǎng)絡體系的大案例，即設計一個涵蓋計算機網(wǎng)絡核心基礎知識，且貫穿計算機網(wǎng)絡體系應用層、運輸層、網(wǎng)絡層和鏈路層的服務模型。

項目組面向大數(shù)據(jù)相關網(wǎng)絡技術，設計“多翼”教學案例，在上述大案例的基礎上，針對大數(shù)據(jù)技術相關的多項網(wǎng)絡技術設計多個輔助大案例的子案例，形成“核翼融合”的教學案例體系?！昂艘砣诤稀钡慕虒W案例體系如圖2所示。

“核翼融合”的教學案例體系的主要內容包括：1.面向虛擬化技術，基于谷歌公司軟件定義網(wǎng)絡設計教學案例；2.面向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡，根據(jù)谷歌數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡基礎設施設計案例；3針對內容分發(fā)網(wǎng)絡，采用Netflix、YouTube等視頻流內容分發(fā)技術設計案例。

3.強化數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維，完善計算機網(wǎng)絡實驗教學體系

項目組通過協(xié)議分析實驗夯實知識基礎，將協(xié)議分析與虛擬仿真結合起來，利用GNS3網(wǎng)絡仿真虛擬實驗平臺和Wireshark抓包工具，對計算機網(wǎng)絡TCP/IP協(xié)議棧中的HTTP、FTP、DNS、TCP、ICMP、IP、ARP等協(xié)議進行實驗分析。

項目組利用虛擬化仿真實驗深入理解“多翼”技術，利用GNS3仿真平臺和VMware進行大數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和網(wǎng)絡虛擬化仿真模擬，通過實際的動手配置訓練過程，讓學生更加深刻地理解技術原理。

4.增加實踐占比，構建新的課程考核模式

項目組弱化了教材中需要死記硬背的知識，減少了客觀題的占比，增加綜合多項知識的探索性內容和結合實際案例分析的能力考查作業(yè)，并嘗試增加綜合作業(yè)和新的實驗體系在課程考核中的占比，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識，使學生更注重實踐和創(chuàng)新。

（二）研究目標

項目組的研究目標如下：1.項目組結合相關研究，通過大數(shù)據(jù)技術驅動的方式，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡教學方法的改革，為學院的專業(yè)建設提供支撐，契合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標。2.項目組構建計算機網(wǎng)絡新的理論教學體系和實驗教學體系，使學生在了解計算機網(wǎng)絡基本架構和服務模型的基礎上，進一步掌握網(wǎng)絡虛擬化、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、內容分發(fā)網(wǎng)絡等大數(shù)據(jù)相關技術，為學院各專業(yè)的其他課程教學打下基礎。3.項目組將相關教改最終落地到學院三個專業(yè)（軟件工程專業(yè)、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)、人工智能專業(yè)）的計算機網(wǎng)絡教學與實驗環(huán)節(jié)。

（三）擬解決的教學問題

在新時代背景下，為響應國家重大戰(zhàn)略需求，教師和學生培養(yǎng)均強調跟蹤學科前沿、學科交叉等特點。因此，在大數(shù)據(jù)背景下，高校進行計算機網(wǎng)絡課程教學改革研究，需要將教育教學與行業(yè)需求進行緊密結合，探索如何將大數(shù)據(jù)背景融入教學體系和實驗實踐過程中，與當前的行業(yè)需求保持同步，培養(yǎng)適應大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的人才。

高校要以大數(shù)據(jù)技術為指導，不僅要強調課堂教學體系、實驗體系的創(chuàng)新，而且要強調教學方法和改革考核標準，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和探索精神。在教學中，高校要重新構建“核翼結合”案例體系，提升學生的學習效率。在考核中，高校要增加實踐部分的考核比例，在實驗課程內容中融入虛擬化、內容分發(fā)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)支撐技術。

（四）研究方法

項目組采用文獻研究與調研相結合的方法，依托重慶大學、阿里巴巴、重慶移動的研究平臺，在重慶、杭州等地的行業(yè)知名企業(yè)開展結構化訪談，摸清大數(shù)據(jù)背景下各地企業(yè)對計算機網(wǎng)絡技術的共性需求和特性需求，為高校構建大數(shù)據(jù)背景下的計算機網(wǎng)絡課程體系和實驗體系提供參考和指導。

在課題執(zhí)行期間，項目組按照如圖3所示“課程體系重構—教學案例設計—實驗體系重構—課程考核改革”的研究路線，重點研討以下問題：1.構建“一核多翼”的課程體系，推動大數(shù)據(jù)與計算機網(wǎng)絡技術的交叉與融合，培養(yǎng)適應大數(shù)據(jù)時代行業(yè)需求的復合型人才；2.面向大數(shù)據(jù)相關網(wǎng)絡技術構建“核翼融合”的教學案例體系，提升學生的學習效率，并培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力；3.構建強化數(shù)據(jù)和創(chuàng)新思維的實驗教學體系，通過協(xié)議抓包分析、虛擬化仿真實驗、網(wǎng)絡應用創(chuàng)新實驗，深入理解大數(shù)據(jù)技術，培養(yǎng)數(shù)據(jù)思維和創(chuàng)新思維；4.增加實踐占比，構建新的課程考核模式，培養(yǎng)學生的探索精神和實踐創(chuàng)新意識。

圖3 項目研究路線

（五）主要特色

1.項目組的研究是結合大數(shù)據(jù)行業(yè)背景，大數(shù)據(jù)與軟件學院“軟件工程”“數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術”“人工智能”的專業(yè)建設和課程建設而開展的。筆者充分考慮了大數(shù)據(jù)行業(yè)的前沿技術，與行業(yè)需求相結合，為學校實現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標提供支撐。

2.項目組對現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡實踐教學方法、課程體系、實驗體系以及考評機制進行改革，加深學生對課程核心知識和大數(shù)據(jù)相關技術的理解，激發(fā)學生主動學習的興趣，使學生由被動接受知識變?yōu)橹鲃訉W習、自主創(chuàng)造，提高學生進行創(chuàng)新實踐的能力。

三、結束語

大數(shù)據(jù)需要計算機網(wǎng)絡的支持，網(wǎng)絡是大數(shù)據(jù)最基礎最重要的需求。大數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡具有彈性的帶寬，以此來適應它的信息量大小的變化；需要網(wǎng)絡擁有處理故障或錯誤的機制，以便處理器出現(xiàn)故障時，能將任務分配給另一個處理器；需要網(wǎng)絡有良好的安全性，以便保護隱私，進行訪問控制和攻擊檢測；需要網(wǎng)絡能夠同步，以使多個處理器上的作業(yè)能同步進行。

綜上，大數(shù)據(jù)時代的到來，對于人們的思維方式、行業(yè)變革及產業(yè)的變化帶來了深刻而巨大的影響。大數(shù)據(jù)相關技術的發(fā)展與計算機網(wǎng)絡密切相關，對計算機網(wǎng)絡教學的培養(yǎng)目標、質量提出了新的要求。為了很好地應對這些新的變化與形勢，適時進行計算機網(wǎng)絡課程教學改革，高校要從培養(yǎng)目標、培養(yǎng)模式、課程設置、教學方法、實踐教學等方面主動去改革、適應，為社會經濟的發(fā)展培養(yǎng)實用的創(chuàng)新型人才，使人才更好地滿足大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展要求。