“高级计算机网络”研究型教学模式的探索与实践

陶 勇 林亚平

摘要:本文提出了“三结合一突破”的“高级计算机网络”Learning-by-Doing教学模式。该模式以兴趣为中心,运用任务驱动教学理念,充分发挥学生的主观能动性,提高学生参与度,注重学生学习能力和沟通能力等软技能的培养,同时通过课程项目的设置打破与其他课程间泾渭分明的壁垒,为学生展示一个广阔的学习、研究视角,有益于扩展其思维方式和习惯。

关键词:计算机网络;Learning-by-Doing;任务驱动;研究型教学;教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:B

1引言

计算机网络课程是软件工程专业的一门专业核心课程和学科骨干课程。计算机技术和通信技术的相互结合和迅速发展,产生并推动了网络的发展,Internet更是得到了广泛的应用,它的理论发展和应用水平直接反映了一个国家高新技术的发展水平,是其现代化程度和综合国力的重要标志。在以信息化带动工业化和工业化促进信息化的进程中,计算机网络扮演了越来越重要的角色。当前丰富的网络应用已成为网络发展的根本驱动力,为构建复杂的分布式应用,学生需要熟练掌握网络底层的复杂性,否则极易导致对基础知识理解的缺乏,而这种缺乏将不可避免地影响网络应用程序的适用性、扩展性与稳定性。由此,为了适应信息社会对人才培养的需要,对于软件工程等信息类专业的研究生学好高级计算机网络课程是必要的,也是必须的。然而计算机网络课程的教学存在科研与教学脱节,教学与社会脱节等现象,限制了学生自由选择与发展空间的拓展,具体表现为如下几个方面:

(1) 教学内容陈旧,教学素材更新不及时。计算机网络发展迅速,新的思想和概念不断涌现,并应用到当前的网络中,要求教学内容必须适应发展,与时俱进。与国际先进水平相比,存在着相当大的差距,知识和内容陈旧,课程结构不合理,使用传统的网络层次进行讲解,学生难以了解学科前沿和发展方向。

(2) 教学方法单一,学生课堂参与度低。课程讲授沿袭填鸭式教学,教学手段单一,过分重视确定性、陈述性和记忆性材料的教学,学生需花费大量时间记忆讲授内容,忽视原理性、策略性和创造性的知识教学,课程缺乏对学生智力发展的刺激性和挑战性,教学效果差,学生解决实际问题的能力下降。

(3) 教学体系不合理,理论与实践相脱节。计算机网络具有很强的应用性,而现存体系中实践是一个薄弱环节,学生感觉所学内容抽象,陈旧、空洞,教学内容难以激发学生自主探索与研究的积极性,无助于综合能力的形成。

(4) 考核方式僵化,素质教育任重道远。重结果轻过程,“老师划重点,学生搞突击”的应试现象普遍存在。

由此,我们认为课程改革决不仅仅是教学内容的更新,更为重要的是学习方式、思维方式转换以及新教育技术的应用。这就需要我们从“知识型教学”转换成为“研究型教学”,即以知识为载体,传授本学科的方法论,注重学科发展,提升教学中学生思维能力、交流沟通能力等持久性综合能力的培养。

2研究型教学设计

2.1教学理念与教学方法

计算机网络创新课程积极吸收MIT、Berkeley等高校的教学经验,考虑软件学院的具体情况,秉承“Learning by Doing”、“Human-Centric”教学理念,既“授之以鱼”——传授基础知识,同时“授之以渔”——掌握研究方法,更重要的是“授之以娱”——培养学生的兴趣。“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”,学生一旦对某事物有了浓厚的兴趣,就会主动去求知、去探索、去实践,并在求知、探索、实践中产生愉快的情绪和体验,兴趣是最好的老师。

研究型教学以培养学生的创新精神和创新能力为目的,立足所学,从实际背景和问题出发,创设问题情境,在教师的引导下,确定课题,通过观察、实验、分析、归纳、猜想、论证、社会实践等方式进行学习。从问题的提出,方案的设计与实施,结论的得出与论证,整个知识的发生过程都是由学生自己探索研究完成。整个过程是一个重过程、重应用、重体验、重全员参与的过程,具有主体性、合作性、研究性、开放性和创新性。

简言之本课程的主要特色可概括为以培养学生兴趣为中心的“三结合一突破”:

(1) 教学组织采用理论知识结合实践能力的“Lecture+Project”,课程不但在教材选用上向名校看齐,更在教学方法上学习国外先进的教学组织形式。

(2) 教学内容采用基础知识结合最新研究进展的“Some review+New content”,培养学生接受新知识和继续学习的能力。

(3) 课程项目采用“Implement+Simulation+Research+ Extend”。工程实践结合科研探索,科学研究结合应用,打破传统课程间的藩篱,突出知识联系,因材施教,培养学生融合创新能力。

(4) 课程体系突破原有“分层式”,采用“专题式”。通过专题性课题讲述与讨论,实现教学内容的个性化定制,即提供丰富、新颖三的教学内容,让学生点单,一方面可以扩展学生的知识面,另一方面处理我院研究生层次多样性的实际情况,培养计算机网络研究的关键思考能力,将研究与应用有机结合,使学生了解、掌握和运用科学研究的方法,体验分析和解决问题的科学研究的过程,通过科学研究过程,使学生获得直接经验,培养学生的创新精神和实践的能力。

同时加强校企合作,推动课程建设。与微软、思科、IBM等知名公司建立了良好合作关系,同微软签署“软件人才培养计划”备忘录。“软件人才培养计划”备忘录包括微软亚洲工程院将在软件人才培养、师资培训等方面为软件学院提供技术支持,软件学院将结合实践教学采用微软技术并推荐优秀学生到微软或者其伙伴企业实习和工作等内容。在课程建设上有良好的合作前景。兴趣培养教学策略的重点是帮助学生克服初期失败的恐惧心理,激发其主动探索、体验、顿悟和创新,包括兴趣激发、兴趣强化、合作共赢、收获总结四个阶段。

2.2教学目标与教学组织

本文将Internet作为典型案例,讲授与讨论计算机网络体系结构、协议机制、算法设计,在重点介绍网络协议的核心概念、设计思想、基本原理、应用领域的同时,突出网络软件等分布式系统的设计原理,课程也将介绍网络前沿研究领域的重要协议和关键算法。课程涉及拥塞控制与流控、流量分析、路由、网络互联、组播、安全以及服务质量QoS等内容。

课程内容以专题形式进行组织(如表1所示),每一个专题为学生提供丰富的可选内容,教师可根据学生反馈信息确定讲授的具体内容,从而构建个性化菜单式教学方式,使内容具有系统性,前沿性,形成积极的、充满生机活力的教学机制,体现学生之间的差异及其不同的学习方式,以满足层次多样性的需要。

2.2.1课程教学目标

(1) 掌握网络根本原理,包括协议设计、协议分层、算法设计及其性能分析,理解网络的工作原理。

(2) 理解网络基本理论,包括体现在应用层、传输层、网络层、链路层等协议中的设计原则。

(3) 熟练掌握多进程分布式应用,掌握如何构造良好的分布式应用。

(4) 通过网络模拟与实验测量等手段对网络性能有初步认识。

(5) 学习计算机网络研究中的一般方式方法,熟悉当前研究进展,掌握探究计算机网络高级专题的知识。

(6) 培养学生自主学习能力与问题解决的能力,形成良好的个人素质。

2.2.2教学组织

本课程的教学组织由Lecture模块与Project模块构成,如图1所示。

(1) Lecture模块:课堂教学是整个教学活动的重要环节之一,课堂组织是否科学合理将直接影响学生学习的质量和效果。为保持教学内容的先进性和新颖性,提高学生的学习兴趣,该部分由“基础板块”和“扩展板块”两部分共同构成,“基础板块”通过回顾方式加强学生对基础知识、基本理论的掌握,“扩展模块”通过文献阅读、宣读和讨论等手段采用交互式授课方式,将引导讨论,同时要求每个学生积极参与。

课堂教学中,根据授课功能可将Lecture划分为“课前回顾——明确学习重点——内容讲授——总结回顾”四个阶段,其中“课前回顾”阶段以提问的方式进行,通过预先设置的问题一方面对上节课知识进行复习,使学生快速进入课堂角色,另一方面有益于促进学生课后复习;“明确学习重点”阶段明确学习目的,激发学习兴趣,并根据学生已经遇到的问题结合教学内容激发学生思考,探索问题的答案;“内容讲授”阶段精心准备,采用激情授课点燃学生,以教师高昂的情绪感染学生。“总结回顾阶段”从应用和实例角度对抽象的理论给出形象化描述,开拓学生的思维。四阶段授课方式有利于合理安排教学进度,控制教学节奏。

(2)Project模块:课程的主要目标是帮助学生了解网络的基本原理、体系结构以及面临的挑战,同时通过实践加深对某种特定技术的理解。课程提供四种类型Project:设计实现类、模拟仿真类、Research-Oriented类和拓展类。要求学生完成两个Project,类型不限,内容不限,学生根据自己的喜好和知识背景可从老师提供的列表中选择,也可以自拟题目。

课程Project是课程的核心部分,不仅仅体现在考核成绩的比例上,还体现在学生需要花费的时间上,学生如果需要获得学分必须顺利完成Project。课程Project的主要目的是通过将课堂讲授的知识运用于实践中,激发学生探索新的研究思路和解决方案,培养学生的科学研究方法和综合素质。

合理选用教材和参考书,保持教学内容的时代性和先进性。为满足双语教学的需要,同时兼顾学生的接受能力和学习效果,课堂使用中文讲授而教材建议使用国外优秀信息科学与技术系列经典原版教学用书,James F.Kurose等编著的《Computer Networking:A Top-Down Approach Featuring the Internet》,该教材采用符合认知规律的顺序自顶向下地讲述当前通信服务的底层技术,将复杂的网络问题讲解得引人入胜,有益于理解,在选用优秀教材的同时,提供介绍网络前沿重要研究领域的最新文献,涉及拥塞控制与流控、流量工程、路由、网络互联、组播、下一代网络、移动计算、对等计算、VoIP、QoS等内容。

3Learning-by-Doing案例教学实施方案

3.1实施步骤

通过案例化教学,培养学生观察现象,分析问题和解决实践中所遇到问题的能力。同时它也是培养学生理论联系实际,实事求是,严格认真的科学态度与良好的工作习惯的一个重要环节,为继续培养具有创新精神和实践能力的高素质人才奠定良好的基础。Project根据实施阶段可分三个阶段为七个步骤,如图2所示。

(1) 选题阶段

学生可以组成不超过两人的团队(team),并严格定义划分每个人在项目和报告中的任务;提交项目方案书(Project Proposal):我们将提供一些主题供学生选择,同时强烈建议学生根据自己的知识背景和兴趣自拟题目,题目要求同课程内容相结合,并报主讲教师审核。主讲教师将给出反馈,学生根据主讲教师意见修正或重新选择Project。然后将自己的方案做成PPT讲演,时间不得超过10分钟。特别指出课程不额外提供任何实验设施(机器、实验床等)。课程“Project选题报告”主要内容包括项目名称、团队成员、项目概述(问题定义、任务划分、功能简述,不超过2页)、选用的模拟工具/实现环境、考核点、参考文献等。

(2) 实施阶段

通过文献阅读,小组讨论等形式,制定详细实施方案,在规定的时间内完成Proposal所规定的任务,完成总结报告。

(3) 验收阶段

提交项目总结报告,并对报告内容进行宣讲,要求主题明确,表达清晰,结论真实可信。

3.2课程建议的Project

结合计算机网络课程的教学目标,通过Project使学生深入理解网络的基本工作原理和协议的设计思想,掌握处理网络问题的基本方法。

(1) 设计开发类:此类Project训练学生三方面的知识——C/S交互模式,真正使用TCP/IP,理解协议分层的概念,重点是让学生体会Internet是如何设计和如何工作的。

网络测量:编写程序实现远端主机距离的测量;远端主机RTT的测量;

应用层协议:开发使用IMAP、POP、SMTP、DNS或其他应用层协议的软件;

可靠数据传输:开发一个类GBN或Selective Repeat算法的可靠数据传输协议;

路由:开发一个软件模拟洪泛、链路状态路由选择或组播路由选择过程;

其他:Web Cache、网络流量监控与分析、TCP/IP三层协议模拟等。

(2) 模拟仿真类:在高度复杂的网络环境中获得高可信度结果的有效方法是网络模拟仿真。网络仿真技术是一种通过建立网络设备和网络链路的统计模型,并模拟网络流量的传输,从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据的仿真技术。此类Project训练学生使用NS-2、OPNET、MATLAB等网络模拟软件及其网络拓扑、节点、路由、通信量等模块,掌握网络仿真的一般方法与一般过程,熟练使用现有模拟工具研究分析网络设计中的特定问题,为掌握进行网络技术的开发奠定基础。

通过使用各种路由算法(DV, LS, PIM-DM, PIM-SM, AODV, DSR)构建有线、无线以及卫星网络等;

生成Web、FTP、Telnet、CBR等随机业务数据等;

创建确定性和各种随机性的报文丢失、链路失效等场景;

实现各种排队策略(Drop-Tail, RED, FQ, SFQ, DRR, etc.)和QoS(e.g., IntServ and Diffserv);

模拟协议行为,如TCP Slow Start, Self-Clocking, Congestion Control, Fast Retransmit and Recovery等;

模拟无线网络中节点的移动等。

(3)Research-Oriented类:此类Project结合课程Lecture中的“扩展板块”,培养学生基本的科学素养,学习研究的一般方式方法,让学生了解什么是好的研究方法与习惯。提供文献阅读列表,内容涉及拥塞控制、路由、组播、移动计算、QoS、主动与覆盖网络等前沿专题。要求学生在课前进行阅读并提交论文总结,然后参与课程内的讨论。

(4) 拓展类:此类Project旨在加强学科间的联系,强调工程化的质量要素外的经济要素,培养学生敏锐的市场意识和综合素质。课题由小组演讲(Presentation),报告两部分组成。尽管不要求论点的百分百正确,但是必要诚实、准确、严谨地表达出自己的对问题的客观看法。

任选三个搜索引擎(如Google、搜狐、Yahoo、天网搜索等),从其工作原理,各自特点,竞争优势,营销手段等方面评测,并完成评测报告。

在雅虎,Gmail,Hnu等网站(任选三个即可)注册电子邮件,并分析各ISP所提供的Email服务有何特色?各采取哪些营销措施?完成评测报告。

在淘宝网,易趣,第二书店,卓越网,Amazon,新浪商城等(任选三个即可)网上购物网站上搜索《Computer Networking:A Top-Down Approach Featuring the Internet(3rd Edition)》(计算机网络-自顶向下方法与Internet特色)。比较各个价格,折扣制度,配送方式等,总结各个优缺点并分析原因,完成报告。

计算机网络的应用所带来的社会问题(从道德,社会,人文的观点去阐述),完成调查报告。

2007年中国VoIP市场研究报告,讨论VoIP主要趋势、现存挑战与机遇、Skype/Gizmo等对传统行业的影响等。

3.3课程考核

课程考核将分别由考试、Project与参与度等共同决定。

其中期末考试占40%,课程项目占50%,课程参与度占10%。凡发现有臆造、抄袭等不诚信行为者,一律以0分计。课程参与度主要体现在出勤率、平时作业、课堂表现、平时测验等方面,要求学生积极参与课堂讨论,独立提出问题,独立完成教学过程中安排的各项任务,同时要求每位学生在课程学期内至少有一次同老师的正式交流,内容不限。如果学期内不能让老师对学生留有印象,说明该学生的课程参与度较低,老师对学生的印象将直接决定该部分的分数。

期末考试着重考察解决问题的思路和方法,强调问题求解过程而弱化最终的答案。本次课程建设将在考试形式和考试内容上进行新的尝试。课程项目将项目文档、演讲答辩等方面考核,项目文档占60%,演讲答辩占40%。

4结论

高级计算机网络研究型教学达到了“学生、学校、社会”三方受益。首先,通过本课程使学生掌握了计算机网路的基本理论、原理,掌握分布式系统设计、开发和应用所必须的基本技能,学习并能运用计算机网络的一般研究方法,了解计算机网络发展趋势及面临的挑战,同时通过考察社会中现有网络应用的运营方式和商业模式,培养学生的学习能力、思考能力、解决问题能力以及沟通、协作等软技能。其次通过本课程的建设可以凝聚学院网络课程相关老师的共同智慧,形成结构合理、学术各有专长又相得益彰的教师团队。作为一个系统工程,课程组队伍由各层次具有极强敬业精神和团队精神的师资构成,为该课程高水平,可持续发展提供了有力保障。最后通过本课程的建设将为社会提供急需的人才。以市场需求为导向,以学生质量为核心,以教学改革为手段,以实现共赢为目标,培养适应国内外软件产业市场需求的高素质、工程化、实用型软件人才,从而满足我国经济结构战略性调整的要求和软件产业对人才的迫切需要。当前已完成资源建设,实现教学资料上网,并为教学提供信息化支持,已建设成为省级精品课程。

参考文献:

[1]MIT. MIT OpenCourseWare[EB/OL]. [2009-6-12]. http://www.core.org.cn/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer- Science/6-829Computer-NetworksFall2002/CourseHome/index.htm.

[2]UCBerkeley. Computer Architecture-UCBerkeley[EB/OL]. [2009-5-15]. http://develop.lib.tsinghua.edu.cn/infoweb/ entryview. jsp?rid=14620.

[3]JAMES F.KUROSE,KEITH W.ROSS. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet[M]. 3rd ed.北京:高等教育出版社,2005.

[4] 王浚岭.研究型教学模式探索[J].高等理科教育,2006(2):90-92.