新工科建设背景下计算机网络课程教学改革与实践

2019-12-21刘献忠

计算机教育 2019年12期

章玥，彭超，刘献忠

（华东师范大学软件工程学院，上海，200062）

0 引言

为了主动应对新一轮科技革命、产业变革、国家战略的需求，2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设。新工科建设行动路线提出了“三个阶段、三个任务、三个突破”的行动方案，将“学与教”作为三个任务中的第一个关键任务并给出了指导意见[1]。具体包括：在人才知识体系方面，提出基于时代和未来卓越工程人才核心素养和能力加快课程改革，注重前沿知识和学科交叉知识体系建设，注重实践创新性课程体系建设；针对人才培养质量，提出完善学习目标、培养目标、培养方案、课程大纲、评价分析、课程品质报告、改进方案实施等环节，从而实现闭环质量持续改进；在教学方式和技术上，注重以新型信息技术为支撑的探究式、讨论式、参与式教学和混合式学习等教学方式。

计算机网络是信息时代的重要基础设施。计算机网络课程是软件工程、计算机科学、网络工程等新工科专业方向本科生重要的专业必修基础课程。计算机网络课程对于培养学生掌握计算机网络领域背景知识，理解计算机网络、协议及应用的工作原理，分析和解决计算机网络领域实际问题具有重要意义。网络技术的飞速发展需要更多高素质的网络技术人才，如何在新工科建设背景下，对计算机网络课程进行改革，以应对时代对网络领域卓越工程人才的需求，是一个亟需探讨的问题。

1 计算机网络课程现状及特点

有别于计算机领域的其他基础课程，计算机网络课程的知识体系大多基于当前的因特网建立，是计算机软硬件技术和通信技术综合体，课程知识体系庞杂，具有跨学科的特点，学习难度大。课程内容虽围绕计算机网络模型层次结构展开，知识点却相对分散，覆盖了数据通信、算法与数据结构、控制论、排队论、图论、信息论、控制理论等多个领域。同时，计算机网络课程的知识体系是从工程实践中总结来的，其知识点的理解，需要将理论与实践相结合、将课堂所学灵活运用于解决具体实际问题。另一方面，网络技术的飞速发展要求计算机网络课程教学内容体系、教学方法能够与时俱进，而当前计算机网络课程的教学内容已相对陈旧，难以体现实际网络中最新技术的发展动态。在教学方式上，传统的课堂教学模式难以照顾到每一位学生，一旦学生没能在课堂教学过程中及时跟上学习进度，在知识点的理解和把握方面便会显得力不从心，甚至产生沮丧情绪。传统的授课方式以教师讲授为主，学生处于被动的一方，对知识点的理解往往停留在纸面，独立思考的积极性不高，缺乏主动从实际出发、理论联系实际的能力。

2 课程改革思路

针对计算机网络课程知识点庞杂、跨学科、学习难度大等特点，根据新工科建设行动方案对“学与教”在知识体系、培养质量、教学方式等方面给出的指导意见，为了提升计算机网络课程教学质量，打破计算机网络课程内容相对陈旧、与实际脱节的局面，有必要从如下几个方面对计算机网络课程进行改革：①改进课程内容体系，注重教学内容的深度和广度；②落实创新实践环节，注重实践内容与网络领域实际工作的关联；③改进教学质量，注重学习目标达成度与过程化考核的内在联系；④完善教学方式，注重混合式教学与学习参与度的相辅相成。

3 改革实践过程

结合上述从课程内容体系、创新实践环节、教学质量、教学方式等4 个方面对计算机网络课程进行改革的思路，华东师范大学软件工程学院计算机网络课程实施的改革实践内容具体包括梳理教学内容、课程实践改革、完善教学大纲、规划教学活动4 个方面。

3.1 梳理教学内容

计算机网络本课程选用的是Andrew S.Tanenbaum和David J.Wetherall编著的《Computer Networks》（第五版）英文原版教材基础上，按照教材所给出的计算机网络模型层次结构展开教学内容，梳理了每一章的教学重难点，包括网络软硬件、网络参考模型、数据通信理论基础、数字调制与复用、公用交换电话网络、差错检测及纠正、停等协议和滑动窗口协议、多路访问协议、以太网、网络层设计要素、路由算法、Internet 的网络层、传输层协议要素、拥塞控制、TCP 等。

将Behrouz A.Forouzan 编著的《Data Communications Networking》（第五版）作为辅助教材，进一步梳理数据通信理论基础部分的教学内容，辅助学生厘清数字传输与模拟传输的基本原理及各自所涉及的技术要点。同时引入Larry L.Peterson和Bruce S.Davie 编著的《Computer Networks:A Systems Approach》（第五版），供学有余力的学生课下研读，增加理论知识深度，从构建网络、连接到网络、互联网络、规模化、资源分配等视角来加深对计算机网络的认识，尤其是资源分配部分所涉及的对于开展网络研究十分重要的相关术语、评价指标、排队策略等。针对计算机网络课程术语众多、容易混淆等问题，提供了Cisco的网络顾问手册[2]给学生，供其速查课程中各个专业术语。

为了将网络领域最新的前沿知识纳入课程体系，围绕每章教学内容设计了体现网络技术最新发展动态的讨论版块，如软件定义网络、5G、以太网、拥塞控制等，将计算机网络顶级会议（如SIGCOMM、NSDI 等）、期刊资料（如IEEE Communication Magazine 等）及相关网络资源作为参考资料提供给学生，以便学生及时了解网络技术最新发展动态。

3.2 课程实践改革

在面向应用的课内实验部分，基于教材自带的以抓包分析为主的实验，笔者选择了协议层次、以太网、IPv4、ARP、UDP 和TCP6 个实验。同时，为了体现实验与实际应用的关系，在ARP 实验中增加了ARP 欺骗的实验环节，在UDP 部分增加了与DNS 和DHCP 协议结合分析的部分。

在面向探索和研究的课外拓展实验部分，笔者重点设计了针对Socket 编程、经典网络模拟工具NS2 和NS3、软件定义网络仿真工具Mininet的拓展实验，涵盖了实际工作中常用的网络编程技术以及网络研究领域主流的模拟工具/仿真工具。实验内容重点关注TCP 协议拥塞控制机制、路由器排队算法、网络路由协议、无线移动网络等网络中典型的重难点及热点话题。同时，强调实践的创新性，针对网络技术发展最新动态，设计了对网络领域顶级会议最新热点论文中的实验进行重现[3]的参照实验环节，激发学生在学习计算机网络课程方面的热情，提升学习主动性。

3.3 完善教学大纲

合理的教学目标是教学大纲的核心，对于教学至关重要。传统的课程目标包括：①使学生掌握数据通信的基本原理和计算机网络的体系思想；②理解网络协议、网络设备及网络应用的工作原理；③具备设计开发网络软件及规划管理网络硬件的能力。上述教学目标在制定时以教师为主体，学生较难领会教学目标的核心思想。为此，以学生为主体，从学生能力培养的角度制定教学目标，按照布鲁姆认知过程中的“记忆、理解、应用、分析、评估、创造”6 个层级，制定了5 个教学目标，分别如下：①描述计算机网络的构成，阐述计算机网络领域的关键概念和术语，阅读并理解计算机网络领域相关的文献材料，从而达到理解计算机网络领域的核心知识的能力；②解释计算机网络层次体系结构及各层的主要功能，说明典型网络的技术特征，解释典型协议及应用的工作原理，从而达到深入理解计算机网络、协议及应用的工作原理的能力；③运用计算机网络涉及的相关理论和技术，分析及评估计算机网络协议，制定网络规划方案，从而达到灵活运用理论知识、分析解决计算机网络领域实际问题的能力；④运用计算机网络涉及的相关工具，分析及评估计算机网络协议，从而达到灵活运用工具展开动手实践的能力；⑤设计和开发计算机网络通信程序，从而达到在计算机网络领域中开发实践的综合能力。同时，围绕课程各个章节给出了每个章节的学习目标和学习重点难点。

针对上述学习目标，在考核评价体系方面，设计了面向教学目标的多维度过程化考核评价方法。强调过程化考核，增加了平时成绩在总评成绩中的比重，平时成绩包括自测题、课程讨论、出勤、平时作业和期中考试5 个部分。将教学目标与具体的考核机制绑定，除传统的期中考试、期末考试外，将出勤、线上线下活动的参与度、作业及测试的完成时间及完成质量等纳入考核评价体系，并为上述考核方式分配与具体教学目标相对应的比重，完善学生评价机制及量化指标，确保每位学生都能全程参与到完整的教学活动中。

3.4 规划教学活动

在传统的教学模式中，教学活动以教师授课为主，形式相对单一，学生的积极性较难调动。为此，采用了面向混合式线上线下教学的计算机网络课程新型教学模式。在为每章教学内容分配对应的讲授学时、讨论学时、习题学时、实验学时基础上，设计包括教师讲授、学生阅读材料、讨论课、学生自测、师生在线讨论等多种形式在内的丰富多样的教学活动，设计以知识点驱动的学习任务，按照课前、课中、课后三个环节重新组织教师和学生分别需要完成的教学活动内容。同时，制作了微课视频和对应的自测题，辅助学生加强对课程知识点的理解。

依托华东师范大学的在线教学平台“大夏学堂”，课程网站的常用功能包括课程内容发布、课程通知发布、自测题、课程对话、成绩中心、课程报告统计等，提供了课程简介、教师简介、教学大纲、教学计划、课程目录、课程公告、课件资料、多媒体资源、参考资料、自测题、讨论交互、作业、拓展等丰富的教学资源。根据每周课堂教学进度安排，发布每周课程导航、每周学习任务、每周学习要点、教材和辅助教材及对应的PPT，以便学生课前预习。围绕重点知识点设计了自测题供学生课后完成，建设了题型丰富的题库；通过在线讨论版块，帮助学生了解网络技术领域最新发展动态。

4 教学效果

教学团队在实施上述计算机网络课程教学改革措施的过程中，获得了学生和同行的一致好评。学生表示，计算机网络课程“让同学们了解最新的技术与存在的问题”“提高大家对这门课的兴趣”“安排的十分有条理，清晰妥当”“每节课教授的知识量合适”“衔接很好，同时会带学生总览本节课的学习任务，条理清晰，课下设置合适的作业、小测和讨论等帮助学生及时巩固知识”“拓展版块提供给学生一些学习方向，深入理解计算机网络”“这门课让人受益匪浅”。