以科研项目为依托 培养创新型人才—以计算机通信与网络课程教学为例

刘婷婷 王志明 李小平 刘化君

南京工程学院信息与通信工程学院 江苏南京 211167

人们一直以来都很重视教育对下一代、对民族和对国家的重要影响。19世纪之后，教育经历了不断变革，使得人类的文化得以保留和传承。而如今，教育已不再是对以往文化的继承，更多的是对文化的延伸和创新。这对教育者在教学过程中培养学生的创新能力提出了新的要求。19世纪初，柏林大学在创立之初，洪堡就创造性地提出了教育和科研相融合的理念[1]。洪堡认为：大学教师必须坚持科学研究，只有投入科学研究中，才能找出教学的方向和切入点；只有坚持科学研究，教师才能时刻保持求知的状态，提高教学水平；只有让学生参与科学研究，才能促进他们进行有效的学习[2-5]。在洪堡提出这一观点后，高等教育界就掀起了教学与科研相结合的讨论热潮，伯顿·克拉克、纽曼、博耶等著名高等教育专家都对教学和科研相结合阐述了各自独特的观点，有效推动了这一理念的继续发展。

1 我国现有的科研教学相融合的方式

当今社会，竞争越来越激烈，对创新型人才的需求也日益增加，对高校而言，人才培养的主要目的也转变成培养具有创新精神的人才。为此，高校陆续开始探索科研和教学相融合的培养模式，通过改变传统的教学模式，以教学促进科研，用科研带动教学，让学生参与科研中，用科研启迪学生的思想，激发他们的创造性，培养学生的创新能力。在实践过程中，我国部分高校借鉴国外高校的模式，进行了初步探索，主要有以下几种方式实现科研和教学的融合。

1.1 培养体系中增加科研训练模块

2007年，教育部发布了《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》，促进了大学生创新创业训练计划的实施，研究型大学普遍设立了大学生创新训练项目，设立专门经费和展示平台，让学生参与到教师的科研项目中，使学生在早期就能够接触到科研，以传、帮、带的方式跟随高年级学生初步接触科研，这种方式在研究型大学比较常见。

1.2 教学方法上实现研究型教学

在教学方法上实现研究型教学并没有一套稳定的模式，本质都是以学生为中心、以问题为导向、以求证为手段，进而获取知识的一种方式。这种方式可以使用在课堂教学中，以“提出问题—讨论问题—解决问题”为主要形式；还可以应用在实验教学中，教师从科研中提炼出实验内容，设置问题场景，通过特色实验项目，实现对某一个知识点的探究性验证，加深学生对某个知识点的理解和掌握。

1.3 高水平科研型教师走入课堂

高水平科研型教师一般都承担过较多的高水平、高质量科研项目，拥有大量优秀的科研成果，且涉及学科较为广泛，对知识融会贯通，且有独特的见解。这类人才走入课堂，有助于发挥他们在教学中的创新作用。此外，科研型教师还可通过多种形式参与教学，除了课堂讲授之外，还可采用课外指导、讲座、讨论会等多种形式，提高学生的参与度，让学生近距离的接触科研型教师。

1.4 教师的激励机制中突出教学科研融合

学校的激励机制对教师的工作具有较强的导向性。通过对教学和科研融合的相关工作加强激励，可以有效地提高教师科研与教学融合的积极性，例如，可以采用岗位分类设置的方式，设置纯教学岗位、纯科研岗位以及教学科研并重的岗位；在职称评审中，加大对科研教学融合的权重，要求参与职称评审的教师指导过学生的科技创新活动并获得奖项等；设置教学奖励，通过增加经费投入等方式对指导学生获得各类奖项的指导教师进行奖励。

2 计算机通信与网络课程教学问题剖析

计算机通信与网络是本科院校信息类专业的基础课程，在培养方案中占用重要的地位。在教学实践中发现，这门课具有很强的逻辑性，主要围绕着五层参考模型进行教学，从最低的物理层到最高的应用层，层层递进地讲解了网络体系结构、通信协议与数据通信的基础知识等，内容比较庞杂。授课过程主要采用课堂讲授和实验相结合的方式，较为抽象。学生在学习过程中，容易对一些知识点认识不深，产生错误的理解[6,7]。目前这门课程教学中存在的问题，有以下几个方面。

2.1 重理论 轻实践

计算机通信与网络课程具有较强的实践性，理想的授课方式应该是由教师带领学生进行实际操作，同时配合讲解。而大多数高校采用的教学形式是大部分教学时间在教室中完成，少部分时间让学生做一些简单的验证性实验。课程的考核也比较注重概念和计算，很少涉及实际操作方面的内容。这种方式无法让学生深刻理解计算机通信与网络的内涵，更无法将所学用于实践中。

2.2 实验设施短缺

部分高校经费有限，计算机通信与网络课程所需的实验设施不能满足每一位学生的需要。有一些实验项目甚至达到8～10人一组，例如“路由器的配置”和“DHCP服务器的配置”等实验。学生在实验过程中，因为同组的学生较多，产生了依赖心理，参与实验的主动性大大降低。有的学生因为没有进行实验操作，有一些实验步骤并不清楚，最终导致实验不成功。

2.3 学生认知能力有差别

教师在计算机通信和网络的教学过程中发现，学生对同一个知识点的掌握程度有很大差别。有的学生第一次讲解就可以理解了，有的学生则需要举一反三，从多个角度解读，才能理解这个知识点。而所有的学生都接受同样的教育，没有差别对待。接受能力较强的学生在学习中会产生很多的疑问，他们很希望教师能解惑，但由于跟其他学生在同一个教室，从众的心理使他们不愿意提出问题，逐渐也丧失了对问题追根问底的动力。

3 计算机通信与网络教学中引入科研能力培养的措施

笔者在实际教学过程中尝试使用多种培养措施，将科研与教学相融合，解决计算机通信与网络教学中存在的问题。

3.1 问题导向型教学

学会质疑、学会提问是科研人员具备的基本素质，为了提高学生的科研能力，教师需要启发学生去质疑、去提问。例如在学习基带调制部分的曼彻斯特编码时，可以设置问题：为何曼彻斯特编码在每个比特的中心处会产生跳变？这个跳变有什么作用？让学生带着问题听课。接着，教师画出一串连续的1，用不归零制和曼彻斯特编码两种方式分别画出编码后的图形，如图1所示。从图1中可以看出，当出现连续的1时，若接收方没有准确的时钟，则无法识别出到底有多少个1，然而曼彻斯特编码却因为在每个比特周期中心位置存在一个跳变，使接收方容易识别出1的个数，由此让学生自主总结出曼彻斯特编码的优点。问题导向型教学方式，可以激发学生的探索能力，但是对教师提出了更高的要求，需要教师在上课前充分准备，不仅要准备好问题，还需要对提出问题的时机精心设计。

图1 用不归零制和曼彻斯特编码分别画出连续的1

3.2 引入模拟仿真型实验

模拟仿真是科研人员必须具备的基本素质之一。此外，模拟仿真还可以有效弥补因资金有限带来的实验设施短缺问题。在讲授计算机通信与网络这门课程中，教师可以考虑在教学中结合模拟仿真，加深学生对某知识点的理解，也可以锻炼学生模拟仿真等科研的基础技能。

在实验“路由器的配置”中，使用了华为的仿真平台，让学生配置出如图2所示的网络拓扑结构，设置每个网口的IP值。通过这个实验，让学生了解路由器的作用，熟悉路由器的配置方法、路由器静态路由协议以及动态路由协议的工作过程。同时，也让学生初步掌握模拟仿真的方法，锻炼模拟仿真技能。

图2 路由器的配置实验拓扑图

3.3 以科研项目为依托

教学和科研不是相互矛盾的，而是不可分割的整体。要培养具有创新意识的大学生，仅依靠讲授书本的知识是远远不够的，还要将教师的科研项目与教学相关内容结合起来。

3.3.1 授课中结合科研项目

教师的授课内容，从过去的传授理论知识，转变成既要传授专业知识，又要引导科研实践。例如在讲授计算机通信与网络的数据链路层中关于无线局域网知识时，可以结合国家自然科学基金项目“无线内容分发网络中基于边缘存储技术的激励机制与优化方法的研究”的研究内容，讲解在无线局域网中数据传输通道的概念、牵涉的网络设备及设备参与数据传输需要消耗的网络资源、网络资源分属的利益方及利益方存在的利益冲突。通过对整个数据传输过程的详细剖析，一方面可以加深学生对数据通信的理解；另一方面又可以吸引接受能力较强的学生参与科学研究，提高学生的探索能力和创新能力。

3.3.2 科创结合科研项目

科技创新活动是学校加强本科生创新能力培养的一项重要举措。其主要针对低年级的学生，从刚入校开始，可以根据个人兴趣，跟随教师进行初步科研探索。教师也可以从低年级开始，长期培养学生的科研能力。例如笔者指导通信工程学院2014级学生做了一个二维双向受控磁悬浮系统，制作这个系统，需要学生从最基础的使用电压表、电流表和示波器开始，了解每个元器件的性质，掌握磁场和电场的转换关系，进而手动完成绕圈、焊接等精细工作。在制作过程中，可以启发学生去探索不同参数下系统的性能，让学生深刻理解磁悬浮的关键技术。

3.3.3 毕业设计结合科研项目

毕业设计一般从前一年的11月左右开始，到第二年的6月完成，期间有7个月左右的时间，可以充分锻炼学生的自主创新能力。教师可以在科研项目的背景下，选取一小部分，由学生尝试完成。例如在南京工程学院校级科研基金项目“基于随机几何理论的蜂窝网络干扰建模与能效优化研究”中，需要对网络中节点进行随机几何布局，并获得网络覆盖概率。这部分工作难度不高，可以由教师指导学生完成，当学生有问题或者产生其他灵感时，及时与教师进行沟通和讨论，在教师的引导下，完成科研工作。通过毕业设计完成短期高强度的训练，让学生了解随机几何理论建模的方法，也让学生初步体会到科研工作是如何进行的，激发了学生科研的热情。

4 结语

科研与教学相融合是未来教学改革的主要方向。本文介绍了我国现有的科研与教学融合的方式，包括培养体系中增加科研训练模块、教学方法上实现研究型教学、高水平科研型教师走入课堂以及教师的激励机制中突出科研教学融合等方式；剖析了计算机通信与网络课程教学中存在的问题，即存在重理论、轻实践、实验设施短缺，学生认知能力有差别等问题；提出了应用于实际教学三种方式，重点探讨了以科研项目为依托，培养学生创新能力的方式。通过本文提出的教学方式，不仅为解决计算机通信与网络课程教学中存在的问题提出了建议，也有意识地培养了学生的科研素质，有助于提高学生的探索能力和培养创新意识。