“四位一体”的计算机网络课程教学改革与实践

2022-04-19杨敬民陈添丁张文杰魏志森

高教学刊 2022年9期

杨敬民陈添丁张文杰魏志森

摘要：计算机网络是计算机学科基础及必修课程，持续提升教学质量有着重要的意义。以教学质量国家标准为框架，面向工程教育专业认证，结合学校应用型人才办学定位，分析闽南师范大学计算机网络课程教学的现状与问题。以问题为导向，设计“四位一体”综合改革模型，从教学方法、教师发展、资源保障及持续改进四个方面综合进行教学改革与实践。教学质量评估数据显示，反馈的问题大部分解决或缓解，改进效果比较明显。其中，学生评教对创客教育和开放实验室评价最高，同行评教对创客教育和教师发展评价最高。

关键词：应用型人才;内涵建设;工程教育认证;教学质量标准;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）09-0134-06

Abstract： Computer Network is the basic and compulsory course of computer science. It is of great significance to continuously improve the quality of teaching. Based on the framework of national standards of teaching quality， this study is oriented to the certification of engineering education and combines the orientation of applied talents. This paper analyzes the current situation and problems of computer network course teaching in Minnan Normal University. This research is problem-oriented and designs a "four-in-one" comprehensive reform model to comprehensively carry out teaching reform and practice from four aspects： teaching methods， teacher development， resource security and continuous improvement. The teaching quality evaluation data show that most of the feedback problems are solved or alleviated， and the improvement effect is obvious. Chuangke education and open laboratory were rated the highest by students， while Chuangke education and teacher development were rated the highest by peer teachers.

Keywords： applied talents; connotation construction; engineering education certification; teaching quality standard; teaching reform

“十二五”期間，为健全计算机专业教育质量保障体系，教育部高等教育司组织高等学校计算机类专业教学指导委员会制定了《高等学校计算机类专业教学质量国家标准》（以下简称《质量标准》），主要目的是通过标准化来规范专业人才培养的质量要求[1]。《质量标准》以学生发展为出发点，坚持“目标导向、产出导向、能力导向、需求导向”，持续改进人才培养质量，服务经济与社会发展需要，引导专业教学改革[2]。

2016年我国正式成为《华盛顿协议》的第18个成员，成员之间互认工程教育本科学位。工程教育专业认证围绕培养目标和毕业要求，按照国际等效的认证标准开展认证工作，强调三个基本核心理念：以学生为中心、成果导向、持续改进[3]。通过认证专业的毕业生，工程教育和从业资格被其他协议成员所认可，这对提升我国工程教育质量，增强工程教育人才培养对产业发展的适应性，促进中国工程教育的国际互认，提升我国工程技术人才的国际竞争力有重大意义。2017年11月，中国工程教育专业认证协会发布了《中国工程教育认证标准（修订版）》（以下简称《认证标准》），对课程教学改革也提出了相应的要求[4]。

闽南师范大学地处福建省21世纪“海上丝绸之路”核心区，海峡西岸经济区。作为一所地方本科院校，学校以服务国家及福建省对人才需求为导向，培养福建海峡蓝色经济试验区所需的高素质应用型管理人才。计算机网络是网络工程、物联网工程及相关专业的计算机学科基础及必修课程，是一门集计算机技术与通信技术、软件与硬件、理论与实践结合非常紧密的专业核心课程。课程学习效果直接影响该专业方向后续相关课程的学习。实践教学在工科教育中占有重要地位，是培养学生工程能力的主要途径，同时也是理论联系实际、培养学生实践技能和问题解决能力的重要方法。在实践过程中，学生的学习能力、沟通表达能力和协同合作能力也会得到快速的提升。以计算机网络课程进行教学改革探索具有十分重要的意义。

本文组织结构如下：文章的第一部分以《质量标准》和《认证标准》为理论指导，结合闽南师范大学办学定位，采用学生问卷调查、企业专家访谈、同行评议、任课教师自查等调查方法，梳理课程现状，分析问题。文章的第二部分以问题为导向，首先制定教改指导原则。其次，设计了“四位一体”综合改革模型，即从教学方法、教师发展、资源保障及持续改进四个方面进行综合教学改革和实践，针对性解决问题。最后，通过教学质量评估数据评估改进效果。文章的第三部分总结全文，指出下一步的研究方向。

一、相关工作与问题分析

（一）相关工作

由于计算机网络课程在计算机类课程体系中处于基础性专业课程的地位，不同高校根据各自的办学特色和人才培养目标，针对该课程开展了多种形式的教学改革和探索，产出较多创新的教学模式，提升了教学质量。比较有代表性的包括中国农业大学的赵明[5]提出的研究性教学，通过把科研成果、方法和思想（包括专业文献阅读）融于整个教学过程中，把培养学生的创新和实践能力作为教育改革的主要目标。四川大学的陈黎等[6]在实验课程中增加综合实验内容，设计了综合性实验大纲，更好地提高学生创新能力和创新意识，激发学生实验兴趣。杭州电子科技大学的蔡文郁等[7]提出的启发式实验仿真教学，采用开源NS-3仿真软件，设计启发式实验案例，让学生对网络通信协议有直观深入的理解，进而提高教学效果。武汉大学的林海等[8]引入互动式教学，针对中国学生在互动式教学中积极性不高的特点，强调了强制性参与是必要的手段。进一步地，通过对上述文献的分析，我们发现目前的课程教学改革更聚焦于具体教学模式的改进，鲜见有综合性改革的探索与实践。因此，本文首先通过调研明确问题，然后以问题导向，根据《质量标准》《认证标准》和学校办学定位，确立教改指导原则，接着设计包括“教学方法，教学条件，资源保障，持续改进”四个方面在内的“四位一体”课程综合改革模型，并积极进行改革实践。同时，以产出量化指标评估效果并持续改进。

（二）问题分析

闽南师范大学计算机学院有网络工程、物联网工程、计算机科学与技术、软件工程、数据科学与大数据技术五个专业，四个年级本科生共计1 826人，计算机网络是上述五个专业的基础必修课程。通过学生问卷调查、企业专家访谈、同行评议、任课教师自查等形式，我们对闽南师范大学网络工程专业计算机网络课程的教学过程进行问题收集、分析和归类。在问卷调查的权重设计中，根据以学生为本和结果导向的原则，按照学生问卷调查（30%），企业专家访谈（30%），同行评议（25%），任课教师自查（15%）的比例设置问题权重，最后形成问题汇总表，见表1。

表1表明，按问题分类总得分降序排列，问题主要集中在四个方面，分别是教学方法、教学条件与资源保障、课程考核及评价和持续改进。具体而言：

1. 传统教学方法对培养目标的适应性较差。问题又可细分为理论教学、实践教学、课外学习三方面。在理论教学中，主要采用“传递-接受”模式。该教学模式源于赫尔巴特的四段教学法，老师以讲授多媒体课件为主，辅助黑板板书，学生单向接收信息。该教学模式不利于培养学生创新思维和解决实际问题的能力。第一，教师课堂讲授的案例，主要以理论计算为主，缺少计算机网络工程应用案例，学生普遍反映不知如何将理论应用于实际，存在“工科教学理科化”倾向。在实践教学环节，原理验证实验居多，缺少培养工程能力的应用型实验，缺少工程应用场景的真实感、综合性技能实践和创新性实践。第二，实践教学主要采取单人单机实验模式，缺少团队的协同学习，不利于实际工程项目中所需的沟通协调能力和团队合作能力的培养。第三，实践教学按“原理讲解-实验验证-教师指导”的传统模式开展，学生被动接受，往往出现学生理论掌握不牢，实验进展缓慢甚至做不完，教师疲于讲解指导的情况，效率较低。在课外学习中，没有针对性的面向实际工程设计学习环节，学生处于放养状态，忽视了学生学习能力的培养。

2. 课程教学对专业人才培养目标和标准支撑不足。设计并建立课程对人才培养目标和标准的映射矩阵，通过映射矩阵可以直观地看到课程采用的教学模式、教学设施与教学条件对标准的覆盖情况，为后续的教学质量评估和持续改进提供完整视图，该映射矩阵恰恰缺失。其次闽南师范大学工科专业基础相对比较薄弱，网络工程、物联网工程和数据科学与大数据技术都是近年来新开的专业，男女生源比例接近4∶6，福建生源是本一批招生，省外则为本二批，生源特点也是需要重点考虑的因素。

3. 课程考核及评价体系单一。目前课程考核主要是对学生学习成果的检查，由期末考试成绩（70%），实验成绩（15%）和平时表现成绩（15%）三部分组成。其中期末考试成绩采取閉卷百分制考试形式，实验成绩由书面实验报告和实验过程评价组成，平时表现成绩由作业、课堂表现组成。学生提交的作业（理论和实验）由教师手工批改评定分数等级，由于学生多，实验课程紧，学生的实验过程无法做到全程跟踪，缺乏及时、客观的评价和反馈。在成绩评定上以结果性评价为主，不重视过程性评价，考核结果不能全面、真实地反映学生的学习情况。另外任课教师自评属于可选，容易流于形式。

4. 教学条件和资源保障不足。专任教师大学毕业即入校从事教学工作，科研也是以理论研究为主，缺少实际网络工程项目经验。随着招生规模的扩大，基础网络实验室面积严重不足。实验主要是个人电脑运行虚拟机和应用软件进行的单人单机仿真实验，计算机网络技术发展迅速，学生培养定位于园区网和企业网等中大型商业网络技术管理人才，缺失该场景下数据中心交换机，无线接入控制器、应用层网关等开展工程实践的仪器设备。

5. 课程持续改进的机制需要进一步加强。目前的课程改进机制主要包括校院二级教学督导随机听课，期末试卷分析。还未完全建立基于学生的“教学目标-教学过程-学习产出-教学目标”的闭环机制。

二、课程教学改革与实践

（一）指导原则

1. 明确目标。明确课程教学的三个面向“面向培养目标，面向毕业要求，面向办学定位”。将三个面向的内容分解成可以落实到课程的对应内容，按照知识、能力和素质模型建立映射矩阵，明确课程教学的针对性和对三个面向的支持力度。

2. 科学施教。原则上，教学改革探索的新方法需要有成熟的教育理论作为支撑和有成功案例可以参照，并结合自身实际优化，保障教学改革的有效性和切实提升教学质量。在此基础上，凝练教研室长期教学实践经验和技术优势，在信息化教学做出特色。

3. 问题导向。坚持通过调查分析得到问题，区分问题的普遍性和严重性，抓住影响全局的核心问题，靶向治理，通过量化指标客观反映教改效果。

基于上述指导原则，对计算机网络课程中存在的问题，我们从教学方法，教学条件，资源保障和持续改进四个方向进行了综合课程教学改革，设计了“四位一体”的课程教学综合改革模型，如图1所示。

（二）教学方法

1. 以能力为导向的理论教学模式

“三位一体”是比较成熟的理论教学模式，有大量的成功案例[9]。网络工程教研室根据学生情况和多年的教学实践，凝练计算机网络课程每个章节的教学目标和要掌握的知识点，设计问题，以关键问题为导向，实施启发式教学，引导学生发现问题，分析问题和解决问题。关注学生学习能力、创新能力、沟通表达能力与团队合作能力的综合提升，并开发了支撑上述业务的信息化系统，主要包括在线问卷调查系统、教务管理系统和网络教学与实验平台。问题的来源有三类，第一类是理论问题，主要来源于本学科的理论教学，新增加从教师的科研项目中凝练的问题;第二类是工程实践问题，主要来源于校企合作企业的工程项目，部分来源于教师横向课题的工程实践;第三类是学生提出的问题，鼓励学生参加教师的科研项目。

2. 以产出为导向的创客教育模式

创客教育源于2009年美国的“创客教育计划”，是近年来新兴的教育模式，强调“基于创造的学习”，创客教育以成果产出为导向，主要目的是培养具有创新意识、创新思维和创新能力的应用型人才[10]。在实践中，教研室将计算机网络课程的知识点与教师在软件定义网络、云计算、认知无线电、数据挖掘等方向的理论研究和应用研究课题相融合，形成综合型学习主题群，由学生组成的创客学习小组承接，并通过成果进行效果检验。一般将15%理论教学和80%课外学习的课时用于创客教育。创客学习小组针对本小组的综合型实验课题，自主设计，依托实验室设备进行实验验证。在作品展示环节，先进行限时的课堂作品演示和汇报，然后通过学生提问，教师点评等互动环节，选拔出优秀作品。作品改进后，参与学科竞赛，教师课题实践等，最后将成果导入成果库，作为下一学期的参考素材。

在教学实践中，学生作为学习个体，会涉及到理论与实践的协同，课内与课外学习的协同，个人学习与团队學习的协同。个体的差异会影响学习进度和学习效果，教师需要及时跟进，发现问题并及时解决，信息化系统的应用可以快速提升效率。通过教学管理系统和问卷调查系统，收集和分析学习过程的数据，及时发现学生在某个知识模块学习存在的问题，通过推送电子化案例，现场辅导，课堂点评等形式，开展有针对性的指导。通过教学与实验系统，在校园网范围内，7×24小时开放实验室，学生通过校园网预约实验时间，输入用户名和密码即可做实验，通过实验验证脚本自动检验实验结果，实验配置参考帮助学生快速掌握实践技能。

（三）教师发展

建设有专业特色、高素质的“双师型”师资队伍是提升教育质量的重要保障，在实践中，除了重视现有专业教师的培养和继续教育，提高教师自身的专业理论水平和专业实践能力外，也需要注重教师的人文关怀，激发教师的事业热情。首先通过人才引进政策，引入具有丰富网络设备研发经验和IT项目管理经验的企业高级工程师，负责实验室建设和工程实践环节，加强教研室工程应用能力。其次鼓励教师积极申报教育部产学合作协同育人项目和省校两级教学改革项目，并在职称量化评分、教学奖励给予倾斜。第三，课程教学改革有大量的隐性工作，比如自研信息化业务系统，制作教学案例等，将这部分隐性工作量化折算为工作量，以精神鼓励为主，辅以适当的物质奖励，让教师获得认可与尊重。第四，鼓励教师参加与教学专业相关的资格认证和能力水平考试，参加网络设备厂商工程师考证，比如思科的网络工程师，华为的网络工程师认证培训与考试等。参加培训和考证的费用，由教师发展专项经费给予支持。通过上述的措施，激发教研室教师的工作热情，积极参与教改与工程实践，提升教学理论水平和工程实践能力。

（四）资源保障

1. 实验室建设

首先是参照网络工程师职业资格要求，加强网络专业核心课程间关联度建设，整合实验室资源，构建“基础网络实验室-专业网络实验室”二级模式，打通基础能力培养和专业能力培养通道，实现与企业工程环境的对接。学院在2016年对基础网络实验室进行设备升级和扩容，2017年建设移动通信网络实验室，主要用于进行企业网、校园网等中大型商业网络工程实践。2018年建设软件定义网络实验室，2019年建设工业控制系统安全联合实验室。其次是改革实验室管理制度，实行学院实验室管理办公室和专任教师双线管理，给予专任教师更多使用实验室自主权，并采用学生培养质量，教学成果，科研成果等对专任教师进行量化考核，成果导向以规范实验室的使用和产出。

2. 教学资源库

教学资源库是课程教学能顺利进行的基础保障，教学资源库的建设水平，对教育目标的达成有很大的影响。从狭义的角度，教学资源库主要包括硬件资源和软件资源，从广义的角度看，还包括社会助学资源。硬件资源库主要包括实验室场地和实验设备，软件资源主要包括问题库、案例库、微课视频、应用软件、仿真软件、教材等。应用型本科学生培养目标是面向社会需求，动员社会助学力量，比如校友、用人单位、网络设备厂商等，聘请企业工程师做兼职教师，共建实践教学基地等。

3. 教改经费

从目前的实践，教改经费主要来源于三大类，第一类是校院两级的教学专项经费，提前做好预算和申报，积极向教务处申请经费支持。第二类是教师的科研课题经费，主要是纵向科研经费和企业横向开发课题经费。第三类是社会助学资源提供的经费，比如合作企业漳州科能集团设立的教育资助经费。

4. 信息化系统

利用信息技术创新教学的模式与方法，是加快推动信息技术与教育教学深度融合的重要途径。在课程教学改革中，我们借助教研室的技术优势，开发了问卷调查系统和教务管理系统，增加了教师、学生、同行三级评教功能。通过评教指标的设计，收集评教数据，并给出数据统计和分析。在引入商用实验系统的基础上，二次开发了网络教学与实验平台，增加了实验室网上预约，个人/小组学习空间，实验结果自动化检测等三大功能。学生通过网上预约子功能，即可预约实验室机位，我们将客户端接入的IP地址限制为校园网范围，学生在宿舍和教师通过校园网即可访问。在实践中，教师根据学校相关管理规定，限制接入区域和接入时段。个人/小组学习空间存放项目的电子化文档，网络拓扑，配置文件等资料，方便学生或创客学习小组的持续学习。实验结果自动化检测采用JavaScript开发了结果检测脚本和参考配置文件匹配脚本，学生做完实验配置后，即运行结果检测脚本，检测脚本给出检测结果。学生也可以运行参考配置文件匹配脚本，通过对比发现差异，进一步修正实践操作。

（五）持续改进

教学评价是教学质量管理的重要内容，构建科学、合理的教学评价指标体系，对教师理论教学和工程实践进行客观、公正的评价，对帮助学生学习、促进教师职业发展具有重要意义[11]。为了更合理的评价，我们构建了由学生、教师、同行构成的三级评价体系。重点突出理论教学的学术性、教学过程的互动性、工程实践的真实性、关注学生的成长性、重视评价指标的导向性。学生和教师还有同级评价，比如创客教育，既有教师的日常考核和创客学习小组日常表现的相互评价，又有学生的自我评价;针对创客学习小组综合实训项目作品，既有教师对作品的评价和小组对作品的自我评价，又有小组之间对作品的相互评价。

在教师对学生的指导与评价中，工程伦理[12]是需要重点关注的内容。通过工程伦理认证标准的教育，使学生具备良好的伦理价值观，树立正确的工程伦理意识，在未来的工程实践活动中自觉地、按照认证标准去规范自身的伦理行为，预防各种伦理问题的发生具有重要的意义。通过工程项目实践，强调工程实践活动中各角色需要担负的责任，培养学生社会伦理责任实践能力。

（六）实施效果

计算机网络课程教学改革探索从2016年下半年开始，经历3个学年，在2020年，根据校院两级的评教数据，学生对任课教师的教学总体评价平均分均达到98.2，比之前的评价均分89.6提升了8.6，位于所在专业群的5%。同行评教的平均分也达到96.7，比之前的评价均分90.3提升了6.4，位于所在专业群的10%。在评教子项指标中，学生对创客教育和开放实验室评价最高，分别为99.8和98.2。同行评教对创客教育和教师发展评教最高，分别为98.5和97.3。

三、结束语

本文以《质量标准》和《认证标准》为指导框架，根据学校办学定位，以问题为导向，从教学方法、教师发展、资源保障和持续改进等四个方面进行了综合教学改革与实践，在实际教学中取得了良好的效果。后续工作，计划从以下三个方面继续提升理论水平和深化实践能力[1]：第一是在教学实验平台中引入虚拟现实和增强现实技术，探索教学与工程环境的虚实结合、理论与工程开发过程的全景沉浸，进一步提升学习体验和效率，促进深度学习。

第二是采用大数据学习分析技术，收集教学过程各类数据，建立分析模型，提供精准的学习诊断，实现对学习效果和学习情境的优化。第三是研究创客教育与发展创客空间，进一步孕育和培养有特色的创客文化，探索创新创业教育新模式。

参考文献：

[1]教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会.计算机类专业教学质量国家标准[Z].2018.

[2]吴雨芯，蔡婷.工程教育专业认证背景下计算机专业教学质量评价体系构建[J].高教学刊，2019（12）：52-55.

[3]瞿振元.推动高等工程教育向更高水平迈进[J].高等工程教育研究，2017（1）：18-22+29.

[4]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017年11月修订）[Z].2017.

[5]赵明.本科生《计算机网络》课程的教学改革和探讨[J].高教探索，2017（S1）：98-99.

[6]陈黎，饶坚，孙界平.双创教育模式下计算机网络综合性实验教学探讨[J].实验技术与管理，2018，268（12）：195-198.

[7]蔡文郁，刘晓玲.计算机网络启发式NS-3仿真案例教学模式[J].实验室研究与探索，2018，37（9）：95-100.

[8]林海，李俊娥.在高校课程中实践互动式教学——以计算机网络课程为例[J].高教学刊，2020（5）：103-108.

[9]施晓秋，刘军.“三位一体”课堂教学模式改革实践[J].中国大学教学，2015（8）：34-39.

[10]吴冬芹，郭黎黎.高校创客教育发展模式研究[J].高教学刊，2019（2）：25-27.