面向新工科的计算机网络混合式教学模式

王铁霖

一、引言

计算机网络是计算机专业的核心课程，本课程的重点是深入掌握网络分层协议算法及其应用，难点在于覆盖了网络设备、网络协议、算法分析、故障分析和协议程序设计等内容，综合性强，协议抽象不易理解，网络编程比单机程序更难。目前，许多教师对计算机网络课提出了多种教学思路和实践方法。一方面，选用平台开展混合式教学，设计了课前、课中和课后教学阶段，开展学生自主学习、问题探究等多元教学方式。另一方面，通过网络考证、网络竞赛和网络编程等方法，提升实践教学质量。也有的高校开始探索新方法，文献中围绕内容主线，将知识点划分成基础知识、重点难点、前沿技术3个部分，形成层级知识体系。在终期考核中，试题包含10%～20%的开放性试题。在文献中，为计算机网络课程分配了3个二级指标点，分别是1-2、6-2和12-1，但该分配在网络系统分析和设计方案方面存在着缺陷。对比发现，金课标准的“两性一度”与专业认证标准要求是一致的。金课建设要求高阶性、创新性和挑战度，培养学生解决复杂工程问题的能力，具有创新意识。这种要求分解落实到各门课程中，涵盖理论教学、实践教学和毕业设计，需要通过“高质量的教学实践”有效地落实课程教学目标。可见，对照金课标准要求，当前计算机网络课程教学存在较大差距。

二.教学目标

在课程建设中，课程教学大纲的设计是头等大事。对于专业核心课程而言，主要内容包括课程教学目标、达成途径、教学内容、实验教学、课程评价等方面。基于金课标准，需从课程教学目标入手，满足解决复杂工程问题能力培养需求。在具体目标设计方面，应按照专业认证标准，将合理的毕业要求二级指标点分配到该课程。

三、计算机网络工程原理的分析与运用

金课标准的高阶性要求知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。对于计算机网络课程，其本质就是需要深入学习网络工程原理及其应用，包括网络模型、协议和算法等内容。

典型的计算机网络模型有2个：OSI模型和TCP/IP协议簇。既要正确理解其中的服务和协议概念，又要能够分析协议包的封装和拆解过程。下面对各网络层次的协议和工作原理进行分析，部分内容举例如下。（1）物理层：数据编码、串口通信协议RS232-C;（2）数据链路层：滑动窗口协议、HDLC协议、PPP协议;（3）局域网：CSMA/CD、CSMA/CA、透明网桥的转发表生成算法;（4）网络层：子网划分原理与算法、IP协议、ARP协议、RIP协议、OSPF协议、距离矢量算法、洪泛算法;（5）传输层：UDP协议、TCP协议、TCP可靠传输机制、TCP协议的拥塞控制算法;（6）应用层：DNS、HTTP协议、FTP协议、SMTP协议、POP3协议、MQTT协议。

UDP协议首部只包括4个字段，其中，第4个字段是校验和，是难点之一。其计算范围包括了UDP协议首部和数据部分，以及来自于IP协议的伪首部内容。校验和计算原理。计算之前，需要对IP协议和UDP协议进行分析，抽取其中的字段信息;计算时，需要采用带进位二进制累加计算，最后求反可得。

通常，教师在完成以上内容教学后就认为UDP协议部分讲解结束，但是要让学生深入掌握网络协议原理，单单如此推算是不够的，应继续深入分析，将结果验证方法和解算过程引入到教学中。

四、教学内容

在课堂上开展多种教学方式，特别是对于学生的关注度和个性化问题，可立即评价和反馈。（1）在线下教学中，针对每个网络工程原理内容，分主题进行精讲精练，精讲内容配合课件，并以板书方式进行过程化演练。针对教材例题，在课堂上提出其他解决方案，为学生扩展思路。（2）基于云班课的随堂测试。在以上精讲精练结束后，立即开展随堂测试，通过布置类似的任务，组织全体学生做题，学生须将演算过程和答案写在白纸上，限时作答。如此，能够提升网络协议教学的高阶性。具体做法是通过实验方式，组织学生编写校验和计算程序，要求通过界面输入UDP协议的各字段数据，包括伪首部数据。而数据来源必须是通过协议抓包工具Wireshark获得的真实数据。只有校验和计算结果与抓包数据中的校验和字段值是一致的，才认为程序通过。这样，既培养学生深入掌握IP协议和UDP协议，又能通过编程训练，提升学生的网络协议应用设计能力。进一步，还可以扩展为UDP协议包发送程序，通过编写套接字程序发送字符串。如果能够通过网络助手工具正确接收到信息，则认为设计任务顺利完成。这时，单机编程思维扩展到了网络编程思维，使网络工程原理的分析得以深入。3混合式教学的创新思路“基于网络学网络”的思想实际上突破了典型的线上线下混合教学模式，扩展为“线上学习+线下教学+互联网应用探索+互联网应用实践”的教学理念，打破原有线上慕课资源定时定课的1422022计算机教育ComputerEducation行通过手机拍照，上传答题图片到云班课上，形成手写的电子材料。教师在课后通过云班课直接批阅，学生能立即看到批阅图片和成绩。这种方式的好处是，每次随堂测试占分数，学生愿意投入。反之，如果课堂上不认真听讲或者未到课的，则丢分严重。因此，随堂测试的安排能够有效促进课堂教学效果。

在网络课程教学中，构造真实的网络系统一直是个难题，涉及网络建模、系统部署、网络布线、网络设备选用、工程造价和性价比计算等。这些内容除了课堂讲解之外，更多要依靠实验教学来完成。以“小型局域网络系统设计”为例，综合采用CDIO和PDCA的理念，设計该项目的执行流程图，如图所示。

首先，由教师给出设计任务书，要求在2个房间内部署100台PC机、若干服务器及刷卡设备。需要学生自行完成全部设计任务，提供采购清单和设计文档。具体流程如下。（1）学生以2人小组方式，进行需求分析并构思方案;第1期教育与教学研究143题调研、学生报告设计与制作、学生课堂演讲、教师课堂点评、学生报告完善、教师成绩评定共7个阶段。所有学生划分为至多3人的小组，选择教师预先设置的10余道选题，全部关注网络前沿技术。选题每年更新，并增强课程思政。学生需要至少8学时，在课外通过互联网调研和文献查阅整理，撰写PPT和调研报告。然后，所有小组在课堂上进行讲解。经过教师点评后，学生获得讲解成绩。学生继续完善调研报告后，再获得报告成绩。讲解和报告各占总成绩的5分，合计10分。结果表明，该专题调研方式所支撑的课程目标1和目标2，一直达到良好状态。

五、总结

本课程坚持“通过网络学网络”的教学思想，在课堂课外、理论和实践环节，都能结合互联网环境进行教学。在课堂上，通过网络命令测试、路由跟踪、网络抓包等方式，不断强化网络教学的真实感。在课外，通过多类型的课程在线学习平台，解决专题学习和基础测试问题，大大扩展了学习空间和资源空间。基于金课和工程认证标准，坚持“以学生为中心”的教学理念，强调工程能力和素质的培养。课堂上采用难点精讲和云班课的在线测试，有力地促进了课堂教学质量。在实验方面，基于CDID理念完成“小型局域网系统设计”等挑战度项目。