新工科背景下计算机网络课程教学体系探索与实践

江 雪，王光辉，胡文龙

（1.南京邮电大学 物联网学院；2.南京邮电大学 教务处，江苏 南京 210003）

0 引言

高等教育的目标是立德树人，而课程是高等学校教书育人的主要渠道。在新工科建设背景［1-2］下，如何通过专业课程培养德才兼备的人才是一项亟待解决的重要课题。计算机网络为计算机科学与技术相关专业一门较为重要的专业基础课，主要介绍网络体系结构、网络互连技术、网络应用、网络管理等方面的知识。通过该门课程的学习，学生应全面系统地掌握计算机网络在世界和我国的发展历史、3 种计算机网络体系结构、物理层的传输介质、数据链路层的3 个基本问题、网络互连技术、2 种传输层协议、应用层协议和计算机网络安全等内容，掌握计算机网络的配置、调试与应用技能，具备利用计算机网络相关知识解决实际网络通信问题的能力。然而，目前的计算机网络课程教学体系已经不能满足新工科背景下计算机类专业人才的培养目标。

1 相关研究

针对新工科背景下计算机网络课程的教学改革，不少学者已经进行了相关研究。例如，文献［3］采用微课程重新组织计算机网络课程的教学实践活动，并总结了该课程教学中的微课程设计方法；文献［4］介绍了事务清单演进下的计算机网络课程教学模式，设计了总体教学思路，从几个关键节点出发介绍事务清单演进下的计算机网络课程教学过程，使学习者从中体会各项事务之间的联系，进而理清计算机网络课程的整体结构；文献［5］提出利用混合式教学方式推进计算机网络课程思政建设，从课程内容设计、教学考核多方面介绍教学改革的总体思路，并指出了教改活动深入推进的方向；文献［6］通过分析计算机网络课程知识点的特点总结了该门课程知识体系构建困难的原因，并提出应以知识点之间的内在联系为基础建立知识体系图；文献［7］以培养学生思维能力和实践能力为目标引入OBE 理念实施计算机网络课程的教学模式改革。以上研究虽然在一定程度上给计算机网络课程教学改革提供了思路，但都只关注了教学体系中的某个环节，缺乏系统的课程体系重构方法。

计算机网络课程教学主要按照如图1 所示的5 层协议模型展开。近年来，计算机网络课程教学一直在不断改革创新，但仍难以提升学生主动学习的积极性，学生实践能力和创新能力培养效果不佳。结合新工科对人才培养质量提出的要求，目前计算机网络课程教学主要存在以下几个方面的问题：

（1）教学内容理论性过强。计算机网络课程知识点繁多且内容抽象，例如物理层的信道复用技术、链路层的3个基本问题、网络层中的路由协议、运输层TCP 连接建立和释放的过程都是学生理解困难的课程内容，因而学习兴趣不高。

（2）教学内容中各模块关联度不强。目前课程主要教学内容分5 个层次讲解，分别为物理层讲授传输媒体和信道复用技术、链路层讲授点到点和广播信道的数据链路层、网络层讲授IP 协议和路由协议等知识、运输层讲授UDP 和TCP 协议相关知识、应用层讲授网络应用的原理、协议和实现，没有将不同层次之间复杂的关系耦合起来，帮助学生深入分析和理解复杂而抽象的网络体系结构。

（3）教学方法单一。计算机网络课程目前多采用板书与PPT 相结合的线下教学模式，这种灌输为主的教学方式无法激发大学生学习专业课程的兴趣。此外，学生之间的基础水平差异较大，以相同的方式学习不利于调动学生主动思考和探究的积极性，会造成优秀学生没有得到较好提高，而较差学生完全不学习的情况。

（4）考核方式应试化。计算机网络课程考核方式普遍为期末闭卷考试与平时成绩分别占比70%和30%，平时成绩包括考勤和教材课后习题。学生没有深入理解相应知识点，在完成教材课后习题时上网搜索答案敷衍完成任务的问题十分普遍。期末闭卷考试的题目主要为单选题、填空题、判断题、简答题、综合计算题，单选题、填空题、判断题和简答题共占比50%～60%，主要考察教材上的基础理论知识；综合计算题占比为40%～50%，主要考察公式的数学计算。学生一般考前突击学习教材基本知识应付考试，与提升学生工程实践能力的目标严重相悖。

（5）课程育人功能推进缓慢。计算机网络课程教师重视科研和教学工作，对政治理论知识的关注度不高。如何将科学合理地将思政元素融入相关知识点，实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一一直都是难点问题。这些问题导致计算机网络课程育人功能推进缓慢，没有很好地实现知识传授中的价值观引导。

Fig.1 Contents of computer network course teaching图1 计算机网络课程教学内容

基于此，本文分别从学生专业技能、专业素质、综合能力培养，任课教师职业能力、授课方法和技巧、教学设计等方面构建新的教学体系，为学生学习其他课程以及从事计算机网络的研究、开发、管理和应用工作打下坚实基础。

2 计算机网络教学体系重构框架

针对计算机网络课程教学存在的问题，结合新工科建设背景下人才培养质量的要求，基于OBE 理念［7-8］重构计算机网络课程的教学体系，主要由以下5个方面展开。

2.1 兼顾实际应用的教学内容

计算机网络课程教学内容除了包括教材上的基础知识，还需要兼顾计算机网络相关技术的具体应用（举例见表1），使学生切身感受到计算机网络知识的作用，以及对实际生活的影响。

Table 1 Examples of applications of computer network related technologies表1 计算机网络相关技术具体应用举例

2.1.1 星链计划

在讲解物理层非导引型传输媒体中对应的卫星通信知识点时引入目前比较受关注的美国星链计划，使学生直观地看到卫星通信的实际应用，了解卫星通信容量大、信号稳定的优点，以及较大传播时延的缺点；通过介绍星链计划卫星通信的具体应用，使学生理解发送时延与传播时延的差异和关系。

2.1.2 北斗卫星导航系统

在讲解网络层的内部和外部网关路由协议相关知识时引入我国自主研发的北斗卫星导航系统，帮助学生理解路由协议中选路算法的原理及优缺点；同时介绍美国的GPS 系统和俄罗斯的GLONASS 系统，引出一种新型网络创建架构——软件定义网络的知识，帮助学生理解分布式控制网络架构和集中控制网络架构各自的特点。

2.1.3 校园网组网

在讲解数据链路层以太网和网络层IP 地址划分相关知识时介绍校园网三校区的整体组网情况，包括核心交换机、接入交换机、路由器、IP 地址划分和VLAN 划分，使学生直观地了解计算机网络知识在组网等方面的具体应用，感受计算机网络课程的重要作用。

2.1.4 校园网和知名网页主页

在讲解应用层的分布式超媒体系统万维网知识时，通过介绍校园网主页，今日头条、百度等知名网页主页的层次设计结构、网页结构文件（html）、网页样式文件（css）和网页图片文件（images），使学生直观了解应用层超文本标记语言和超文本传送协议的原理和具体应用。

在教学过程中选取与计算机网络课程知识点相关的典型案例辅助讲解，增加理论联系实际的内容，可有效提高课程的前沿性和趣味性，有利于学生对晦涩理论知识的理解和吸收，还对其今后就业方向具有一定指导作用。

2.2 线上与线下相结合的教学方式

为进一步提高学生学习计算机网络课程的兴趣，可充分利用线上资源，如 MOOC、SPOC、腾讯会议等现代化工具开展线上—线下混合式教学，将整个学习过程分为自主学习和集中授课两部分。在自主学习阶段，教师通过MOOC、SPOC、腾讯会议发布学习资源和任务，学生自主学习并完成相应的课后思考题；在集中授课阶段，教师根据学生自主学习阶段的学习效果和出现的问题进行针对性讲解。课程结束后，教师可根据学生的知识水平和学习情况布置不同难度等级的作业任务，帮助学有余力的同学进一步提高专业水平，以及基础薄弱的同学进一步理解基本知识点。

计算机网络课程线上与线下混合教学设计方案如图2所示。线上自主学习延伸了课程学习的时间和空间，能够为集中授课的开展做好思维性铺垫和支撑；线下集中授课以教师为主导，学生通过听讲和思考完成知识的构建和吸收。通过线上与线下教学方式的有机融合和相互促进，最终可达到提升不同水平学生知识水平的目标。

Fig.2 Online and offline hybrid teaching design scheme for computer network course图2 计算机网络课程线上线下混合教学设计方案

2.3 以竞赛促教学的方法

在新工科建设背景下，计算机网络课程的目标应以全面提升学生学习兴趣、培养其实践能力和创造能力为重点［9］。在授课过程中引入各类竞赛一方面可以提升学生对课程中相关知识点的理解和应用水平，以及与其他专业课程知识融合的能力，另一方面可以引导学生利用所学知识解决实际问题，在培养其实践创新能力的同时提高团队合作意识。计算机网络课程以赛促教举例如表2所示。

Table 2 Examples of encouraging teaching by competition in computer network course表2 计算机网络课程以赛促教举例

2.4 思政教师协同推进课程思政

课程思政要求授课教师在教授大学生专业知识和技能的同时培养其社会责任感和道德品质［10-11］，因此应注重教学形式的多样化，激发学生对专业课程学习中思政元素的关注度。专业课老师需与思政课教师合作开展教学实践、协同育人［12-13］，例如可一起撰写教案、课件，在交流中获取思政思维导向，不断寻获新的思政落脚点。结合计算机网络课程的特点，设计其课程思政建设主要思路如图3所示。按照计算机网络体系每层结构的主要功能和特点，具体设计对应思政元素。

（1）物理层是体系结构中由下至上的第一层，通过物理层相关知识的学习引导学生重视基础知识、方法和技能。要解决复杂的科研难题，需要打牢基础知识的支撑，培养脚踏实地和坚韧不拔的科学精神。

Fig.3 Thoughts on ideological and political construction of computer network course图3 计算机网络课程思政建设思路

（2）链路层是体系结构中由下至上的第二层，通过对链路层知识的学习引导学生从多个角度分析复杂问题，使其理解条条大路通罗马，不断创新路径才能解决复杂多变的网络问题。

（3）网络层负责为以数据或包为单位的数据从源端到目的端时选择路由。通过对网络层知识的学习使学生知道今天平静的校园生活来之不易，背后有很多人在负重前行，培养其树立正确的价值观和大局观，培养家国情怀。

（4）运输层是通信部分的最上层，用户功能的最下层。通过对运输层中复用和分用知识的学习，使学生意识到不论是现在的学习还是今后的工作，不仅需要做好本职工作，还要具备团结协作精神。

（5）应用层是体系结构中由下至上的最后一层。通过介绍微信、QQ、支付宝、抖音等知名应用使学生了解中国优秀的互联网公司，以此引导学生坚定“四个自信”，为实现中华民族伟大复兴而努力奋斗。

2.5 开放的考核方式

在线上自主学习阶段，学生会有一定的盲目性，教师可以设计一些开放型大作业和思政小思考题引导学生独立思考。该部分占总成绩的30%，其中开放型大作业重点考察学生对知识点的掌握情况，思政小思考题辅助教师了解思政教学效果以及需要改进的地方。期末的开卷考试成绩占总成绩的70%，以发散思维型试题为主，帮助学生摒弃考前突击应付考试的思想，引导其注重日常知识积累。该类试题不需要标准答案，以与具体应用相结合的综合解答题为主，主要引导学生关注课程中各知识点之间的关联性，强化其对所学知识的理解与运用。以下分别列举开放型大作业、思政小思考题和开卷考试试题进行说明。

2.5.1 开放型大作业举例

（1）学校校园网的拓扑结构是什么？请分析其他常见拓扑结构是否适合校园网。该题可以帮助学生深入了解各种拓扑结构的优缺点。

（2）根据计算机网络体系结构思考一下在实际生活中还有哪些分层体系结构的例子，这样分层的优点是什么？该题可以加深学生对计算机网络分层作用和优点的理解。

（3）拥塞控制原理中的标志网络发生拥塞的事件主要有2 个，分别为3ACK 事件和timeout 事件，请分析哪一个事件标志网络拥塞程度更严重？该题可以加深学生对运输层拥塞控制原理的理解。

（4）TCP 协议使用三次握手机制建立TCP 连接。请思考为什么要采用三次握手机制建立TCP 连接，一次握手或两次握手机制是否可行。该题可以加深学生对TCP 连接建立机制的理解。

（5）TCP 协议使用四次握手机制释放TCP 连接，请思考什么情况下只采用三次握手就可以释放连接。该题可以加深学生对TCP 连接释放过程的理解。

2.5.2 思政小思考题举例

（1）列举网络安全方面的小案例，让学生介绍自己的想法和做法，引导学生树立牢固的法治观念，提升其维护网络安全的社会责任感。

（2）美国的星链计划如果成功对我国有什么影响？面对星链计划可以做什么？提醒学生意识到很多关键核心技术需要自主研发，不能依靠别人供给。

（3）我国没有IPVv4 根域名服务器会带来什么问题？我国部署了 4 台 IPv6 根域名服务器有什么作用和意义？鼓励学生为祖国繁荣昌盛、人民幸福安康作出自己的贡献，培养学生不怕困难、勇攀科学高峰的精神。

2.5.3 开卷考试试题举例

（1）将IP 地址划分的问题放到具体实际应用中，结合应用层的DHCP 协议给出IP 地址划分方案。不是简单地由数学层面理解IP 地址的划分，而是理解IP 地址划分的具体实际应用。

（2）结合链路层MTU 分析网络层数据报分片，通过结合链路层和网络层进一步理解数据报分片的知识点。结合网络层和链路层的知识，通过IP 分片的知识点理解各层次之间的关联性。

（3）RIP 路由协议与其他路由协议，如OSPF 或BGP 相结合，比较分析不同路由协议算法的原理。不是简单地理解算法的数学原理，而是结合不同类型的路由协议理解路由协议的原理和实际应用。

（4）TCP 协议连接建立和连接释放与解析IP 数据报相结合，分析每个字段的意思和作用。不是简单地记忆TCP连接中序号的变化规律，而是深入理解序号的作用，进一步理解IP数据报的具体格式。

3 教学改革效果

课题组以问卷调查方式了解学生对计算机网络课程教学体系中5 个方面的满意度，每个方面对应5 个等级（很满意、较满意、一般满意、基本满意、不满意）。表3 为学生反馈的满意度统计结果。可以看出，学生对重构教学体系整体较为满意，其中最满意的是开放的考核方式，其余依次为兼顾实际应用的教学内容、线上线下相结合的教学方式、以竞赛促教学的方式、思政教师协同推进课程思政。兼顾实际应用的教学内容和以竞赛促教学的方法中给出了不满意评价，这是由于新的教学体系拓展了课程的深度和广度，部分学生担心拉低总成绩。思政教师协同推进课程思政给出了最多不满意评价，主要是由于小部分学生认为课程思政与专业知识学习关系不大。

Table 3 Student satisfaction survey results of the new teaching system for computer network表3 计算机网络新教学体系学生满意度调查结果 （%)

表4 为教学改革前后学生成绩比较结果，可以看出采用重构教学体系后高分学生占比增加。此外，教学改革后学生对计算机网络的具体应用表现出极大兴趣，报名参加各项计算机类竞赛的人数明显增加。

Table 4 Comparison of student achievements before and after teaching reform表4 教学改革前后学生成绩比较 （%)

4 结语

面对新工科建设需求，本文将计算机网络课程理论教学与实际应用相结合，构建了全新的教学体系，使学生既能掌握相关基础知识与技能，又培养了职业素养和爱国情怀，学生满意度较高。下一步将继续与时俱进地更新教学内容体系，深入探索课程思政的推进方法和评价体系，以及多样化的考核方式，以期培养出符合时代需求的网络领域卓越工程人才。