新时代计算机网络课程教改研究

程远　柳亚男　邱硕

关键词：计算机网络；理论教学；实践教学；应用型人才

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）10-0127-03

0 引言

近年来，大数据、云计算、物联网、软件定义网络（Software Defined Network ，SDN）和人工智能等新技术不断崛起。政府、企业对网络规划建设、网络管理、网络安全防护、网络产品研发等各类人才的需求日益显著，对该领域人才知识结构和能力的要求也越来越高。多年来，计算机网络课程教学以培养专业基础扎实、知识面宽、实践能力强的应用型、创新型人才为目标，为学生今后从事网络相关的产品研发、理论研究等工作打下了坚实基础[1]。

计算机网络作为计算机、信息通信、网络安全方向的本科生专业基础课程之一，在计算机专业课中有着举足轻重的作用[2]。另外，计算机网络与信息通信、软件工程、网络安全、人工智能、大数据分析等前沿学科又有着交叉融合，为许多新领域、新概念、新技术提供了技术基础和知识体系支撑。然而，传统计算机网络课程教学存在内容陈旧，与云时代的新变化、新技术脱节，重理论轻实践等突出问题。通过多年来计算机网络课题组的课程建设和实践研究，逐步摸索出了一套先进的、科学的教学体系和教学方法。通过深入研究应用型、创新型人才培养目标，对理论教学环节和实验环节的大胆改革，努力使学生建立起全面的、崭新的网络知识体系，不断提升学生的自主创新能力和实践操作能力，从而适应未来可能遇到的各种新挑战。

1 传统网络课程教学存在的问题

1.1 知识体系陈旧，与新技术脱节

目前，大部分高校计算机网络课程使用的教材是谢希仁编写的《计算机网络》以及在此基础上演进出来的不同版本，内容总体上没有太大变化。这里面部分内容和技术在目前实际应用中已经被新技术淘汰，比如帧中继、X.25、ATM、PPP协议等。除此以外，传统的教材编写模式和课程讲授方法以介绍网络基本协议为主。由于协议本身比较枯燥和抽象，本科生在初次接触时难以深刻理解，更不容易产生兴趣。从多年教学反馈情况看，很多学生学完课程后仅仅是对网络某一层的若干技术有一定了解，缺乏对整个网络体系以及网络各层之间联系的深刻认识，知识点之间没有形成融会贯通，难以为新兴边缘学科的学习提供理论支撑。

从企业对计算机网络人才需求角度看，仅仅了解协议的基本内容和基本原理是远远不够的。一方面，计算机网络的基础知识和关键技术离不开网络实体设备的操作。许多学生仅仅知道网络设备的名称，连实物都没有见过，更谈不上实验操作和进行相应的网络配置。另一方面，传统教材里缺少最新的网络技术知识，导致学生只知道自己每天使用云，但不了解云的本质是什么、云网络和云计算有什么关系、公有云和私有云的概念、SDN和虚拟扩展局域网（Virtual Ex?tensible Local Area Network，VXLAN）技术是用来解决什么问题的等。作为一门不断发展的学科，课程教学必须让学生了解业界的发展方向，掌握最新的网络技术动态及其发展过程，充分激发学生的好奇心和探索欲。

1.2 重理论，轻实践

长期以来，计算机网络的教学普遍存在重理论、轻实践的现象，或者是实践课程的内容过于老旧，与实际应用严重脱节[3]。造成这一问题的原因主要有两方面：1）实验室建设经费投入不足，无法为学生提供良好的实验环境。随着网络仿真软件的不断发展，许多网络教学实验已经可以通过软件平台来模拟实现，例如局域网的配置，虚拟局域网（Virtual Local AreaNetwork，VLAN）的规划设计，VPN配置管理，路由器ACL配置等等。然而，绝大部分企业提供的仿真应用软件都是收费的。2）实验课程的内容设计没有与时俱进。随着大规模云数据中心的出现，传统的网络结构发生了巨大变化。虚拟机、容器技术的广泛应用对网络产生了重要影响。在复杂网络环境下，往往需要同时应用多种网络技术，需要学生具备综合运用各种先进网络知识和技术的能力，如负载均衡、流量工程、地址转换、隧道技术等。这些技术的理解和运用都离不开实践操作。因此，传统的以讲授协议为主的教学方式已经无法满足企业对应届生提出的新要求。

1.3难以支撑交叉学科研究

新兴互联网技术的快速发展使得计算机网络涵盖的内容更加丰富，与其他学科和新技术形成了紧耦合。因而，在讲授计算机网络基础知识的同时，还应当适当补充一些交叉学科领域的相关知识技术，开拓学生的思维领域。例如，传统计算机网络与移动通信网络融合，形成了移动互联网，并逐步成为人们日常生活不可或缺的一部分。移动互联网技术的发展对传统计算机网络提出了许多新的挑战。随着计算机网络规模的不断发展，传输数据的安全性、接入网络用户的身份合法性等一系列安全问题变得日益突出。习近平总书记指出，没有网络安全就没有国家安全。网络安全的重要性已经提上了历史性的高度。因此，在教授网络协议、网络结构内容的基础上，很有必要让学生了解网络安全的概念和内涵，如何实现網络安全，基本的安全协议和信息安全技术有哪些等。

随着企业业务的数字化转型和业务云化，以云计算和大数据为特征的云时代已经到来。传统计算机网络课程教学很少对云的概念、数据中心网络的基本知识、云数据中心网络和传统局域网的区别联系等内容进行介绍。除此以外，作为下一代网络重要技术发展方向之一的SDN已经得到了业界的普遍认可和关注。对于SDN技术的演进发展历程、技术原理及特点等信息也亟待补充到计算机网络课程中。只有与时俱进、密切联系实际才能让学生体会到科技发展的巨大魅力和前人不断探索的科学精神。

2 计算机网络课程理论教学改革

为了使学生深刻理解并掌握计算机网络的体系结构和协议机制，提高自主学习兴趣，需要对教学模式和教学内容进行改革创新。通过丰富的多媒体手段、案例分析讲解等方式，将抽象的概念定义以及枯燥的协议原理生动化、具体化、直观化，培养学生学以致用的本领。因此，在计算机网络课程理论教学方面采取了以下改革措施。

1）创新教学理念和教学方法

积极开展自主学习活动，培养学生独立思考和创新能力。在课堂教学过程中，为学生提供充足时间自主互动，鼓励学生从提出问题、发现问题入手，学会解决问题的基本思路。在网络编程的教学过程中，鼓励学生利用现有的网络资源自学网络编程的基本概念、基本语法以及SOCKET编程的基本架构，充分发挥学生的主观能动性，在此基础上向学生讲解网络编程应用的难点。

除了基本网络理论和技术原理外，课堂授课还可以引入实践案例，通过对典型案例的分析，加深学生对基本理论和技术的理解。例如在讲授局域网基本原理和设计要点时，可以通过一个校园网为例，从需求分析开始，全面介绍局域网的设计步骤、设备选择、IP地址分配方案、VLAN划分以及网络管理等内容，最终形成图1所示的整个校园网络拓扑。其中，校园一级骨干网是整个网络的核心，它为二级接入网提供高速的互联互通平台并提供校内主要服务器的访问通道。一级骨干网由8个节点和高速路由交换设备构成；二级接入网包括各院系的局域网，由多个分支接入节点和中低速的局域网构成。通过对学生实际生活中使用的局域网络的介绍，不仅可以使学生知道相关技术如何在实际网络中具体运用，而且能够对相关知识点形成完整的体系，便于理解记忆。

2）将协议的实现与具体的网络设备相结合

各种协议和技术归根结底还是要落实到具体的网络实体即各种网络设备。例如，将以太网的工作原理与以太网卡功能、以太网交换机配置方式相结合；将IP编址技术、路由算法与路由器中路由表的配置联系起来，从而理解基于端口转发和基于IP地址转发的区别。通过抓取以太网帧和IP数据包并对报文进行分析，深入了解数据链路层和网络层对数据的不同封装形式，掌握链路层对IP报文进行分片的实现过程。教会学生看懂简单的设备技术说明书、了解设备主要参数性能指标和功能特点，适用场景等。

3）引入新技术、新趋势以及交叉学科的内容介绍

适当精简已经淘汰和脱节的相关技术内容，引入业界最新的计算机网络应用技术，如VXLAN、SDN、IPv6、虚拟化等。重点让学生了解各种新技术的发展背景、与传统网络技术之间的区别和联系、技术的应用场景和基本原理等。目标是开阔学生视野，激发学生探索新知识、新技术的兴趣。

以数据中心网络和SDN技术为例，云数据中心网络是连接数据中心大规模服务器的桥梁，也是实现网络虚拟化计算和存储的基础。云计算往往伴随着服务器之间的海量数据交互，数据中心网络数据转发性能和可靠性的高低直接决定了云计算的服务质量。软件定义网络则是近年来涌现的新兴网络技术，其核心思想是把传统网络设备的控制功能与转发功能相分离。通过集中的网络控制器来控制每个网络节点的数据包转发策略，提高整个网络的资源利用率和管理效率。随着SDN技术的不断成熟发展，将会对现有计算机网络乃至整个Internet的网络架构、通信协议、网络管理方式、设备功能形态等各方面带来颠覆性的变革。如图2，SDN引入课堂，作为相关网络知识的拓展延伸。

除此以外，计算机网络课程教学过程中还需要增加交叉学科相关知识背景的介绍，例如，与网络安全相关的隧道传输技术、VPN技术、身份认证与访问控制技术等，为今后学生在其他边缘交叉学科进一步深造发展奠定坚实的基础。

4）引入“1+X”证书，提高就业竞争力

“1+X”证书即在获得学历证书的基础上，鼓励学生在学习期间额外获取若干个与本领域职业技能相关的认证资质。“1+X”证书的引入，指明了学生的培养方向和培养目标，也为全面评价人才质量提供了重要依据。“1+X”证书将课堂讲授的计算机网络基础知识与该学科的实际应用融合在一起，有助于让学生提前接触到网络工程实践，了解常见设备的基本配置方法及设备特性，增强学生的就业竞争力[6]。目前，网络职业技能认证主要包括两类：①华为网络工程师职业认证。华为网络工程师的培养目标是ICT领域新型融合型人才，华为网络工程师认证的具体形式包括HCIA、HCIP、HCIE等级职业证书。通过认证表明学生对当前最新的通信网络技术和华为通信设备有了全面的了解和掌握，具有中小型企业的网络设计和部署能力。②思科网络工程师职业认证。该认证以思科系统公司为依托，包含最新的网络通信技术和思科的主流网络产品使用方法。思科认证考试采用全英文命题，也对学生今后参与外企的网络项目有较大帮助。目前该证书得到计算机和通信企业的高度认可。

3 计算机网络课程实验教学改革

计算机课程实验教学改革的基本目标包括：1）通过不同类型实验加深对理论知识的理解与运用，熟悉常见网络设备的配置和操作方式；2）熟练掌握常用分析仿真软件的使用方法，为今后学习深造积累经验。

学生通过动手实践可以掌握各种网络设备的配置和使用方法，验证各种组网方案的特点。借助实验不仅能够增加学生对网络设备的感性认识，而且能够培养学生的思维能力和动手实践能力[4]。对于实验室建设经费受限的问题，也可以在服务器上搭建虚拟网络环境开展网络实践环节的教学。例如，模拟环境下的局域网规划设计实验可以让学生掌握如何利用二层交换机构建本地局域网络并创建多个VLAN；模拟环境下广域网规划设计实验可以让学生掌握路由器的基本配置、IP地址规划、NAT技术的应用场景、配置ACL规则实现动态包过滤、创建VPN实现业务逻辑隔离等。通过优化实验教学内容，促使学生把所学的网络知识和现实中遇到的实际问题相联系，通过实验操作培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

NS2（Network Simulator，version 2）是一个广泛应用的面向对象的网络仿真器。NS2可以仿真各种不同类型的IP网络，实现现有各种网络传输协议，模拟产生不同类型的业务源流量，如FTP、Telnet、WebCBR 和VBR；支持路由队列管理机制，如Droptail、RED和CBQ。利用网络仿真器设计不同的实验，并与理论教学相结合，提高了学生动手操作的能力。学生可以借助工具软件分析网络性能对各类业务产生的影响，独立完成难点问题的实验验证，还可以发现自己在理论学习过程中存在的漏洞或者误区，大大突破了传统教学模式和实验环境带来的限制。

除新的实验教学内容外，新的网络教学模式和教学工具也层出不穷。特别是在疫情下，涌现出一大批优秀的线上教学资源和多样化的线上授课方式供学生使用。结合MOOC、腾讯会议、ZooM、QQ课堂等各种即时线上交流工具，线上授课已经成为当下的教学常态[5]。

4 结语

为适应当前经济社会对计算机网络人才的要求，推动计算机网络课程建设，课题组在教学内容和教学方法上做了一些大胆改革创新。网络形态和网络技术的日新月异给计算机网络课程的教学不断提出新的需求和挑战。只有将课程教学内容更加紧密地结合实际，不断地优化教学方法，提高实验环节产出，才能满足企业对高层次实用性網络人才的新要求。