大数据背景下的计算机网络教学改革研究与实践

高旻，易华玲，罗西，韩汶迅，文俊浩，熊庆宇

（重庆大学大数据与软件学院，重庆 401331）

一、现状与背景分析

计算机网络课程是计算机科学与技术、软件工程、通信工程等专业的核心课程。当前，云计算、大数据、“互联网+”与物联网等信息领域的主流研究方向都与计算机网络技术的发展紧密相关。

目前，计算机网络课程的教师通常围绕计算机网络体系结构进行原理介绍。课程教授内容侧重通信技术，包含很多通信原理与技术，而学生缺乏相应的基础理论储备，在理解相关技术时十分困难。同时，大数据时代背景下，为支持数据科学与处理、机器学习、人工智能的发展，计算机网络技术不断更新，高校亟需优化计算机网络课程教学体系，夯实网络各层的核心理论和技术，并突出其对分布式计算、云计算、大数据的支撑技术，以更好地使计算机网络课程满足大数据时代背景下社会对计算机网络人才的需求，加强创新型人才培养。

（一）教改项目的研究背景

互联网、物联网、大数据、人工智能、机器学习等新科技和新商业模式快速推动着现代工业、服务业和经济社会的发展。《2019年政府工作报告》提到“深化大数据、人工智能等研发应用”[1]，说明我国的大数据与人工智能产业已经经历了萌芽与初步发展的阶段，将进入快速发展时期。为了支撑快速发展的新经济，培养新型工程创新人才，高校必须进行全面、深刻的改革和创新。新工科教育理念和教育改革就是在这样的背景下提出的。高校需要新思维、新体制机制，全面创新工程教育，培养创新人才，支撑和引领新经济。

国家高度重视大数据在经济社会发展中的作用，党的十八届五中全会提出“实施国家大数据战略”，国务院印发了《促进大数据发展行动纲要》[2]，全面推进大数据发展，加快建设数据强国。此外，越来越多行业开始关注、开发应用互联网大数据。根据《关于促进信息消费扩大内需的若干意见》[3]和《大数据产业发展规划（2016-2020）》[4]提出，大数据相关产品和服务业年均复合增长率保持在30%左右，并带动相关产业的发展，在创新创业、政府管理和民生服务等方面广泛应用。

（二）计算机网络课程建设当前面临的问题

1.教学体系陈旧，无法体现网络对大数据的技术支撑

目前，计算机网络课程的教师通常围绕计算机网络体系架构开展教学。在大数据时代，大数据的产生、传输、存储与计算均依赖于计算机网络的关键技术。随着网络技术不断更新，计算机网络授课体系亟需更新。与大数据相关的技术，包括网络虚拟化、数据中心网络、视频流与内容分发网络等，均未在目前的教学体系中有较好体现。

2.实验体系中缺失大数据支撑技术，难以满足行业对人才培养的需求

目前，计算机网络课程的实验体系强调协议分析，虽然能在一定程度上帮助学生理解计算机网络体系架构中各个层次的服务模型，但缺乏大数据技术相关的网络实验，难以满足大数据背景下IT行业对人才培养的需求。

3.教学案例设计不完善，难以提高学习效率

课程的讲授内容侧重通信原理与技术，而学生缺乏相应的基础理论储备，在理解相关技术时感到比较困难，严重影响学习效率。课程虽然有一些案例，但都是针对单个知识点的小案例，没有贯穿整个体系的案例，也没有针对大数据相关技术的案例，需要教师对案例重新进行设计。

（三）教改项目研究内容

为了解决上述问题，笔者提出以下几点改革方向：1.高校要落实数据科学与大数据技术专业建设的相关任务，在实践教学方法的探索或改革中取得突破，构建面向大数据背景的计算机网络教学体系。2.学校可以通过“核翼融合”的教学案例体系提升学生的学习效率，并培养学生综合分析问题的能力。高校可以通过重构实验教学体系，夯实学生的知识基础，培养学生的数据思维和创新思维，使学生深入理解大数据技术。4.高校要完善考核方法，激发学生自主学习的兴趣，培养学生的探索精神和实践创新意识，使学生满足大数据背景下的行业发展需求。

二、大数据背景下的计算机网络教学改革研究与实践

（一）研究内容

1.以大数据技术为驱动，重构计算机网络课程体系

高校要分析大数据技术，重新设计授课内容。大数据技术需要数据收集、弹性带宽、差错检验、安全性、同步性、虚拟性等计算机网络相关技术作为支撑，项目组将分析虚拟局域网和链路虚拟化、数据中心网络的体系架构，以及负载均衡、视频流和内容分发网等技术，并基于此重构课程体系。

项目组根据授课内容构建“一核多翼”的课程体系。其中，“一核”是指计算机网络核心基础知识，包含网络分层体系架构和各层重要协议。“多翼”是指与大数据技术相关的网络知识，包括虚拟化、数据中心网络和内容分发网络[5]等。“一核多翼”的课程体系如图1所示。

图1 “一核多翼”的课程体系

2.针对新教学体系，构建“核翼融合”的教学案例体系

项目组针对“一核”，设计贯穿整个计算机网络体系的大案例，即设计一个涵盖计算机网络核心基础知识，且贯穿计算机网络体系应用层、运输层、网络层和链路层的服务模型。

项目组面向大数据相关网络技术，设计“多翼”教学案例，在上述大案例的基础上，针对大数据技术相关的多项网络技术设计多个辅助大案例的子案例，形成“核翼融合”的教学案例体系。“核翼融合”的教学案例体系如图2所示。

“核翼融合”的教学案例体系的主要内容包括：1.面向虚拟化技术，基于谷歌公司软件定义网络设计教学案例；2.面向数据中心网络，根据谷歌数据中心网络基础设施设计案例；3针对内容分发网络，采用Netflix、YouTube等视频流内容分发技术设计案例。

3.强化数据思维和创新思维，完善计算机网络实验教学体系

项目组通过协议分析实验夯实知识基础，将协议分析与虚拟仿真结合起来，利用GNS3网络仿真虚拟实验平台和Wireshark抓包工具，对计算机网络TCP/IP协议栈中的HTTP、FTP、DNS、TCP、ICMP、IP、ARP等协议进行实验分析。

项目组利用虚拟化仿真实验深入理解“多翼”技术，利用GNS3仿真平台和VMware进行大数据中心网络和网络虚拟化仿真模拟，通过实际的动手配置训练过程，让学生更加深刻地理解技术原理。

4.增加实践占比，构建新的课程考核模式

项目组弱化了教材中需要死记硬背的知识，减少了客观题的占比，增加综合多项知识的探索性内容和结合实际案例分析的能力考查作业，并尝试增加综合作业和新的实验体系在课程考核中的占比，培养学生的探索精神和创新意识，使学生更注重实践和创新。

（二）研究目标

项目组的研究目标如下：1.项目组结合相关研究，通过大数据技术驱动的方式，实现计算机网络教学方法的改革，为学院的专业建设提供支撑，契合创新型人才的培养目标。2.项目组构建计算机网络新的理论教学体系和实验教学体系，使学生在了解计算机网络基本架构和服务模型的基础上，进一步掌握网络虚拟化、数据中心网络、内容分发网络等大数据相关技术，为学院各专业的其他课程教学打下基础。3.项目组将相关教改最终落地到学院三个专业（软件工程专业、数据科学与大数据技术专业、人工智能专业）的计算机网络教学与实验环节。

（三）拟解决的教学问题

在新时代背景下，为响应国家重大战略需求，教师和学生培养均强调跟踪学科前沿、学科交叉等特点。因此，在大数据背景下，高校进行计算机网络课程教学改革研究，需要将教育教学与行业需求进行紧密结合，探索如何将大数据背景融入教学体系和实验实践过程中，与当前的行业需求保持同步，培养适应大数据时代发展的人才。

高校要以大数据技术为指导，不仅要强调课堂教学体系、实验体系的创新，而且要强调教学方法和改革考核标准，培养学生的创新意识和探索精神。在教学中，高校要重新构建“核翼结合”案例体系，提升学生的学习效率。在考核中，高校要增加实践部分的考核比例，在实验课程内容中融入虚拟化、内容分发网等大数据支撑技术。

（四）研究方法

项目组采用文献研究与调研相结合的方法，依托重庆大学、阿里巴巴、重庆移动的研究平台，在重庆、杭州等地的行业知名企业开展结构化访谈，摸清大数据背景下各地企业对计算机网络技术的共性需求和特性需求，为高校构建大数据背景下的计算机网络课程体系和实验体系提供参考和指导。

在课题执行期间，项目组按照如图3所示“课程体系重构—教学案例设计—实验体系重构—课程考核改革”的研究路线，重点研讨以下问题：1.构建“一核多翼”的课程体系，推动大数据与计算机网络技术的交叉与融合，培养适应大数据时代行业需求的复合型人才；2.面向大数据相关网络技术构建“核翼融合”的教学案例体系，提升学生的学习效率，并培养学生综合分析问题的能力；3.构建强化数据和创新思维的实验教学体系，通过协议抓包分析、虚拟化仿真实验、网络应用创新实验，深入理解大数据技术，培养数据思维和创新思维；4.增加实践占比，构建新的课程考核模式，培养学生的探索精神和实践创新意识。

图3 项目研究路线

（五）主要特色

1.项目组的研究是结合大数据行业背景，大数据与软件学院“软件工程”“数据科学与大数据技术”“人工智能”的专业建设和课程建设而开展的。笔者充分考虑了大数据行业的前沿技术，与行业需求相结合，为学校实现创新型人才培养的目标提供支撑。

2.项目组对现有的计算机网络实践教学方法、课程体系、实验体系以及考评机制进行改革，加深学生对课程核心知识和大数据相关技术的理解，激发学生主动学习的兴趣，使学生由被动接受知识变为主动学习、自主创造，提高学生进行创新实践的能力。

三、结束语

大数据需要计算机网络的支持，网络是大数据最基础最重要的需求。大数据需要网络具有弹性的带宽，以此来适应它的信息量大小的变化；需要网络拥有处理故障或错误的机制，以便处理器出现故障时，能将任务分配给另一个处理器；需要网络有良好的安全性，以便保护隐私，进行访问控制和攻击检测；需要网络能够同步，以使多个处理器上的作业能同步进行。

综上，大数据时代的到来，对于人们的思维方式、行业变革及产业的变化带来了深刻而巨大的影响。大数据相关技术的发展与计算机网络密切相关，对计算机网络教学的培养目标、质量提出了新的要求。为了很好地应对这些新的变化与形势，适时进行计算机网络课程教学改革，高校要从培养目标、培养模式、课程设置、教学方法、实践教学等方面主动去改革、适应，为社会经济的发展培养实用的创新型人才，使人才更好地满足大数据时代的发展要求。