计算机网络课程研究性教学实践探析

郑瑞娟 孙士保 朱军龙 刘铭 刘牧华

摘要：依据计算机网络课程人才培养目标，重构教学内容并形成多维知识地图，构建“Ⅵ级迭代”研究性教学模式，基于课程设定的“点-线-面”式研讨任务脉络和开放式的教学资源体系，发布揭榜挂帅任务，逐层设定实验实战，自主科研成果融入等多种方式层层递进，培养学生科研思维和创新能力，发挥课程在研究性教学育人中的引领示范作用。

关键词：计算机网络；教学改革；科研融入；课程思政；研究性教学

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0088-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

1 课程建设基础

计算机网络课程总64学时，其中理论学时56，实验学时8，是计算机科学与技术/物联网工程全日制本科二年级学生、软件工程专业全日制本科三年级学生的专业核心基础课程。计算机网络课程现为第二批国家级一流本科课程、河南省线上线下混合式一流本科课程，河南省线上一流本科课程、河南省课程思政样板课程、河南省精品在线开放课程。

2019年3月，计算机网络课程上线超星泛雅在线开放课程平台（https：//mooc1.chaoxing.com/course/205895648.html） ，目前在超星平台选课2 688人，页面浏览量5 583 014次；2019年4月，课程上线哔哩哔哩（https：//www.bilibili.com/ video/BV1K4411t7jp/） ，目前播放15.4万次、收藏4814次、转发883次、弹幕数2 469个；2019年底，课程上线学堂在线（https：//www.xuetangx.com/course/haust08091001998/4231347） ，课程的整体质量受到广泛认可，目前社会选课人数达到8 790人，课程活跃度超过96.35%的课程，学员遍布全国所有省（自治区），此外，美国、日本、韩国、英国、葡萄牙、乌克兰具有学员选课，中原工学院、河北建筑工程学院和甘肃省理工中等专业学校3所学校共493人采用本课程作为线上资源开展了SPOC教学；2021年9月，课程上线中国大学慕课网（https：//www.icourse163.org/course/HAUST-1462095177） ，目前选课人数3 774人；2022年初，课程被推荐登录国家高等教育智慧教育平台（https：//higher.smartedu.cn/course/62f2e0ea1fdc0303f43a8195） 。

基于学堂在线、中国大学慕课网、超星泛雅、雨课堂等平台，计算机网络课程依据“先进性、综合性、开放性、研究性”的建设要求，在课程体系、教学资源、课程思政和教学方法上进行了改革创新。课程内容曾获第二届全国高校教育教学创新大赛三等奖、河南省课堂创新大赛特等奖、全国教师教育教学信息化交流二等奖、河南省线上教学优秀课程一等奖、河南省教学技能竞赛一等奖、河南省教育教学信息化交流一等奖。

2 研究性建设内容与措施

2.1 建设目标

在网络强国[1-2]的战略指引下，計算机网络课程依托河南科技大学工科特色突出的优势，秉承本专业“厚基础、宽口径、重实践、求创新”的人才培养目标，针对新时代大学生“个性化学习、我的课堂我做主”的学习需求，课程以Internet体系结构和协议原理为知识载体，有机融合家国情怀和科学实践精神，以知识传授与培养社会主义核心价值观相结合的原则，构建系统的课程思政体系，实现网络知识、科学实践、价值素养三位一体的课程目标[3-4] 。

1） 知识：领会网络体系结构、网络工作机制、各类协议的本质内涵及未来网络技术原理知识。

2） 能力：应用网络设计手段，构建网络拓扑、开发网络系统及应用软件；运用科学方法分析协议内涵，评价协议性能，评判网络设计过程中可能遇到的问题并给出解决思路。

3） 素养：培养学思结合，知行统一，具备踏实严谨、耐心专注、吃苦耐劳等优秀品质，具有计算机网络技术专业技能、职业道德、职业意识，具备“精益求精，追求卓越”的工匠精神[5]、有温度有情怀有技术的网络人才。

2.2 基本要求

本课程是计算机科学与技术、软件工程、物联网工程学科平台必修课和主干课，在专业教学计划中占有重要地位，可以作为其他相关专业的选修课。本课程旨在继高级语言程序设计等课程后，引导学生认识网络体系及其协议，培养其工程知识应用、问题分析、解决方案、网络架构研究等专业基本能力[6-7]。给学生提供参与设计复杂网络系统的机会，培养其工程意识和科研能力。

挖掘思政要素，将中原文化[8]“兼容众善、合而成体”的特征应用于课程思政实践，形成“融中原文武国风古韵，育德智双修网络新才”的课程思政脉络。

2.3 研讨内容设计

1） 重构教学内容，形成多维知识地图

针对课程知识点多、杂、散等特点，梳理了知识体系的脉络及知识点之间的内部耦合关系，重点围绕互联网的核心知识点，从概念、原理、应用、安全四个维度重构课程内容，形成“网络概述-网络体系-新型网络-网络安全”计算机网络知识地图，体系脉络更加清晰、组织结构更加合理，如图1所示。

2） 围绕知识地图，搭建“点-线-面”式研讨任务脉络

以网络的体系结构为核心，紧紧围绕“网络概述-网络体系-新型网络-网络安全”知识地图，将网络概述、新型网络和网络安全内容融入网络体系的内容和研讨任务体系，按照“基础-指导-衍生-反馈-优化-推动”的内容耦合关系重组计算机网络的“大网络体系结构”研讨任务，从门派讨论话题、揭榜挂帅任务、个性探究展示、科研前沿技术、实验实战练兵、课程综合设计6个层面设定了涵盖核心网络原理知识点的原理验证（点）、特定工作层次传输方式的模式探究（线）、新型网络技术的优化辨析和综合网络应用的仿真传输（面）在内的研讨任务脉络。如图2所示。

2.4 教学方法与策略

基于课程设定的“点-线-面”式研讨任务脉络和开放式的教学资源体系，计算机网络课程在教学实践中，形成了课程教师、出师学长、企业导师、竞赛教练组建形成的“网络武林盟主团”。通过“盟主”引领，注重引导学生面向实际应用需求和新型网络技术发展趋势，将课程组的科研研究成果引入教学过程，在原理课堂、PBL话题、揭榜挂帅、实验实战、个性化展示、科研成果融入等多个教学环节中，通过“门派”协作、探究、PK的方式去发现问题、辨析原理、制定方案、实现算法或完成设计，在部分章节中尝试教学与科研的深度融合，据此形成“Ⅵ级迭代”研究性教学模式，如图3所示。

1） 发布揭榜挂帅任务，碰撞网络科研火花

计算机网络课程要求学生在领会各类协议的本质内涵的基础上，能够运用科学方法分析协议内涵、评价协议性能。在相关协议工作原理的基础上，鼓励学生尝试通过编程实现协议的核心工作过程，或抓取网络转发中的各层数据单元，对其首部控制、地址字段进行分析和解释。据此，课程组发布了7个揭榜挂帅任务，学生以门派为单位自愿揭榜，完成对应的编程、抓包、分析和解释过程，并能够对不同实现方法带来的不同性能、可能存在的边界问题以及改进的必要性在门派之内进行探讨、在门派之间进行分享，碰撞出网络协议及其改进方向的科研火花。

2） 逐层设定实验实战，增强行业应用能力

计算机网络对应数据链路层、网络层、运输层和应用层设置了4个具有较强综合性和设计性的实验项目。内容基于具有完全自主知识产权的国产化的网络设备，可使用华为公司的企业网络仿真平台eNSP完成，也可以在真实的华为网络设备上完成，具有较高的灵活性。虚拟局域网配置实验使学生能够领会当前流行的局域网连接方式及工作模式，并完成配置和分析；静态路由配置实验使学生理解路由器的工作原理的同时，能够根据应用场景进行路由表生成方式的对比与选择；TCP协议分析实验使学生对所学的协议理论进行直观的对比分析，能够对网络协议的工作过程给出可能的改进思路；Web服务器配置与HTTP分析实验使学生能够面对网络应用，对应用过程中存在的协议问题进行分析、实现，并能够利用保留字段尝试优化应用。实验中采用国产化网络设备——华为企业网络仿真平台eNSP，培养学生的自主知识产权意识，增强学生的技术自信和民族文化自信。

3） 自主科研成果融入，聚合科研与教学良性互动

课程组负责人郑瑞娟教授为河南省高校科技创新团队——未来互联网技术的团队带头人，课程组多数教师为该团队成员。团队在移动云与物联网、下一代互联网方向上，形成了鲜明的研究特色和技术优势，并在学术理论和应用技术上取得了一系列突破性进展。将团队研究成果中的理论创新和技术突破与对应的课程内容有机融合，如网络体系结构引入ICN和NDN、码分复用技术延展到5G技术、分组转发算法拓展了SDN和移动自组网进展、路由算法结合生物启发原理引出智慧路由思想、网络安全补充了多网并行的网络安全模型、新型网络则从云平台可信管理/物联网综合安全/边缘计算多维协同机制几个方面引导学生的科研思维和创新能力。

3 特色创新

3.1 重构知识地图，构建“点-线-面”式研讨任务脉络

将网络概述、新型网络和网络安全内容融入网络体系的内容和研讨任务体系，按照“基础-指导-衍生-反馈-优化-推动”的内容耦合关系重组计算机网络的“大网络体系结构”研讨任务，从门派讨论话题、揭榜挂帅任务、个性探究展示、科研前沿技术、实验实战练兵、课程综合设计6个层面设定了涵盖核心网络原理知识点的原理验证（点）、特定工作层次传输方式的模式探究（线）、新型网络技术的优化辨析和综合网络应用的仿真传输（面）在内的研讨任务脉络。

3.2 依托网络武林盟主团，形成“Ⅵ级迭代”研究性教学模式

形成课程教師、出师学长、企业导师、竞赛教练组建形成的“网络武林盟主团”。通过“盟主”引领，注重引导学生面向实际应用需求和新型网络技术发展趋势，将课程组的科研研究成果引入教学过程，在原理课堂、PBL话题、揭榜挂帅、实验实战、个性化展示、科研成果融入等多个教学环节中，通过“门派”协作、探究、PK的方式去发现问题、辨析原理、制定方案、实现算法或完成设计，在部分章节中尝试教学与科研的深度融合，形成“Ⅵ级迭代”研究性教学模式。

3.3 发布揭榜挂帅任务，碰撞网络技术科研火花

鼓励学生尝试通过编程实现协议的核心工作过程，或抓取网络转发中的各层数据单元，对其首部控制、地址字段进行分析和解释。据此，课程组发布了7个揭榜挂帅任务，学生以门派为单位自愿揭榜，完成对应的编程、抓包、分析和解释过程，并能够对不同实现方法带来的不同性能、可能存在的边界问题等在门派之内进行探讨、在门派之间进行分享，碰撞网络协议及改进方向的科研火花。

3.4 自主科研成果融入，聚合科研与教学良性互动

依托课程组在移动云与物联网、下一代互联网方向上所形成的鲜明研究特色和技术优势，将学术理论和应用技术的一系列突破性进展与对应的课程内容有机融合，如网络体系结构引入ICN和NDN、码分复用技术延展到5G技术、分组转发算法拓展了SDN和移动自组网进展、路由算法结合生物启发原理引出智慧路由思想、网络安全补充了体系多网并行的网络安全模型、新型网络从云平台可信管理/物联网综合安全/边缘计算多维协同机制方面引导学生的科研思维和创新能力。

4 结论

计算机网络课程通过研究性教学改革与创新，打造一支教学与科研深度融合的教学团队，形成较完备的计算机网络研究性教学资源库和应用案例库，为培养学生批判性思维、科研创新和实践能力提供有力的知识、工程和科研经验支撑，发挥课程在研究性教学育人中的引领示范作用。

参考文献：

[1] 习近平.敏锐抓住信息化发展历史机遇，自主创新推进网络强国建设[N].人民日报， 2018-04-22（01）.

[2] 习近平.中央网络安全和信息化领导小组第一次会议召开习发表[EB/OL].[2022-04-02].中共中央网络安全和信息化委员会办公室.http：//www.cac.gov.cn/2014-02/27/c_1116669857.htm.

[3] 许家烨.论课程思政实施中德育元素的挖掘[J].思想理论教育，2021（1）：70-74.

[4] 张冬梅，程莉，高占春，等.新工科背景下计算机网络课程思政建设实践[J].计算机教育，2023（3）：56-60.

[5] 李小玲，饶颖.新时代“工匠精神” 传承驱动下计算机专业创新人才培养模式研究[J].信息网络安全，2020（S2）：63-65.

[6] 江雪，王光辉，胡文龙.新工科背景下计算机网络课程教学体系探索与实践[J].软件导刊，2023，22（4）：181-185.

[7] 刘耀，周红静，何典，等.计算机网络课程混合式教学模式研究[J].电脑知识与技术，2023，19（8）：80-82.

[8] 李献业，董延燕.触摸中原文化脉搏[J].党员干部之友，2023（5）：56-57.

【通联编辑：王力】