適應２１世紀技術發展要求，建設高質量計算機網絡課程教學與教材體系

本文在分析網絡技術發展趨勢的基礎上，研究了Internet、無線網絡與網絡安全技術的發展對網絡教學的影響。結合計算機網絡課程教學與教材體系建設的實踐，提出了“適應21世紀技術發展要求，以科學研究支持網絡課程改革，以教學研究指導教學與教材體系建設”的工作思路，研究并提出了本科與研究生教學、理論教學與能力培養一體化的計算機網絡課程教學與教材體系的建設方案。

為貫徹教育部“質量工程”建設的精神，培養高素質創新型人才，本文結合南開大學信息技術科學學院計算機系網絡實驗室20多年來在計算機網絡課程教學與教材體系建設的實踐，探討以科學研究支持教學改革，以教學研究指導教學與教材體系建設，提出了本科與研究生教學、理論教學與能力培養一體化設計的計算機網絡課程教學與教材體系建設方案。

1以科學研究支持教學與教材體系建設

如何解決好科研與教學的關系是每所大學和每一位教師都會面臨的問題。大學的科學研究在產生創新性思想與成果的同時，應該對教學質量的提高起到重要的支持與推動作用。教師通過完成高水平的科研項目來提高自身的學術水平，高水平的科研成果可以為高素質人才的培養提供一個高質量的平臺與環境。大學的科研與教學應該形成相輔相成、相互促進的關系。結合南開大學網絡實驗室的具體情況和課程體系建設的實踐，我們深刻地認識到：高水平的科學研究對于高質量的教學與教材體系建設可以起到重要的支撐和指導作用。

1.1網絡技術在計算機科學與技術學科中的地位

計算機網絡是當今計算機科學與技術學科中發展最為迅速的技術之一，也是計算機應用中一個空前活躍的領域。21世紀的一個重要特征是數字化、網絡化與信息化，而它的基礎是支持全社會的強大的計算機網絡。計算機網絡的應用已對當今社會的科技、經濟、政治與軍事發展產生重大的影響。2005年2月16日ACM宣布Vinton G.Cerf和Robert E.Kahn獲得2004年A.M圖靈獎，以表彰他們在設計和實施Internet基礎通信協議方面的成就。這項圖靈獎向世人說明了網絡技術在信息技術中的“基石”作用，也確定了Internet的學術地位。美國商業周刊和MIT技術評論在預測21世紀“未來技術發展”的報告中列舉的改變世界的10大技術與21世紀最有影響的21項技術，以及我國政府制定的中長期科技發展規劃中有相當一部分內容涉及到計算機網絡技術。

隨著網絡技術的廣泛應用，網絡教育也開始由普及階段向“扁平化”和“深層次”方向發展。“扁平化”表現在網絡課程的教學正在從計算機專業向相關專業發展；“深層次”表現在社會急需大量精通網絡技術的高級專門人才。新的形勢對網絡課程的教學也提出了更高的要求。

1.2堅持教學與科研緊密結合、相互促進

網絡技術發展迅速，應用廣泛，知識更新快。要規劃出適合21世紀技術發展要求的、高質量的網絡課程體系，必須跟進技術的發展，不斷優化課程結構，精煉教學內容。要做到這一點就需要發揮科研團隊的集體智慧，依靠團隊成員在科學研究中對新技術的深入、準確地理解和把握，找準發展軌跡，總結研究方法，恰當地選擇和確定教學內容，形成合理的教學體系，以科學研究支持高質量的教學與教材體系建設。

南開大學計算機網絡教學科研團隊從20世紀80年代初開始承擔科研項目，開設網絡課程，招收研究生，開展數據通信、計算機網絡與網絡安全方向的教學與科研工作。團隊成員20多年以來一直堅持教學與科研緊密結合、相互促進，在教學和科研中積累了豐富的經驗，形成了一支學術思想活躍、老中青相結合、穩定的教學科研團隊，為開展高質量的網絡課程教學體系建設打下了良好的基礎。近年來團隊成員作為教育部考試中心全國計算機等級考試委員會委員參加和主持了全國計算機等級考試3級“網絡技術”、4級“網絡工程師”的考綱制定、教材編寫工作。同時，團隊成員參加或主持地方政府城市信息化建設“九五”、“十五”與“十一五”規劃，以及信息技術研究、產業發展規劃、科技發展中長期規劃的研究與文件起草工作。通過與產業界及政府各級管理人員的合作，研讀有關文件和資料，從更加宏觀的角度去認識、思考網絡技術的發展軌跡，及其對社會、經濟、產業發展的影響。這些經歷也使得團隊成員對于未來網絡技術的發展趨勢有了一個更加深刻、全面的認識與把握。

1.3梳理網絡技術發展主線，搭建合理的教學體系

如何在復雜的網絡發展過程中找出主流技術、掌握發展趨勢是構建網絡教學體系的基礎。團隊成員結合科研和教學實踐，提出了網絡技術發展三條主線的思想。這三條主線是：ARPANET-TCP/IP-Internet技術，PRNET-Ad hoc-WSN/WMN的無線網絡技術與網絡安全技術。

從第一條主線看，在ARPANET發展到Internet的過程中，強烈的社會需求促進了廣域網（WAN）、城域網（MAN）與局域網（LAN）技術的研究與產業的發展；而廣域網、城域網與局域網技術的成熟，又加速了Internet的應用進程。

第二條主線無線網絡技術是從無線分組網（PRNET）到無線自組網（Ad hoc），發展到目前正處于研究階段的無線傳感器網絡(WSN)和無線網格網(WMN)。隨著近年來無線技術的成熟與廣泛應用，社會對無線網絡應用的需求劇增，無線網絡技術發展迅速，為網絡技術研究和產業提供了一個非常大的發展空間。

第三條主線網絡安全技術是伴隨著前兩條主線的發展而發展，并且逐漸為人們所認識。社會對網絡技術依賴的程度越高，網絡安全技術就越顯得重要。網絡安全技術已經成為當前研究與應用的又一個熱點問題。

從計算機網絡發展三條主線的思路出發，我們可以比較容易地分析出哪些技術是網絡研究的基礎性和標志性的技術，哪些屬于過渡性技術，哪些是未來需要重點研究與發展的技術。這種從科研工作基礎上總結出來的技術分類方法可以幫助我們對技術研究與應用的現狀、趨勢有一個比較全面和準確的把握，為構建高質量的教學與教材體系打下了堅實的理論基礎。

2以教學研究指導高質量的教學與教材體系建設

2.1教學研究能夠為教學與教材體系建設提供先進的教學理念

科學研究可以使我們從更高的角度、全局的視野去認識和把握技術的發展趨勢，而教學研究對高質量的教學與教材體系建設能夠起到重要的指導作用。團隊成員在承擔科學研究工作的同時，也承擔了多項教學研究項目。其中，本科的計算機網絡課程是南開大學校級精品課程及雙語教學課程；網絡多媒體教學系統項目獲南開大學教材建設立項資助；計算機網絡網上教學課程建設項目獲天津市教委網絡課程建設項目資助。

教學研究需要完成的工作任務是：與國內外同行專家進行學術交流，共同探討提高網絡課程教學質量的方法；瀏覽和跟蹤各個學校的教學網站，研究和了解國內外知名大學網絡課程教學內容、教材與主要參考書，以及作業與實驗、教學方法與教學過程控制改革的動向；選擇國際上最流行的教材，了解這些教材是如何處理新的技術發展與教學內容的關系。

有了國際知名大學的課程教學安排與教材作為參照物，借鑒美國ACM 和IEEE/CS最新制定的計算機學科課程體系，才能使我們研究的網絡教學與教材體系的內容、質量有可比性和評價依據。

2.2對國外主要網絡教材的比較與分析

（1）選擇國際知名大學教材作為參照物

我們選擇的國際知名大學使用的教材主要有：Andrew S.Tanenbaum《Computer Networks (Fourth Edition)》，Douglas E.Comer《Computer Networks and Internets with Internet applications（Third Edition）》，James F. Kurose Keith W.Ross《Computer Networking A Top-Down Approach Featuring the Internet 》等。我們在細致地分析了3本教材的內容選取、章節組織、課程體系、作業與練習、參考文獻等內容之后，重點研究了Andrew S.Tanenbaum的《Computer Networks》第1版到第4版的內容更新過程。

（2）確定重點研究對象

《Computer Networks》的4個版本分別出版于1980年、1988年、1996年與2003年。這本書的第1版出版于1980年，當時網絡技術研究處于開始階段，因此教材的主要內容僅僅只是討論了網絡的一些基本概念。第2版出版于1988年，當時網絡的使用還只限于大學與大公司，網絡處于兩大體系結構競爭的階段，因此教材主要是以介紹OSI參考模型為主，以TCP/IP協議體系為輔的格局。第3版出版于1996年，當時正處于Internet開始廣泛應用的階段，因此教材以大量的篇幅討論TCP/IP協議與Internet是符合當時技術發展水平的。第4版出版于2003年，當時的網絡技術主要討論的是Internet應用、高速局域網、無線局域網、網絡安全，以及接入網技術，因此教材的第3版與第4版之間在概念與內容選取上一定會作比較大的調整。

（3）認真分析技術發展對教材內容的影響

在以上分析的基礎上，我們進一步將《Computer Networks》的第3版與第4版之間按照章節與章節包括的內容作了仔細地對比與分析。

① 第1章（概論）的網絡應用討論中增加了電子商務應用、網絡家庭應用、移動網絡應用；網絡硬件的討論中增加了無線網絡、家庭網絡的內容；網絡實例的討論中刪去了SMDS、X.25、ISDN、ATM的內容，增加了Internet與WLAN的內容。

② 第2章（物理層）增加了關于ADSL接入技術的描述，刪去了ISDN、ATM的內容；增加了1G、2G、3G與 Internet over Cable的內容，刪去了Cellular Radio的內容。

③ 第3章（數據鏈路層）內容變化不大，只是刪去了ATM DLL的內容。

④ 第4章（介質訪問控制子層）在多路訪問協議內容中刪去了Cellular Radio的內容；在局域網的討論中刪去了802.4、802.5與802.6的內容，重點討論了Ethernet技術，增加了交換式 Ethernet 、FE、GE與10GE等高速局域網的內容，增加了802.11無線局域網、802.16寬帶無線網絡、藍牙技術Bluetooth等無線網絡的內容。

⑤ 第5章（網絡層）增加了有關QoS的Diff-Service、MPLS內容；刪除了ATM NL；將防火墻的內容從網絡互聯移到第8章。

⑥ 第6章（傳輸層）除了刪去ATM AAL 協議之外，其他的內容基本不變。

⑦ 第7章（應用層）只是將原有的網絡安全、網絡管理內容移到第8章，成為專門的一章，減少了關于USENET、NEWS的討論。

⑧ 第8章（網絡安全）是新增加的一章。第8章的主要內容包括密碼學基礎、數字簽名與認證協議、通信安全、E-Mail安全、Web安全與網絡安全社會問題等。第4版增加網絡安全一章是恰當的，它順應了技術發展的形勢與社會需求。

從《Computer Networks》第1版到第4版內容的比較、分析中，我們可以確定哪些是網絡技術發展過程中“不變”的基本概念、方法與技術，哪些屬于過渡性的技術，并且可以清晰地梳理出這些技術的內在關系。

同時，通過對以Cisco為代表的大型網絡設備制造商與軟件公司在員工培訓、認證考試內容的變化情況的跟蹤，了解產業界對人才需求的變化。結合團隊成員在科研預研工作中對當前熱點問題的研究、新的協議標準制訂情況的了解，以及跟蹤國內外知名大學每年教學內容與課程訓練的更新情況，借鑒美國ACM 和IEEE/CS最新制定的計算機學科課程體系，不斷調整、完善課程教學教材體系的總體設計思路與方案。這些工作成果為設計網絡課程教學與教材體系提供了重要的決策依據。

3計算機網絡課程教學與教材體系建設方案的設計

3.1本科與研究生課程教學目標的定位

針對目前計算機與相關專業本科與研究生招生規模、師資與實際教學情況，在天津市教委高教處與南開大學教務處立項支持下，我們確定了 “面向國內多數大學計算機及相關專業的實際需要，力求擴大成果受益面和共享范圍，研究和設計本科與研究生教學一體化、理論教學與能力培養一體化的計算機網絡教材體系”的工作任務。

在課程教學目標定位上，本科課程“以網絡技術基本理論與基本方法為主體，充分反映網絡技術的發展，培養學生掌握網絡的基本知識、基本工作能力與繼續學習能力”。研究生課程“以反映網絡技術前沿研究成果與發展趨勢為背景，充分反映現代網絡技術發展水平，培養學生網絡技術研究與網絡系統研發能力”。

3.2計算機網絡課程教學與教材體系

（1）課程教學與教材體系結構

總結團隊成員20多年來本科與研究生網絡課程教學的經驗，以及指導研究生論文和科研的體會，吸取國內外知名大學成功的經驗，確定了如圖1所示的網絡課程教學與教材體系。

（2）本科教材體系結構

本科教材體系由主教材、教師用書、習題集與習題解析、網絡實驗指導書、網絡軟件編程指導書，以及與主教材配套的電子課件組成。其中，教師用書對教學方法與各章知識點的結構進行了系統的討論，同時提供了部分關鍵技術發展的背景資料與協議標準查找方法。習題供學生自我檢查知識掌握情況以及教師布置作業用。網絡實驗指導書、網絡軟件編程指導書分別可用于硬件實驗與基本的網絡軟件編程訓練。

由于我國設置有計算機及相關專業的學校很多，師資與學生情況、培養目標等方面差異很大，不可能都要求統一配備有網絡設備和硬件實驗室。在這種情況下，由主教材在宏觀上把握教學基本要求，不同類型的學校可以根據各自的情況，自主地選擇是通過硬件實驗，還是通過軟件編程的方法，或者兩者相結合的方法，來達到提高學生實際工作能力的目的。這種思路應該是比較有效和符合國情的。

（3）研究生教材體系結構

研究生教材體系由《計算機網絡高級教程》與《計算機網絡高級軟件編程技術》兩部相互配套的教材組成。在研究生教材體系的設計中需要注意3個問題。一是課程內容的前瞻性；二是本科與研究生課程內容的協調；三是理論教學與能力培養的協調。需要在研究生階段學習網絡課程的同學，在他們本科階段一般都修過網絡課程。由于學生不是來自同一個學校或同一個本科專業，所以學生在網絡方面的基礎差異很大。這就導致教師在碩士課程教學內容的協調上存在較大的難度。這些問題都需要在教學體系的建設中統一考慮。

主教材《計算機網絡高級教程》重點討論網絡研究的最新發展與研究的熱點問題，力求達到“反映計算機網絡前沿研究成果與發展趨勢”的要求。教材按照網絡技術發展的三條主線：Internet技術、無線網絡技術與網絡安全技術，系統地討論不同階段的網絡核心技術和重要的研究內容、方法與進展。在系統地討論廣域網與局域網的發展、城域網概念的演變、寬帶城域網組建與接入網技術的基礎上深入討論IPv4、IPv6與移動IP技術，以及Internet應用技術。教材系統地總結了無線自組網絡（Ad hoc Network）、無線傳感器網絡（WSN）與無線網格網（WMN）關鍵技術的研究與進展。在以上討論的基礎上，教材對網絡安全技術的當前研究的熱點、方法與進展作了一個比較全面的總結。同時介紹國外大學與產業界在評價研究成果時常用的網絡性能分析、網絡仿真的方法與開源工具。

為了達到“高素質創新型計算機人才應具有較強的實踐能力”的要求，與主教材配套的有《計算機網絡高級軟件編程技術》。團隊成員通過總結多年指導研究生學位論文的體會，在與已經畢業的研究生座談、追蹤調查中發現：培養學生網絡理論的理解與實際工作能力，課堂教學可以起到非常重要的引導作用，實際的能力需要他們在參加科研工作和完成開發任務的過程中“悟”出來和“干”出來。他們在學習期間可能修過多門網絡方向的課程，但是他們如果不能參加實際的研究與開發項目，那么他們對網絡技術的理解一般是很表面和不扎實的。基于這種認識，我們根據自己完成科研與指導研究生開發項目的工作體會，結合課程教學的內容，找出學生必須掌握的基本能力結構要求，確定合適的題目，將科研成果轉化為網絡軟件編程的訓練課題。網絡編程課題分為基礎類、綜合類與提高類等3類、5個難度級。其中，綜合類與提高類的大多數題目都是從團隊曾經完成過的研究與開發的課題中提煉出來的，這些“近似實戰”的編程訓練對提高學生實際工作能力具有很高的價值。

（4）教學方法的討論

研究生教學過程中有兩個問題需要認真解決。一是研究生的學習更應該強調“研究性”與“自主性”；二是同一屆的研究生實際能力差異都很大，導師應該根據學生的已有基礎與今后的研究方向“因材施教”。

導師的因材施教體現在：指導學生根據自己的基礎、研究方向，選擇不同類型、不同編程量，或不同的難度級的課題自主地完成訓練，循序漸進地提高實際能力。從我們多年的教學經驗看，同一屆的研究生實際能力差異都很大。研究生教學更多的應該是根據不同的學生、不同的研究重點、不同的起點，有不同的訓練方案，不能沒有區別。但是多年來苦于沒有適當的教材與教學資料支持，教師有再好的愿望也很難實施。這是困擾了網絡課程任課教師多年的問題。但是要做到這一點需要做很多艱苦細致的工作和積累很多教學資料。經過10多年的積累與團隊成員的集體努力，我們初步完成了一些基礎性的工作。經過近幾年的嘗試，研究生的能力培養已經見到一定的成效。

為了適應研究生“研究性”與“自主性”學習的要求，《計算機網絡高級編程技術》對每個課題都提供了入門所需要的資料、工具與實現方法的范例，學生可以通過自學來完成訓練。《計算機網絡高級教程》知識的覆蓋范圍寬，涉及目前網絡研究的多個領域。《計算機網絡高級編程技術》總的訓練內容量比較大，覆蓋的面比較寬，難度差異也比較明顯。研究生教材不應該僅是一本一學期使用的教科書，更應該是一本技術參考書，甚至是一本手冊。導師可以根據需要選擇教材中部分內容做為基本的學習要求。學生學習的過程應該在導師的指導下有選擇地自學和閱讀，完成編程訓練。有些內容可能第一次僅僅是讀過和了解，如果今后科研、開發工作需要，可以再回過頭來繼續閱讀和參考。

從研究生教學體系的設計中，我們希望通過學習《計算機網絡高級教程》為研究生在網絡領域的論文選題做好知識儲備，學習《計算機網絡高級軟件編程技術》為完成論文做好技術儲備。整個教學過程向“夯實理論基礎，開闊科研視野，強化能力培養”的方向努力。

目前，在教育部計算機專業教學指導委員會的關心和指導下，在清華大學出版社的大力支持下，南開大學網絡科研教學團隊初步完成了課程教學體系中教材的編寫出版任務。但是建設高質量的計算機網絡教學與教材體系絕非是幾位教師所能夠承擔的任務，它是需要各個學校、一代一代的教師，用畢生的心血去不斷向前推進的事業。本文只能起到“拋磚引玉”的作用，希望引起老師們的討論，共同為提高我國計算機教育水平而努力。