面向創新人才培養的計算機網絡教學改革

摘要：針對計算機網絡課程涵蓋面廣、知識點散等特點，改革教學模式，在教學過程的組織上，可以按照“課前猜想、課堂研討、實驗驗證、課后思考”四個步驟進行，在課前預習中，實施問題驅動；在課堂教學中，加強師生互動；在實驗驗證時，倡導知行合一，并在課堂上創設學生主體、教師主導的教學氛圍，充分調動學生的學習積極性，有利于培養學生的創新能力和綜合素質。

關鍵詞：計算機網絡；教學模式；問題驅動；師生互動；知行合一

文章編號：1672-5913（2013）01-0049-04

中圖分類號：G642

計算機網絡是一門理論與實踐、軟件和硬件相結合的課程，它是計算機專業本科生的必修課，更是網絡工程專業的主干課程。鑒于該課程的上述地位，當前出現了諸多圍繞該課程教學改革的研究和實踐，但他們大多圍繞教學內容、方法、手段的改革等方面展開。在教育部相關研究課題的支持下，我們重點梳理了計算機網絡教學的目標和手段，提出了基于“科學思維模式”的計算機網絡課程教學法，以提高學生創新能力為導向，在教學內容組織和教學環節設計中突出學生的創新思維訓練，強化學生的創新能力培養，在教學手段上凸顯學生的主體地位，在實踐訓練上注重知行合一，著重培養學生的知識運用和問題分析能力。從而全面提升網絡課程在提高學生創新發展等能力方面的功效，使計算機網絡課程教學質量大為提高。

1 突出創新思維訓練的教學設計

計算機網絡是網絡工程專業的一個核心基礎課程，其教學效果對于學生的后續專業課程學習起到至關重要的作用。然而學生普遍反映計算機網絡課程學習起來比較困難，通過分析，我們發現，其中一個主要原因在于課程的涵蓋面很廣，且知識點之間聯系性相對較弱。對此，教師在整個課程教學中的內容組織和教學掌控能力就顯得尤為重要，教學大綱規定了教學的基本內容，但將這些內容以何種方式傳授給學生則體現了教師的能力和價值。在計算機網絡課程的教學改革中，我們著重從提高學生的創新能力人手，教學內容的組織上突出系統性和連續性，使學生的知識獲取過程成為一個創新思維的訓練過程。

鑒于計算機網絡本身的復雜性，采用分層結構組織教學內容已經成為共識。采用這一結構進行授課的優點顯而易見，它能夠有效地幫助學生理解復雜的網絡體系結構。然而過分強調分層結構則容易使學生忽略網絡體系結構的概念，腦海中出現的只是各個獨立的知識點，缺少對網絡整體的認識，進而造成學習的困難。

其實，學習計算機網絡的過程就是在學生的知識空間內“構建”計算機網絡體系結構的過程。因此，在授課過程中，我們將所有知識點均放在網絡系統的大環境中進行討論，理解它們的作用及其相互關系。如圖1所示，在講授網絡中每一層時，首先向學生概述該層的作用，與其他層次之間的關聯，其次圍繞該層的核心概念開展具體分析，最后在總結中進一步對該層在整個網絡體系結構中處于什么位置，解決了哪些問題，為其他層次提供了哪些服務，在解決這些問題時利用了另外哪些層次為其提供的服務等。使學生始終圍繞網絡體系結構展開學習，做到“胸有網絡”，各個看似分散的知識點可以通過這種方式有機的串聯在一起。一方面避免因知識點太散而影響學習效果；同時又使學生對計算機網絡始終有一個整體觀和大局觀，避免“一葉障目，不見泰山”現象的產生。培養學生系統思考問題的習慣和能力，為以后的創新發展奠定基礎。

針對每一個網絡協議，我們在講授過程中都要啟發學生思考：為什么要這樣做？其設計背景是什么？能夠解決什么問題？換一種設計方法行不行？在網絡的發展史上，為什么一些技術成功了，而另一些在當時看似非常先進的技術最終卻銷聲匿跡了？對這些問題的思考能夠幫助學生更好地理解計算機網絡的發展歷程，同時也為學生以后從事相關方面的研究提供指導。通過讓學生參與到問題的解決和協議的設計，將網絡知識的傳授過程變為“科學發現”和“科技創新”的過程，將創新能力培養貫穿于計算機網絡課程教學的始終，讓學生在發現和解決問題的過程中，潛移默化地學習和掌握知識，從而使學生變為學習的主體，有效地促進了學生分析解決問題、動手實踐及創新能力的提高，實現知識和能力的有機統一。

2 強化創新能力培養的教學手段

在創新能力的培養中，知識的傳授是基礎，能力的培養是目標。也就是說沒有知識傳授作為基礎，所有的創新之說只能是無本之木。不去有意識地進行學生創新能力培養，那么知識的傳授過程也就無法體現其價值所在。為此，我們在教學過程的組織上，按照“課前猜想、課堂研討、實驗驗證、課后思考”四個步驟進行，并在課堂上創設學生主體、教師主導的教學氛圍，充分調動學生的學習積極性，鼓勵學生建言設問，活躍課堂氣氛，提高學生的課堂參與意識。

2.1問題驅動的理論課堂教學

要在授課中達到既傳授專業知識又培養能力的雙重目標，首先要從教學方法改革入手。要改變傳統教學中教師“一言堂”、“滿堂灌”的現象，真正把課堂還給學生，將教師從知識傳授者轉變為科學發現過程中的引導者。這一教學模式的基本流程，在每部分的預習環節，選擇一個網絡中重要而具有啟發性的問題，讓學生進行預習和猜想；在課堂教學環節，結合猜想組織研討，然后由教師重點講授該知識點，將被動的知識傳授過程變為主動的知識發現過程，最后啟發學生深入思考，如圖2所示。

例如：計算機網絡中的“協議”概念，一開始學生往往覺得太抽象，不好理解。可以舉出生活中兩人約定一起看電影的例子，讓學生思考制定一套規則使得兩個人能夠正常完成這一任務，并針對學生制定的規則不斷進行引導，例如若學生提出規則“幾點幾分，在某某電影院門口不見不散”這樣的規則，則可以提出“萬一某人有事去不了，又沒有其他辦法告知另一人，這時該怎么辦”等，一方面激發了學生的創新思維，另一方面又能夠將網絡協議這個抽象的內容具體化，消除了學生對計算機網絡知識的神秘感和畏懼感。隨后教師講解網絡協議的概念，并隨后根據課程進度介紹HTTP協議，在實驗課程中，則讓學生通過Wireshark分析HTTP協議的具體格式和交互時序，實現理論與實踐的相互驗證。此后在學習其他協議時可以讓學生舉一反三，進行類似的分析。

再如，在講述可靠數據傳輸過程中，在學生課前預習的基礎上，我們連續地通過以下問題啟發學生：網絡中存在哪些不可靠現象？分組傳輸過程中出錯了怎么辦？丟失了怎么辦？數據丟失和確認丟失效果是否一樣？為什么會出現分組冗余現象？該如何處理？超時計時器該怎樣設置比較合理？通過這一系列問題的解決，使學生在教師的引導下逐步完善其最初猜想的可靠傳輸協議機制，最終實現問題的完美解決。因為在課堂上重現了整個協議的設計過程，并讓學生全程參與，其效果遠遠優于簡單地將概念介紹給學生。

在這一教學過程中，學生課前預習效果的好壞對課堂教學效果有重要影響。因此，在實踐中我們采取了課堂表揚、增加平時成績的激勵措施，并通過教師的淵博知識和對本學科的熱愛，潛移默化地影響學生。從教學的實際效果看，學生對我們選擇的內容很感興趣，在他們提出的方案中，也能看到很多創新性的思想，起到了培養學生創新能力的作用。而且，這種教學方法能給學生帶來很強的現場感，激發了學生的主體參與意識，培養了其想象力和創新思維能力，課堂參與度和學習主動性都有比較顯著的提升。

2.2師生互動的專題研討

鑒于計算機網絡技術發展迅速、與每個人的生活密切相關等特點，為進一步激發學生主動學習的熱情，提高課堂學習的參與度，我們還設計了針對網絡中一些重要概念和熱門應用的專題研討課，讓學生針對某些概念和網絡應用發表自己的理解和看法，以得到更多獨立思考的機會，開闊學生眼界，培養學生思維的廣闊性和深刻性。

在教學實施過程中，針對計算機網絡的層次結構，在網絡體系結構、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層各設置了一個研討課題，如表1所示。這些研討課題的設置主要基于如下標準：

1）計算機網絡的基礎和核心概念，如分組交換、路由選擇等；

2）一些重要但又相對較難的知識點，如可靠數據傳輸協議設計、TCP擁塞控制等；

3）充分發揮學生想象力和創新思維的開放性題目，如對網絡發展過程中的著名應用、協議及其設計者的深入剖析等。

在課程開始之前，將學員劃分為4人每組，教師提前兩周將下次課要討論的內容布置給各小組。學生根據教師提供的材料和思考題做好充分的準備工作，課下以研討小組為單位進行研究討論，提前一周以小組為單位上交一份研討稿，教師幫助學生修改研討稿，并選擇3個小組上臺報告成果，報告過程中，老師和其他同學隨時針對其報告內容進行提問質疑。最后，教師對所有報告進行點評總結。

在組織學生研討時，教師要能夠掌控教學過程，一方面要對學生做好引導，要求他們加入自己對研討內容的思考。另一方面要充分肯定學生的創新，從而激發其學習和研究的興趣，增強他們的創新思維能力。另外，組織研討的過程中要關注到全體學生，我們采用了平時成績加分的方式，激勵各個小組積極參與報告，取得了很好的效果。

3 倡導知行合一的實踐訓練環節

就計算機網絡教學而言，網絡協議的交互過程復雜且難以觀察理解，網絡實驗是不可或缺的。針對計算機網絡的層次結構，我們設計了9個實驗，授課時根據學生實際情況從中選擇5個實驗課題。重點培養學生的動手能力，使學生掌握科學的實驗方法，并能在實踐中培養學生的創新能力。為了利用好課堂上有限的實驗教學時間，我們進行了以下幾個方面的工作。

首先，強調實驗預習的重要性。我們要求學生在每次實驗之前必須預習實驗內容，設計實驗方案和步驟，并按要求完成實驗預習報告。

其次，注重教師在實驗過程中的引導作用。例如，通過報文結構分析驗證理論課堂上學習的協議首部格式等。當出現一些錯誤時，引導學生利用原理分析問題產生的原因，通過實驗步驟逐步排除問題，而不是越俎代庖幫他們解決。

例如，在“配置路由器的路由選擇協議”實驗中，一些學生經常會忽略了配置主機默認網關而導致無法Ping通其他設備，此時可以啟發學生思考：默認網關的作用是什么？主機為什么需要默認網關？當學生完成協議配置并測試成功后，可以進一步啟發他們思考：分組在從PC0到達PC1的過程中其IP地址與MAC地址分別是怎么變化的？并讓其在PacketTracer中實際模擬分析。可以說，通過教師有效的引導，學生在一次實驗中的收獲要遠遠大于實驗本身。

最后，在實驗教學過程中還要做到因材施教，讓優秀的學生有成就感。例如在套接字編程實驗中，有些學生具有較強的能力素質，很快就完成了布置的基本Socket通信程序，此時可以鼓勵他們通過分析HTTP協議，進行Web服務器和多線程Web服務器的設計和編程實現。當看到自己編寫的Web服務器程序正確響應瀏覽器的請求后，不需要教師的任何表揚，學生亦可受到巨大鼓舞。

4 結語

培養創新能力，提高綜合素質是高等教育的一個基本目標。通過教學改革手段，我們著重培養了學生的自學能力和創新意識，讓學生熟悉科學研究的方法，為繼續創新實踐和將來進一步的深造或從事科學研究工作奠定堅實的基礎。教學實踐表明，這項改革舉措受到了學生的歡迎，提高了他們學習的積極性和主動性，學生的思維能力和綜合素質也有了一定的提升。在未來工作中，我們將進一步梳理優化教學設計和教學手段，深化實踐教學改革，以期更好地實現知識傳授和能力提升的目標。

（編輯：趙廓）