面向新工科的計算機網絡混合式教學模式

王鐵霖

一、引言

計算機網絡是計算機專業的核心課程，本課程的重點是深入掌握網絡分層協議算法及其應用，難點在于覆蓋了網絡設備、網絡協議、算法分析、故障分析和協議程序設計等內容，綜合性強，協議抽象不易理解，網絡編程比單機程序更難。目前，許多教師對計算機網絡課提出了多種教學思路和實踐方法。一方面，選用平臺開展混合式教學，設計了課前、課中和課后教學階段，開展學生自主學習、問題探究等多元教學方式。另一方面，通過網絡考證、網絡競賽和網絡編程等方法，提升實踐教學質量。也有的高校開始探索新方法，文獻中圍繞內容主線，將知識點劃分成基礎知識、重點難點、前沿技術3個部分，形成層級知識體系。在終期考核中，試題包含10%～20%的開放性試題。在文獻中，為計算機網絡課程分配了3個二級指標點，分別是1-2、6-2和12-1，但該分配在網絡系統分析和設計方案方面存在著缺陷。對比發現，金課標準的“兩性一度”與專業認證標準要求是一致的。金課建設要求高階性、創新性和挑戰度，培養學生解決復雜工程問題的能力，具有創新意識。這種要求分解落實到各門課程中，涵蓋理論教學、實踐教學和畢業設計，需要通過“高質量的教學實踐”有效地落實課程教學目標。可見，對照金課標準要求，當前計算機網絡課程教學存在較大差距。

二.教學目標

在課程建設中，課程教學大綱的設計是頭等大事。對于專業核心課程而言，主要內容包括課程教學目標、達成途徑、教學內容、實驗教學、課程評價等方面。基于金課標準，需從課程教學目標入手，滿足解決復雜工程問題能力培養需求。在具體目標設計方面，應按照專業認證標準，將合理的畢業要求二級指標點分配到該課程。

三、計算機網絡工程原理的分析與運用

金課標準的高階性要求知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。對于計算機網絡課程，其本質就是需要深入學習網絡工程原理及其應用，包括網絡模型、協議和算法等內容。

典型的計算機網絡模型有2個：OSI模型和TCP/IP協議簇。既要正確理解其中的服務和協議概念，又要能夠分析協議包的封裝和拆解過程。下面對各網絡層次的協議和工作原理進行分析，部分內容舉例如下。（1）物理層：數據編碼、串口通信協議RS232-C;（2）數據鏈路層：滑動窗口協議、HDLC協議、PPP協議;（3）局域網：CSMA/CD、CSMA/CA、透明網橋的轉發表生成算法;（4）網絡層：子網劃分原理與算法、IP協議、ARP協議、RIP協議、OSPF協議、距離矢量算法、洪泛算法;（5）傳輸層：UDP協議、TCP協議、TCP可靠傳輸機制、TCP協議的擁塞控制算法;（6）應用層：DNS、HTTP協議、FTP協議、SMTP協議、POP3協議、MQTT協議。

UDP協議首部只包括4個字段，其中，第4個字段是校驗和，是難點之一。其計算范圍包括了UDP協議首部和數據部分，以及來自于IP協議的偽首部內容。校驗和計算原理。計算之前，需要對IP協議和UDP協議進行分析，抽取其中的字段信息;計算時，需要采用帶進位二進制累加計算，最后求反可得。

通常，教師在完成以上內容教學后就認為UDP協議部分講解結束，但是要讓學生深入掌握網絡協議原理，單單如此推算是不夠的，應繼續深入分析，將結果驗證方法和解算過程引入到教學中。

四、教學內容

在課堂上開展多種教學方式，特別是對于學生的關注度和個性化問題，可立即評價和反饋。（1）在線下教學中，針對每個網絡工程原理內容，分主題進行精講精練，精講內容配合課件，并以板書方式進行過程化演練。針對教材例題，在課堂上提出其他解決方案，為學生擴展思路。（2）基于云班課的隨堂測試。在以上精講精練結束后，立即開展隨堂測試，通過布置類似的任務，組織全體學生做題，學生須將演算過程和答案寫在白紙上，限時作答。如此，能夠提升網絡協議教學的高階性。具體做法是通過實驗方式，組織學生編寫校驗和計算程序，要求通過界面輸入UDP協議的各字段數據，包括偽首部數據。而數據來源必須是通過協議抓包工具Wireshark獲得的真實數據。只有校驗和計算結果與抓包數據中的校驗和字段值是一致的，才認為程序通過。這樣，既培養學生深入掌握IP協議和UDP協議，又能通過編程訓練，提升學生的網絡協議應用設計能力。進一步，還可以擴展為UDP協議包發送程序，通過編寫套接字程序發送字符串。如果能夠通過網絡助手工具正確接收到信息，則認為設計任務順利完成。這時，單機編程思維擴展到了網絡編程思維，使網絡工程原理的分析得以深入。3混合式教學的創新思路“基于網絡學網絡”的思想實際上突破了典型的線上線下混合教學模式，擴展為“線上學習+線下教學+互聯網應用探索+互聯網應用實踐”的教學理念，打破原有線上慕課資源定時定課的1422022計算機教育ComputerEducation行通過手機拍照，上傳答題圖片到云班課上，形成手寫的電子材料。教師在課后通過云班課直接批閱，學生能立即看到批閱圖片和成績。這種方式的好處是，每次隨堂測試占分數，學生愿意投入。反之，如果課堂上不認真聽講或者未到課的，則丟分嚴重。因此，隨堂測試的安排能夠有效促進課堂教學效果。

在網絡課程教學中，構造真實的網絡系統一直是個難題，涉及網絡建模、系統部署、網絡布線、網絡設備選用、工程造價和性價比計算等。這些內容除了課堂講解之外，更多要依靠實驗教學來完成。以“小型局域網絡系統設計”為例，綜合采用CDIO和PDCA的理念，設計該項目的執行流程圖，如圖所示。

首先，由教師給出設計任務書，要求在2個房間內部署100臺PC機、若干服務器及刷卡設備。需要學生自行完成全部設計任務，提供采購清單和設計文檔。具體流程如下。（1）學生以2人小組方式，進行需求分析并構思方案;第1期教育與教學研究143題調研、學生報告設計與制作、學生課堂演講、教師課堂點評、學生報告完善、教師成績評定共7個階段。所有學生劃分為至多3人的小組，選擇教師預先設置的10余道選題，全部關注網絡前沿技術。選題每年更新，并增強課程思政。學生需要至少8學時，在課外通過互聯網調研和文獻查閱整理，撰寫PPT和調研報告。然后，所有小組在課堂上進行講解。經過教師點評后，學生獲得講解成績。學生繼續完善調研報告后，再獲得報告成績。講解和報告各占總成績的5分，合計10分。結果表明，該專題調研方式所支撐的課程目標1和目標2，一直達到良好狀態。

五、總結

本課程堅持“通過網絡學網絡”的教學思想，在課堂課外、理論和實踐環節，都能結合互聯網環境進行教學。在課堂上，通過網絡命令測試、路由跟蹤、網絡抓包等方式，不斷強化網絡教學的真實感。在課外，通過多類型的課程在線學習平臺，解決專題學習和基礎測試問題，大大擴展了學習空間和資源空間。基于金課和工程認證標準，堅持“以學生為中心”的教學理念，強調工程能力和素質的培養。課堂上采用難點精講和云班課的在線測試，有力地促進了課堂教學質量。在實驗方面，基于CDID理念完成“小型局域網系統設計”等挑戰度項目。