面向新工科應用創新型人才培養的計算機網絡課程教學改革與實踐

關鍵詞：計算機網絡；教學改革；新工科；應用創新型人才；教學案例

0 引言

隨著社會在新技術、新產業的推動下不斷進步，各行業對人才的期望與需求已顯著轉變，尤其自2017 年教育部發布《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]以來，傳統以教師為主的“灌溉式”課堂教學已不能適應行業的新發展需要。新工科建設的核心在于突出能力培養，特別是跨學科思維和創新意識的培養，體現在解決實際工程問題的能力，特別是處理復雜問題[2]。

計算機網絡課程作為網絡安全、大數據、人工智能等高校計算機類的專業核心基礎課程，其理論和實踐性較強。目前我國很多高校計算機網絡課程在教學內容和方法、教學實踐等方面存在一些問題，導致學生應用和創新能力不足，無法適應新時代各行業對人才的需求[3]，故計算機網絡課程教學亟須改革。

1 計算機網絡課程教學中存在的問題

1.1 課程內容抽象、繁雜、易混淆，學習難度較大

計算機網絡課程涉及網絡體系結構、通信系統、地址規劃、路由尋址、端到端傳輸、應用程序通信等內容，其中很多傳輸過程無法實際看到，比較抽象。同時，部分知識點之間相似，容易混淆，加上該課程涉及的知識點繁多且分散，形成了明顯的“碎片化”特征[4]，這導致學生學習難度較大。

1.2 教材內容難以適應行業發展的新變化

由于網絡新技術發展迅速，而教材內容限于紙質出版滯后等因素無法及時更新，比如5G、NFV、SDN、寬帶智能網等新技術，如果教師一味按照教材內容授課，難以適應行業發展的新變化。

1.3 傳統教學方式難以激發學生的學習興趣

傳統以教師講授、學生被動接受為主的教學模式，加上計算機網絡課程知識繁雜、理論抽象，很難激發學生的學習興趣，長此以往，將導致學生上課打瞌睡、缺勤、厭學等問題。

1.4 實踐環節薄弱，學生應用和創新能力不足

計算機網絡課程實踐主要通過實驗體現，而實驗往往設計成脫離實際應用的簡單驗證性實驗，比如進行ARP協議驗證、進行網絡連通性測試等，缺乏對驗證性實驗進行拓展或引入適當比例的設計性或綜合性實驗。學生可通過復習知識點加簡單配置命令就可以獨自完成實驗，缺乏挑戰性和團隊協作，并且實驗采用模擬器進行配置，缺乏網絡設備實物進行實驗，難以培養學生應用和創新能力。

1.5 缺乏完整過程性評價，難以對學生進行個性化指導

傳統教學主要關注課中的學習情況，評價主要采用課堂表現、實驗報告和期末考試的形式進行，對學生課前、課后的學習過程關注較少，缺乏完整過程性評價體系，難以做到個性化指導，會導致學生采用“背書式”應付考試，難以真正理解和應用知識。

2 課程目標和內容的改革

課程目標在教學內容和教學方式上起著指導作用，如何將專業能力培養需求與課程特性相結合，科學設定課程目標，并確保其與畢業要求觀測點相契合，是課程建設的首要環節[5]。在網絡強國戰略的引領下，與時俱進，緊跟時代和行業發展步伐，以新工科背景下應用創新型人才培養為出發點進行設計，將課程目標設定與畢業要求指標進行關聯，真正以學生向社會輸出為導向進行課程目標改革。比如引入“了解網絡新技術”的課程目標，對應“終身學習：具有終身學習的意識”的畢業要求指標；引入“培養網絡思維和工程思維[6]”的課程目標，對應“ 問題分析：具備發掘并解決復雜工程項目問題的能力”的畢業要求指標。

教學除了傳授專業知識外，還要對學生進行德育，幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。計算機網絡課程內容要潛移默化地融入思政元素，培養學生“四個自信”，積極思考、創新、工匠精神等品質。比如涉及5G技術，列舉華為如何在技術封鎖的情況下，自力更生研究5G技術，并取得全球領先的思政案例。比如涉及GPON技術，引入華為發布業界首個商用 50G PON事件，激發學生的民族自豪感，引導學生樹立遠大職業理想，爭取科技報國。

課程內容充分利用網絡思維，注重章節之間、知識點之間的關聯，參考行業需求及國家軟考或華為認證對教學內容進行增刪，并適當引入新6UYvDSTy4dFM4VCBKlIvPEs3a/uHKMF2eaEC1VWyITU=技術。課程組將計算機網絡內容分為概述、傳輸媒體、物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層和網絡安全共8個章節，具體如圖1所示。概述章節除了介紹一些基本概念，還對傳輸媒體、網絡5層體系結構及網絡安全進行概要說明。傳輸媒體章節主要對有線和無線傳輸媒體進行詳細介紹，并適當引入綜合布線的知識。中間5章分別對網絡體系結構5層進行分層詳細闡述，通過封裝與解封裝過程進行關聯，并適當加入新技術，比如無線網絡傳輸部分，加入5G知識。網絡安全章節是呼應行業網絡安全需求，介紹網絡安全的基本知識，讓學生掌握基本網絡安全技能，并引導學生關注和思考網絡安全，激發學生進一步學習的熱情。

教學實驗對于提高學生實踐動手能力有很大幫助。課程組經過充分調研，決定對實驗進行3方面改革：一是對于驗證性實驗，除了讓學生驗證某幾個知識點及相關配置命令外，還加入擴展思考環節，提高學生思考和解決問題的能力，比如在進行ARP協議驗證時，加入ARP緩存中記錄時間是否越長越好，點對點鏈路為什么不執行ARP的擴展思考題；二是增加設計或綜合性實驗；三是增加在實體網絡設備上通過console口或telnet進行網絡配置的實驗。

3 教學設計和方法的改革

為了改變傳統教學帶來的問題，引入線上線下混合式教學、基于問題或案例驅動教學、分組討論式教學方法。從注重課堂教學延伸至課前、課中和課后全環節管理。教學設計和方法注重以學生為中心，重點培養學生主動學習、解決問題的能力。比如引入基于BOPPS 的線上線下混合式教學，具體如圖2 所示。BOPPPS 基于線下教學模型，分為“導入（B） 、教學目標（O） 、前測（P） 、參與式學習（P） 、后測（P） 、總結（S） ”6個階段，具有“評價—反饋—改進”的教學閉環[2]。本課程BOPPS教學主要分為課前、課中和課后三個階段，其中課前主要采用超星平臺線上學習的方式進行，課中和課后主要采用線上和線下方式進行。

導入采用基于問題或案例驅動的方式進行，問題和案例的選擇注重結合學生日常生活或社會熱點新聞，引導學生主動思考，激發學習興趣。目標主要是讓學生清晰知曉本次課學完到底要掌握哪些知識，重難點是什么，其中課中重難點會根據課前學生前測情況進行適當調整。前測主要通過在線測試的方式進行（包括選擇、判斷、綜合題），主要關注學生課前學習的效果，對于前測中得分不高的知識點進行課堂重點講解，做到有的放矢。總結就是學生主動總結學習到的內容，主要以思維導圖的方式進行。參與式學習要求學生主動參與教學過程，通過設置問題、分組討論、學生上臺答辯等方式進行。后測主要關注學生學完后，到底掌握了多少，包括線上和線下測試，線上測試的形式和前測類似，只是難度和深度有所增加，線下測試包括提問、階段性紙質測試、實驗。答疑和反饋通過線上QQ群、超星學習平臺或線下進行。

對于繁雜的知識點，主要通過網絡思維進行關聯，幫助學生理清楚知識脈絡。計算機網絡各章節之間通過封裝和解封裝進行關聯，每章節內容通過提問、案例等手段進行關聯。每章節設計從一個提問開始，引導學生總體把控本章內容，比如物理層提問如何透明傳輸比特流，數據鏈路層提問相鄰節點之間如何通信，網絡層提問不同主機間如何通信，運輸層提問不同主機中的進程之間是如何可靠或不可靠地傳輸數據。設計實際案例將較多零散的知識點進行關聯，比如分析從校內外訪問學校網站過程的案例，可以將DNS、ARP、路由尋址、二層交換等知識進行關聯，有利于提高學生綜合利用知識，解決實際問題的能力。采用工程思維設計實驗內容，比如設計一個中小型學校或公司的網絡，引入寬松的企業需求，給學生較多解決問題的空間，可以綜合考查傳輸媒體和接口的選擇、IP地址規劃、VLAN、路由協議配置、靜態路由、防火墻、WWW或DNS服務器配置、網絡新技術等內容。

為了解決網絡知識抽象的問題，教學設計引入動畫或視頻演示及類比方法。動畫或視頻演示能將各個靜態過程有機組合，并動態化，幫助學生理解步驟較多的抽象問題，提高空間想象能力。比如對于網絡各層封裝和解封裝的過程，設計動畫進行展示，讓學生能清晰知曉整個動態過程。類比方法的核心是用已知的東西去理解未知的知識，幫助學生在已知和未知之間搭建橋梁。比如現在學生網購頻繁，對網購過程比較熟悉，對于路由尋址問題，可以類比郵政包裹的傳遞過程，每個包裹比作IP分組，包裹的格式比作IP首部格式（也需要源地址和目的地址等信息），包裹的投遞過程類比分組轉發過程，其中郵局系統查找路徑類比路由器查找轉發表。比如講授串行和并行通信，可以將串行通信比作開車排隊經過一個狹窄的小道，一次只允許一輛車通過，而并行通信比作一個寬闊的大道，有多個車道，一次允許多輛車并排通過。

對于相似知識點容易混淆的問題，教學中引入對比教學。對比教學的原理是將多個容易混淆的知識點從多個角度進行比較，以幫助學生更好地理解和掌握相似知識點。比如對于分組交換、報文交換和電路交換，很多學生容易混淆，可以加入對比教學，從數據單位、面向連接、存儲轉發、優點和缺點方面進行對比，幫助學生理解相關知識點，具體內容如表1所示。

對于設計性實驗或開放性問題，設計采用分組討論和匯報的方式進行。將班級5～7人分為1組，每組設置組長，并按照任務給組員進行明確分工。每組選定選題后，允許經過一段時間搜集資料和學習，最后以小論文的方式進行呈現，并要求各組在指定時間內向全班同學匯報和答辯，由其余同學和老師在給定的指標下評分，最終得出每組成績。設計分組討論和匯報是為了提高學生學習的主動性、積極性、團隊協作能力和解決問題的能力。

思維導圖可以將復雜的信息通過圖形化的方式，結構化地展現出來，有利于知識梳理，并清晰表達和分享知識，提升學生思考和總結、歸納能力。計算機網絡課程要求學生將總結以思維導圖的方式進行呈現，并定期在超星平臺進行展現，由教師和學生根據評價指標進行評分，選出優秀的作品進行上課展示，并由此作者進行經驗分享。借助這種方式，既可以引導學生進行總結、查漏補缺，也可以分享學習經驗，幫助學生掌握知識，提高學習能力。

4 教學評價的改革

傳統針對學生的教學評價主要通過課堂表現（20%） 、實驗報告（10%） 和期末成績（70%） 三大模塊進行，未能真正對學生整個學習過程進行反饋。本課程采用形成性評價，并通過評價反饋教學，從而改進教學，形成閉環。評價包括對學生課前、課中和課后三階段進行，具體如表2所示。

在線學習主要根據學生在課前和課后在線學習時長和次數進行折算，由于在線學習平臺采用超星，有較好的防作弊手段，能較大程度保證學生平時進行真正學習，將課堂延伸到課外。課堂表現由任課教師根據學生上課專注度和活躍度進行評分，特別關注學生上課打瞌睡、私下聊天、做與本課程無關事情等減分情況。考勤通過學習通在線簽到和課堂線下點名相結合，根據學生總到課率進行考核，其間剔除學生由于生病、因別的重要事情沖突等辦理了正規請假的情況。實驗主要根據學生實驗過程（20%） 、實驗報告（60%） 和擴展思考（20%） 進行評分。前測關注學生課前參與學習的情況，主要關注測試結果。階段性測試和期末測試主要關注學生課中、課后的學習情況。整個考核指標覆蓋課前、課中、課后全學習過程，能較好地完成形成性評價。

5 課程建設成效

本課程改革始于2021年，其間進行了4輪教學實踐，形成了完善的教學大綱、教案、課件、實驗報告、超星在線學習平臺、題庫、案例、總結報告、QQ交流群等教學資源。第4輪結束后，學生的上課表現、測試成績、調查滿意度等指標都有所上升。比如未改革前，課堂氣氛比較沉悶消極，甚至有打瞌睡的情況，改革后，學生上課積極性高（課堂氛圍活躍、前排出現搶座的現象、在分組討論中能大膽提出想法），在設計性實驗或開放性問題中能積極查閱資料解決問題。比如考試及格率由未改革前的73%上升到96%，平均分由72分上升到83分。通過在QQ群或超星平臺多次發放課堂滿意度調查問卷統計發現，學生普遍表示改革后該課程能較好地激發學習興趣，能切實學到有用知識，不懂的問題可以通過超星平臺、線下等多種方式得到及時解答，對老師評分普遍在96分以上。同時，從測試中的簡答或論述題分析，學生普遍會加入理解和經驗進行答題，能舉一些實際案例進行論證，而不是未改革前的“照本宣科”。

6 結束語

在新工科背景下，如何有效地對計算機網絡課程進行改革，以滿足應用創新型人才培養的需求是一個需要長期探索的課題，本文從計算機網絡課堂現狀出發，對課程目標和內容、教學設計和方法、教學評價3 方面進行改革，并在實踐教學中取到了良好效果，學生主動性、解決問題的能力均有較大提升。后期課程組將探索建立知識圖譜、引入“AI+教育”等方式進一步深化計算機網絡課程建設。