新时代下计算机网络课程“三新”探索及实施

孙伟峰，张丽君，姚 琳

（大连理工大学软件学院，辽宁大连 116600）

0 引言

计算机网络作为计算机科学技术、计算机工程、信息安全、软件工程、网络空间安全、物联网等专业课程，其核心地位显而易见。打好计算机网络基础，对学好后续课程有着重要作用。在物联网、边缘计算、大数据、人工智能、机器学习、区块链等新技术层出不穷的时代，计算机网络发展也进入了“开放、开源”快车道，应从多个方面对计算机网络教学内容、教学手段及考核方式等进行改革及改进。从内容上，计算机网络的知识点比较经典，而在计算机技术特别是有线/无线网络技术飞速发展的时代，传统的网络教学内容往往不能包含涌现出的新技术，但是课堂需要新的内容。信息化、MOOC、即时通信等相关应用的普及，使得教学方法不再局限于传统课堂授课，而是可以融合更多面向成果导向的“新技术”。相应地，课程考核方式也不只是局限于课堂出勤、课下作业、结课后考试，应出现打破“自教自考”、方式单一的“新考核”方法。

本方案的实施以大连理工大学软件学院的教学团队为主体，从初期使用中文教材、各教师均承担教学任务，发展为现在的双语授课、集体备课、考教分离的教学方式，并在此基础上不断加强课程思政内容建设，持续改进和优化教学模式。

目前，已形成一支以网络工程系教师为主的教学团队，团队也不断引入新的成员，并积极推行教学改革和实施精品课程建设，在教学内容、教学方法、考核方法、双语教学、实验课建设、网站建设等方面做了一些工作，也取得了一些成效。课程已于2010 年被评为“大连理工大学优秀课程”，2014 年开始进行开放式课程设计。从2012 年起进行在线视频建设——以线上预习、复习、自主学习与线下授课相结合的方式。有教师建设的视频已用于继续教育学院，目前还作为盘锦校区的辅修课程使用，课题团队也各自录制了视频。

1 相关研究

后疫情时代，传统的课堂教育模式已经不能满足当前教育形式，尤其是以计算机网络为代表的工程性学科，需要学生掌握一定的实践操作技能。虚拟仿真软件作为一种工程辅助教学软件，极大地简化了计算机类课程的实践流程，学生易上手，学校投入的经费也大幅减少。当前疫情虽得以控制，但也会出现突发状况，这就要求高校必须灵活变动上课及实践形式。关于计算机网络类课程改革，也有一些高等院校采取了相应措施。黄光能等提出一种线上线下相结合的MOOC 教学方式，将课程内容按照一定比例分为线上自主学习和线下授课两部分，并且在课程中融入思政内容，以引导学生形成正确的价值观，培养学生的责任感，但是该方式将所有学生视为一个水准，忽视了部分后进学生的学习，学生成绩容易出现断层；董国钢基于“三全育人”理念，进行教材创新，构建慕课资源，以赛促学，以考促学，提高了学生的自主学习能力，该方法虽然创新性好，但是忽略了学生学习习惯的不同，容易打乱学生原本适合自己的学习方式；张燕等提出一种新工科背景下的智慧课堂教学模式，课前教师推送教学大纲及视频，学生进行自学自测，课堂教师授课，师生一起讨论，课后学生进行实践总结，记录动态化的学习轨迹和测评反馈，该方式可在一定程度上关注到每个学生的学习状况，却忽视了教师的差异性，不同教师授课风格有所不同，会对整个课堂造成局限性。也有高校基于OBE 理念开展教学实践，关注教育产出，明确学生应该掌握什么知识，判断学生对知识掌握的程度，但是整个教学过程都是教师围绕学生转，并未去考虑教师的差异性。

基于以上分析，以学生能力培养为目标，从教学新内容、教学新手段及考核新方式3 方面进行改进，并以“三新”的面向成果导向，进行了初步教学实施。

2 教学内容现状及改进

2.1 传统教学内容及改进

计算机网络课程教学目标包括：①知识目标：准确解析网络各项基础术语；理解计算机网络体系结构和设计原理；理解TCP/IP 协议栈中各层协议的工作原理并能计算相关数值；知晓网络技术前沿发展；②能力目标：具有具体网络协议设计、网络问题诊断、问题分析及解决能力，为今后的专业学习和从事计算机网络设计、开发及研究打下必要基础；③素质目标：树立正确的世界观、人生观和价值观，让学生能够在解决复杂工程问题时，认识到工程对社会及文化的影响，并理解其应承担的责任。

Fig.1 7 layers of OSI model and 5 layers of TCP/IP model图1 OSI 7模型和TCP/IP 5层模型

教学内容比较经典，不管是自顶向下或是自底向上，大多教材针对的是OSI7 层参考模型或TCP/IP 5 层参考模型，如图1 所示。讲解各层次的作用及层次间的关系，学习和讲解教材的协议、原理等。

而新的网络技术层出不穷，除经典的网络协议外，教学内容还可以与时俱进，引入新的技术：如应用层的HTML5；IMAP4 替代POS3 的原因；从TCP 到支持并行传输的MP-TCP、QUIC；TCP 拥塞控制算法中，除TCP-RENO 外的TCP-BBR、XCP；从IEEE802.11b 到IEEE802.11az；从传统的路由表选路到软件定义网络（Software Defined Network，SDN）等。这些新技术中，根据学生们的反映，有选择地进行引入，如图2、图3 所示，将SDN 引入课堂，以作相关知识的拓展延伸。此外，对于不同类型的学校（教育部高校、地方高校）等，也要区别对待。一般而言，教育部直属高校更偏向于理论研究；地方院校会偏向于实际工程，例如依据网络分析工具Wireshark 的操作和抓取的数据包介绍协议原理，或者基于Cisco Packet Trace 模拟器进行网络仿真等。

这种“新内容”并非固定，而是根据课程需要而不断变化。由清华大学崔勇教授牵头的“计算机网络开放社区”中，笔者负责组织的拓展内容“新型网络和网络新技术”中，就包含有物联网、工业互联网、命名数据网络、人工智能在网络中的应用、软件定义网络、网络测量等新内容。这些内容以开源和开放的方式共享，在社区中不断更新优化，将促进计算机网络教学内容与时俱进。

Fig.2 Introduction of SDN class图2 SDN课堂介绍

Fig.3 Comparison of traditional architecture and SDN图3 传统架构与SDN比较

2.2 网络教学新方法

除新的教学内容外，新的网络辅助教学工具也层出不穷，特别是新冠疫情下的在线授课，涌现出一批线上资源。结合MOOC、SPOC、腾讯会议、钉钉、ZooM、QQ 课堂、飞书、各种即时通信工具群，线上授课（直播及录播）已经成为教学常态。在目前的后疫情时代，这些网络资源也在发挥着重要的辅助作用。

有了线上资源和在线学习基础，可以逐步开展“线上—线下混合教学”，而关于混合教学、翻转课堂的改革和实施已有相应研究及实施成果。以深入理解软件定义网络为例，陈美娟等利用线上和线下资源，设计一种基于浏览器和本地虚拟机的虚拟型实验项目和基于实体SDN 交换机的实体型实验项目方式，并进行了实施；李志辉等结合翻转课堂开展教学，分为课前自主学习阶段和面授课堂学习阶段。自主学习阶段，教师会按照所发布的学习资源和任务，并将其分为不同的难易程度，并在平台讨论区与学生进行互动。面授课堂学习阶段，教师在平台创建各种类型的课堂活动。李文骞等结合OBE 理念实施了翻转课堂与对分课堂结合的教学活动，将学习成果划分为两个层次，面向普通学生和有能力的学生，并且采用翻转课堂调动学生的自主学习兴趣；孙伟峰等阐述了在线分组的教学方案。后疫情时代，可以将线上学习与线下讨论相结合。在线下加以引导，建议学生线上学习下一步内容，以问题驱动，鼓励学生们提出问题并加以分析，并在线下当场出一些练习题，用相应的知识内容分析解决问题。通过平台（在线学习网站、雨课堂）等查看结果，既作为课堂的平时成绩，又是对学生的自我检验。如图4所示，根据作业统计情况，可以及时了解学生对某个知识点的整体掌握情况，也可查看未作答学生的名单，以及时跟踪学生学习状态。

Fig.4 An example of homework statistics on golden courses platform of Dalian University of Technology图4 大连理工大学金课平台作业统计示例

更重要的是，这种方式可以重点关注“后进学生”，以区别于以往的精英教育：哪些学生不出席、没看视频、答题不正确，可以重点关注和“照顾”，力争实现“一个都不掉队”，促进全员共同进步。文献［11］采用学生分组形式，可以将这种激励方式变成“区域化”激励。

2.3 网络课程中工程实践及课程思政

计算机网络课程同“网络综合实验”课程联合建设，作为计算机网络后续课程，网络综合实验课程团队已搭建出集课堂教学、实践教学、课外辅导功能于一体的多功能教学辅助平台，便于学生课下复习自学，为学生课下主动学习提供方便。建设的网络综合实验室设计了综合型（教学、科研、毕设、实训、竞赛）、一体化（路由交换实验、IPv6实验、存储技术实验、无线实验、综合组网实训、综合布线及系统集成实训）的实验教学环境，在整个东北地区高校乃至全国的软件学院里都是最好的综合型网络实验室之一。

在“三全育人”的政策指引下，课程团队也不忘“课程思政”，将我国计算机网络发展及优势引入课程，如“移动支付”“北斗导航”等内容。在课程思政方面引入北斗卫星导航系统拓展内容如图5所示。

Fig.5 Examples of ideological and political courses图5 思政课程示例

3 面向过程的高效线上教学方案设计

3.1 线上资源线下打通

拟解决传统线下课程中的如下4 个问题：①传统线下课程中考纲与授课课件常年不变，导致授课内容单调且陈旧；②传统线下课程中教师与学生见面有限，导致教师与学生沟通困难；③传统线下课程中学生仅能通过线下课堂获取知识，导致课下预习、复习困难；④传统课堂中学生被动学习，导致学习质量低。

通过线上平台教师的录课视频，实现出题、答题等，增强课堂互动。学生可通过线上平台上提出问题并发起讨论，结合QQ 群、论坛等线上辅助，充分调动学生学习积极性。同时，对重难点等问题，也可通过线上平台（大连理工大学金课平台）上传视频（教师团队的现场录课、线上录课、网上资源等），供学生预习、复习等，如图6所示。

3.2 同源存异

Fig.6 Teaching video of golden courses construction platform of Dalian university of technology图6 大连理工大学金课建设平台授课视频

采用“主干相同”“分支个性化”的方式，教师集体备课，如图7 所示。选择统一的课程内容，作为“母版”教学课件；各位教师根据自己的教学风格在此母版基础上进行取舍，在统一教学目标的前提下突出自己的特色。在课程内容方面，计算机网络在信息化社会中的重要性日益突出，是当今IT 界公认的主流技术之一。教材选择上，课程团队本着“面向国际前沿”、开拓学生国际视野的原则，选择国外经典英文教材作为课程教材。采用双语教学，教师团队都已通过“双语教师认证”。

Fig.7 Lesson preparation process图7 备课过程

3.3 助教工作

该学期中，笔者所教授的计算机网络课程共有204 人选课，分为两个班级，有4 名助教辅助教学，每个班级分配两名助教。助教的任务主要包括3 方面：①日常教学辅助工作，协助授课教师进行作业发布、批改、课下辅导，对班级学习情况进行分析，关注后进生，整体把握班级学习情况；②期末工作，进行课程大作业布置与修改，进行期末监考，期末试卷批改；③助教会根据自己学业的研究方向，结合课程知识点，面向学生开展课程拓展演讲，以帮助学生对课程内容有更深入的理解、思考和拓展。在具体执行过程中，各助教分管小组管理、作业批改、试卷分数核对、学生学情跟踪等工作。

3.4 线上答疑

线上答疑分为两种形式：①课堂答疑形式，每一章节学习任务结束，教师会借助腾讯会议开展线上课堂答疑；②结合大连理工大学金课平台，学生在完成每章的学习任务后，可在平台上的教师答疑讨论区，发布自己的问题描述或截图，教师会进行解答。

4 考核方式改革

课程考核方式为期末考试（闭卷）70%+平时成绩30%。期末考试中，实行“考教分离”，集体出题库、分工负责题目、总体协调。期末考试题型由单选题（20 分）、术语辨析（20 分）、简答题（30 分）与综合题（30 分）4 部分构成，其中单项选择侧重于考察各章节的零碎知识点；术语辨析题主要考察每个章节的关键术语、包括协议/方法/分类等，说明各术语的含义，还要辨别同类术语的异同，考察学生能力的高阶性达成度；简答题的考察点也涵盖各章节，利用计算、陈述、解释说明等形式考察学生对计算机网络中重要知识点的理解。综合题则用于考察计算机网络中的核心知识点，要想在此部分获得高分，学生不仅需要具备完善的计算机网络知识体系结构，还要拥有一定的创新与设计能力。比如，在最近一次综合题中，既有层次之间的端口号、IP 地址、MAC 地址的变化，也有IP 分组、NAT 地址转换、无线/有线MAC 接入方案等，综合了至少3 个层次的知识点。在试卷选题方面，与其他高校的教学团队互相学习交流；在教学实施中，积极使用线上平台和资源。

通过平时作业，对学生的学习状态进行监督，每次课后作业10 分，共4 次，如图8 所示。可以看到，学生平时作业提交率逐步提高，且接近100%，而且平时分数也逐步提高。对于提交作业不及时或者平时作业分数较低的“后进生”，会由助教进行一对一的督促，以提高整体学习成绩。期末成绩中平时成绩占30%，取4 次中的3 次最高分进行记录，平时成绩最高分可达满分30 分，平均分27.72 分。对于平时分低于27.72 的后进生进行跟踪记录，如表1 所示，随机选取9 名后进生的平时成绩和期末成绩记录发现，平时成绩低于平均分的后进生，在期末成绩中也能取得高于整体平均分66.5分的成绩，甚至达到88分。

Fig.8 Daily homework statistics图8 平时作业统计

实践表明，学生能够很好地利用线上资源进行学习，且学生可以适应线下教师的教学方式，对引入的知识有浓厚兴趣。同时，整个年级段的期末成绩呈现正态分布趋势，如图9所示，符合预期期望，及格率达85.3%。

Table 1 Score comparison of underachievers表1 后进生成绩比较

Fig.9 The distribution of final exam scores图9 期末成绩分布

5 结语

本方案引入的线上拓展教学平台得以充分利用，学生运用教学平台踊跃提出问题并回答其他同学提出的问题。并且，引入的课程资源也深受学生们的青睐，平均每个知识点的教学视频有75%的学生观看。从近两年的教学改革方案实施成效可以看出：①通过“分支个性化”教学引入了更多更新的学科前沿内容；②通过频繁的线上教学互动充分调动了学生学习积极性；③通过线上课程资源辅助学生进行课外学习，显著提高了学生的学习质量。后续将继续采用“面向国际、双语教学”、“主干统一、个性分支”、“持续改进、过程考核”的方式。

综上，在物联网、大数据、在线资源丰富、人工智能技术提升的新时代下，从课程新内容、教学新方法和考核新方式上提出了“计算机网络”课程的“三新”探索及实现，这种方案可以平移到其他计算机相关专业课中，具有一定借鉴作用。