面向新工科应用创新型人才培养的计算机网络课程教学改革与实践

关键词：计算机网络；教学改革；新工科；应用创新型人才；教学案例

0 引言

随着社会在新技术、新产业的推动下不断进步，各行业对人才的期望与需求已显著转变，尤其自2017 年教育部发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》[1]以来，传统以教师为主的“灌溉式”课堂教学已不能适应行业的新发展需要。新工科建设的核心在于突出能力培养，特别是跨学科思维和创新意识的培养，体现在解决实际工程问题的能力，特别是处理复杂问题[2]。

计算机网络课程作为网络安全、大数据、人工智能等高校计算机类的专业核心基础课程，其理论和实践性较强。目前我国很多高校计算机网络课程在教学内容和方法、教学实践等方面存在一些问题，导致学生应用和创新能力不足，无法适应新时代各行业对人才的需求[3]，故计算机网络课程教学亟须改革。

1 计算机网络课程教学中存在的问题

1.1 课程内容抽象、繁杂、易混淆，学习难度较大

计算机网络课程涉及网络体系结构、通信系统、地址规划、路由寻址、端到端传输、应用程序通信等内容，其中很多传输过程无法实际看到，比较抽象。同时，部分知识点之间相似，容易混淆，加上该课程涉及的知识点繁多且分散，形成了明显的“碎片化”特征[4]，这导致学生学习难度较大。

1.2 教材内容难以适应行业发展的新变化

由于网络新技术发展迅速，而教材内容限于纸质出版滞后等因素无法及时更新，比如5G、NFV、SDN、宽带智能网等新技术，如果教师一味按照教材内容授课，难以适应行业发展的新变化。

1.3 传统教学方式难以激发学生的学习兴趣

传统以教师讲授、学生被动接受为主的教学模式，加上计算机网络课程知识繁杂、理论抽象，很难激发学生的学习兴趣，长此以往，将导致学生上课打瞌睡、缺勤、厌学等问题。

1.4 实践环节薄弱，学生应用和创新能力不足

计算机网络课程实践主要通过实验体现，而实验往往设计成脱离实际应用的简单验证性实验，比如进行ARP协议验证、进行网络连通性测试等，缺乏对验证性实验进行拓展或引入适当比例的设计性或综合性实验。学生可通过复习知识点加简单配置命令就可以独自完成实验，缺乏挑战性和团队协作，并且实验采用模拟器进行配置，缺乏网络设备实物进行实验，难以培养学生应用和创新能力。

1.5 缺乏完整过程性评价，难以对学生进行个性化指导

传统教学主要关注课中的学习情况，评价主要采用课堂表现、实验报告和期末考试的形式进行，对学生课前、课后的学习过程关注较少，缺乏完整过程性评价体系，难以做到个性化指导，会导致学生采用“背书式”应付考试，难以真正理解和应用知识。

2 课程目标和内容的改革

课程目标在教学内容和教学方式上起着指导作用，如何将专业能力培养需求与课程特性相结合，科学设定课程目标，并确保其与毕业要求观测点相契合，是课程建设的首要环节[5]。在网络强国战略的引领下，与时俱进，紧跟时代和行业发展步伐，以新工科背景下应用创新型人才培养为出发点进行设计，将课程目标设定与毕业要求指标进行关联，真正以学生向社会输出为导向进行课程目标改革。比如引入“了解网络新技术”的课程目标，对应“终身学习：具有终身学习的意识”的毕业要求指标；引入“培养网络思维和工程思维[6]”的课程目标，对应“ 问题分析：具备发掘并解决复杂工程项目问题的能力”的毕业要求指标。

教学除了传授专业知识外，还要对学生进行德育，帮助学生树立正确的世界观、人生观和价值观。计算机网络课程内容要潜移默化地融入思政元素，培养学生“四个自信”，积极思考、创新、工匠精神等品质。比如涉及5G技术，列举华为如何在技术封锁的情况下，自力更生研究5G技术，并取得全球领先的思政案例。比如涉及GPON技术，引入华为发布业界首个商用 50G PON事件，激发学生的民族自豪感，引导学生树立远大职业理想，争取科技报国。

课程内容充分利用网络思维，注重章节之间、知识点之间的关联，参考行业需求及国家软考或华为认证对教学内容进行增删，并适当引入新6UYvDSTy4dFM4VCBKlIvPEs3a/uHKMF2eaEC1VWyITU=技术。课程组将计算机网络内容分为概述、传输媒体、物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层和网络安全共8个章节，具体如图1所示。概述章节除了介绍一些基本概念，还对传输媒体、网络5层体系结构及网络安全进行概要说明。传输媒体章节主要对有线和无线传输媒体进行详细介绍，并适当引入综合布线的知识。中间5章分别对网络体系结构5层进行分层详细阐述，通过封装与解封装过程进行关联，并适当加入新技术，比如无线网络传输部分，加入5G知识。网络安全章节是呼应行业网络安全需求，介绍网络安全的基本知识，让学生掌握基本网络安全技能，并引导学生关注和思考网络安全，激发学生进一步学习的热情。

教学实验对于提高学生实践动手能力有很大帮助。课程组经过充分调研，决定对实验进行3方面改革：一是对于验证性实验，除了让学生验证某几个知识点及相关配置命令外，还加入扩展思考环节，提高学生思考和解决问题的能力，比如在进行ARP协议验证时，加入ARP缓存中记录时间是否越长越好，点对点链路为什么不执行ARP的扩展思考题；二是增加设计或综合性实验；三是增加在实体网络设备上通过console口或telnet进行网络配置的实验。

3 教学设计和方法的改革

为了改变传统教学带来的问题，引入线上线下混合式教学、基于问题或案例驱动教学、分组讨论式教学方法。从注重课堂教学延伸至课前、课中和课后全环节管理。教学设计和方法注重以学生为中心，重点培养学生主动学习、解决问题的能力。比如引入基于BOPPS 的线上线下混合式教学，具体如图2 所示。BOPPPS 基于线下教学模型，分为“导入（B） 、教学目标（O） 、前测（P） 、参与式学习（P） 、后测（P） 、总结（S） ”6个阶段，具有“评价—反馈—改进”的教学闭环[2]。本课程BOPPS教学主要分为课前、课中和课后三个阶段，其中课前主要采用超星平台线上学习的方式进行，课中和课后主要采用线上和线下方式进行。

导入采用基于问题或案例驱动的方式进行，问题和案例的选择注重结合学生日常生活或社会热点新闻，引导学生主动思考，激发学习兴趣。目标主要是让学生清晰知晓本次课学完到底要掌握哪些知识，重难点是什么，其中课中重难点会根据课前学生前测情况进行适当调整。前测主要通过在线测试的方式进行（包括选择、判断、综合题），主要关注学生课前学习的效果，对于前测中得分不高的知识点进行课堂重点讲解，做到有的放矢。总结就是学生主动总结学习到的内容，主要以思维导图的方式进行。参与式学习要求学生主动参与教学过程，通过设置问题、分组讨论、学生上台答辩等方式进行。后测主要关注学生学完后，到底掌握了多少，包括线上和线下测试，线上测试的形式和前测类似，只是难度和深度有所增加，线下测试包括提问、阶段性纸质测试、实验。答疑和反馈通过线上QQ群、超星学习平台或线下进行。

对于繁杂的知识点，主要通过网络思维进行关联，帮助学生理清楚知识脉络。计算机网络各章节之间通过封装和解封装进行关联，每章节内容通过提问、案例等手段进行关联。每章节设计从一个提问开始，引导学生总体把控本章内容，比如物理层提问如何透明传输比特流，数据链路层提问相邻节点之间如何通信，网络层提问不同主机间如何通信，运输层提问不同主机中的进程之间是如何可靠或不可靠地传输数据。设计实际案例将较多零散的知识点进行关联，比如分析从校内外访问学校网站过程的案例，可以将DNS、ARP、路由寻址、二层交换等知识进行关联，有利于提高学生综合利用知识，解决实际问题的能力。采用工程思维设计实验内容，比如设计一个中小型学校或公司的网络，引入宽松的企业需求，给学生较多解决问题的空间，可以综合考查传输媒体和接口的选择、IP地址规划、VLAN、路由协议配置、静态路由、防火墙、WWW或DNS服务器配置、网络新技术等内容。

为了解决网络知识抽象的问题，教学设计引入动画或视频演示及类比方法。动画或视频演示能将各个静态过程有机组合，并动态化，帮助学生理解步骤较多的抽象问题，提高空间想象能力。比如对于网络各层封装和解封装的过程，设计动画进行展示，让学生能清晰知晓整个动态过程。类比方法的核心是用已知的东西去理解未知的知识，帮助学生在已知和未知之间搭建桥梁。比如现在学生网购频繁，对网购过程比较熟悉，对于路由寻址问题，可以类比邮政包裹的传递过程，每个包裹比作IP分组，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），包裹的投递过程类比分组转发过程，其中邮局系统查找路径类比路由器查找转发表。比如讲授串行和并行通信，可以将串行通信比作开车排队经过一个狭窄的小道，一次只允许一辆车通过，而并行通信比作一个宽阔的大道，有多个车道，一次允许多辆车并排通过。

对于相似知识点容易混淆的问题，教学中引入对比教学。对比教学的原理是将多个容易混淆的知识点从多个角度进行比较，以帮助学生更好地理解和掌握相似知识点。比如对于分组交换、报文交换和电路交换，很多学生容易混淆，可以加入对比教学，从数据单位、面向连接、存储转发、优点和缺点方面进行对比，帮助学生理解相关知识点，具体内容如表1所示。

对于设计性实验或开放性问题，设计采用分组讨论和汇报的方式进行。将班级5～7人分为1组，每组设置组长，并按照任务给组员进行明确分工。每组选定选题后，允许经过一段时间搜集资料和学习，最后以小论文的方式进行呈现，并要求各组在指定时间内向全班同学汇报和答辩，由其余同学和老师在给定的指标下评分，最终得出每组成绩。设计分组讨论和汇报是为了提高学生学习的主动性、积极性、团队协作能力和解决问题的能力。

思维导图可以将复杂的信息通过图形化的方式，结构化地展现出来，有利于知识梳理，并清晰表达和分享知识，提升学生思考和总结、归纳能力。计算机网络课程要求学生将总结以思维导图的方式进行呈现，并定期在超星平台进行展现，由教师和学生根据评价指标进行评分，选出优秀的作品进行上课展示，并由此作者进行经验分享。借助这种方式，既可以引导学生进行总结、查漏补缺，也可以分享学习经验，帮助学生掌握知识，提高学习能力。

4 教学评价的改革

传统针对学生的教学评价主要通过课堂表现（20%） 、实验报告（10%） 和期末成绩（70%） 三大模块进行，未能真正对学生整个学习过程进行反馈。本课程采用形成性评价，并通过评价反馈教学，从而改进教学，形成闭环。评价包括对学生课前、课中和课后三阶段进行，具体如表2所示。

在线学习主要根据学生在课前和课后在线学习时长和次数进行折算，由于在线学习平台采用超星，有较好的防作弊手段，能较大程度保证学生平时进行真正学习，将课堂延伸到课外。课堂表现由任课教师根据学生上课专注度和活跃度进行评分，特别关注学生上课打瞌睡、私下聊天、做与本课程无关事情等减分情况。考勤通过学习通在线签到和课堂线下点名相结合，根据学生总到课率进行考核，其间剔除学生由于生病、因别的重要事情冲突等办理了正规请假的情况。实验主要根据学生实验过程（20%） 、实验报告（60%） 和扩展思考（20%） 进行评分。前测关注学生课前参与学习的情况，主要关注测试结果。阶段性测试和期末测试主要关注学生课中、课后的学习情况。整个考核指标覆盖课前、课中、课后全学习过程，能较好地完成形成性评价。

5 课程建设成效

本课程改革始于2021年，其间进行了4轮教学实践，形成了完善的教学大纲、教案、课件、实验报告、超星在线学习平台、题库、案例、总结报告、QQ交流群等教学资源。第4轮结束后，学生的上课表现、测试成绩、调查满意度等指标都有所上升。比如未改革前，课堂气氛比较沉闷消极，甚至有打瞌睡的情况，改革后，学生上课积极性高（课堂氛围活跃、前排出现抢座的现象、在分组讨论中能大胆提出想法），在设计性实验或开放性问题中能积极查阅资料解决问题。比如考试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。通过在QQ群或超星平台多次发放课堂满意度调查问卷统计发现，学生普遍表示改革后该课程能较好地激发学习兴趣，能切实学到有用知识，不懂的问题可以通过超星平台、线下等多种方式得到及时解答，对老师评分普遍在96分以上。同时，从测试中的简答或论述题分析，学生普遍会加入理解和经验进行答题，能举一些实际案例进行论证，而不是未改革前的“照本宣科”。

6 结束语

在新工科背景下，如何有效地对计算机网络课程进行改革，以满足应用创新型人才培养的需求是一个需要长期探索的课题，本文从计算机网络课堂现状出发，对课程目标和内容、教学设计和方法、教学评价3 方面进行改革，并在实践教学中取到了良好效果，学生主动性、解决问题的能力均有较大提升。后期课程组将探索建立知识图谱、引入“AI+教育”等方式进一步深化计算机网络课程建设。