計算機網絡課程研究性教學實踐探析

鄭瑞娟 孫士保 朱軍龍 劉銘 劉牧華

摘要：依據計算機網絡課程人才培養目標，重構教學內容并形成多維知識地圖，構建“Ⅵ級迭代”研究性教學模式，基于課程設定的“點-線-面”式研討任務脈絡和開放式的教學資源體系，發布揭榜掛帥任務，逐層設定實驗實戰，自主科研成果融入等多種方式層層遞進，培養學生科研思維和創新能力，發揮課程在研究性教學育人中的引領示范作用。

關鍵詞：計算機網絡；教學改革；科研融入；課程思政；研究性教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0088-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

1 課程建設基礎

計算機網絡課程總64學時，其中理論學時56，實驗學時8，是計算機科學與技術/物聯網工程全日制本科二年級學生、軟件工程專業全日制本科三年級學生的專業核心基礎課程。計算機網絡課程現為第二批國家級一流本科課程、河南省線上線下混合式一流本科課程，河南省線上一流本科課程、河南省課程思政樣板課程、河南省精品在線開放課程。

2019年3月，計算機網絡課程上線超星泛雅在線開放課程平臺（https：//mooc1.chaoxing.com/course/205895648.html） ，目前在超星平臺選課2 688人，頁面瀏覽量5 583 014次；2019年4月，課程上線嗶哩嗶哩（https：//www.bilibili.com/ video/BV1K4411t7jp/） ，目前播放15.4萬次、收藏4814次、轉發883次、彈幕數2 469個；2019年底，課程上線學堂在線（https：//www.xuetangx.com/course/haust08091001998/4231347） ，課程的整體質量受到廣泛認可，目前社會選課人數達到8 790人，課程活躍度超過96.35%的課程，學員遍布全國所有?。ㄗ灾螀^），此外，美國、日本、韓國、英國、葡萄牙、烏克蘭具有學員選課，中原工學院、河北建筑工程學院和甘肅省理工中等專業學校3所學校共493人采用本課程作為線上資源開展了SPOC教學；2021年9月，課程上線中國大學慕課網（https：//www.icourse163.org/course/HAUST-1462095177） ，目前選課人數3 774人；2022年初，課程被推薦登錄國家高等教育智慧教育平臺（https：//higher.smartedu.cn/course/62f2e0ea1fdc0303f43a8195） 。

基于學堂在線、中國大學慕課網、超星泛雅、雨課堂等平臺，計算機網絡課程依據“先進性、綜合性、開放性、研究性”的建設要求，在課程體系、教學資源、課程思政和教學方法上進行了改革創新。課程內容曾獲第二屆全國高校教育教學創新大賽三等獎、河南省課堂創新大賽特等獎、全國教師教育教學信息化交流二等獎、河南省線上教學優秀課程一等獎、河南省教學技能競賽一等獎、河南省教育教學信息化交流一等獎。

2 研究性建設內容與措施

2.1 建設目標

在網絡強國[1-2]的戰略指引下，計算機網絡課程依托河南科技大學工科特色突出的優勢，秉承本專業“厚基礎、寬口徑、重實踐、求創新”的人才培養目標，針對新時代大學生“個性化學習、我的課堂我做主”的學習需求，課程以Internet體系結構和協議原理為知識載體，有機融合家國情懷和科學實踐精神，以知識傳授與培養社會主義核心價值觀相結合的原則，構建系統的課程思政體系，實現網絡知識、科學實踐、價值素養三位一體的課程目標[3-4] 。

1） 知識：領會網絡體系結構、網絡工作機制、各類協議的本質內涵及未來網絡技術原理知識。

2） 能力：應用網絡設計手段，構建網絡拓撲、開發網絡系統及應用軟件；運用科學方法分析協議內涵，評價協議性能，評判網絡設計過程中可能遇到的問題并給出解決思路。

3） 素養：培養學思結合，知行統一，具備踏實嚴謹、耐心專注、吃苦耐勞等優秀品質，具有計算機網絡技術專業技能、職業道德、職業意識，具備“精益求精，追求卓越”的工匠精神[5]、有溫度有情懷有技術的網絡人才。

2.2 基本要求

本課程是計算機科學與技術、軟件工程、物聯網工程學科平臺必修課和主干課，在專業教學計劃中占有重要地位，可以作為其他相關專業的選修課。本課程旨在繼高級語言程序設計等課程后，引導學生認識網絡體系及其協議，培養其工程知識應用、問題分析、解決方案、網絡架構研究等專業基本能力[6-7]。給學生提供參與設計復雜網絡系統的機會，培養其工程意識和科研能力。

挖掘思政要素，將中原文化[8]“兼容眾善、合而成體”的特征應用于課程思政實踐，形成“融中原文武國風古韻，育德智雙修網絡新才”的課程思政脈絡。

2.3 研討內容設計

1） 重構教學內容，形成多維知識地圖

針對課程知識點多、雜、散等特點，梳理了知識體系的脈絡及知識點之間的內部耦合關系，重點圍繞互聯網的核心知識點，從概念、原理、應用、安全四個維度重構課程內容，形成“網絡概述-網絡體系-新型網絡-網絡安全”計算機網絡知識地圖，體系脈絡更加清晰、組織結構更加合理，如圖1所示。

2） 圍繞知識地圖，搭建“點-線-面”式研討任務脈絡

以網絡的體系結構為核心，緊緊圍繞“網絡概述-網絡體系-新型網絡-網絡安全”知識地圖，將網絡概述、新型網絡和網絡安全內容融入網絡體系的內容和研討任務體系，按照“基礎-指導-衍生-反饋-優化-推動”的內容耦合關系重組計算機網絡的“大網絡體系結構”研討任務，從門派討論話題、揭榜掛帥任務、個性探究展示、科研前沿技術、實驗實戰練兵、課程綜合設計6個層面設定了涵蓋核心網絡原理知識點的原理驗證（點）、特定工作層次傳輸方式的模式探究（線）、新型網絡技術的優化辨析和綜合網絡應用的仿真傳輸（面）在內的研討任務脈絡。如圖2所示。

2.4 教學方法與策略

基于課程設定的“點-線-面”式研討任務脈絡和開放式的教學資源體系，計算機網絡課程在教學實踐中，形成了課程教師、出師學長、企業導師、競賽教練組建形成的“網絡武林盟主團”。通過“盟主”引領，注重引導學生面向實際應用需求和新型網絡技術發展趨勢，將課程組的科研研究成果引入教學過程，在原理課堂、PBL話題、揭榜掛帥、實驗實戰、個性化展示、科研成果融入等多個教學環節中，通過“門派”協作、探究、PK的方式去發現問題、辨析原理、制定方案、實現算法或完成設計，在部分章節中嘗試教學與科研的深度融合，據此形成“Ⅵ級迭代”研究性教學模式，如圖3所示。

1） 發布揭榜掛帥任務，碰撞網絡科研火花

計算機網絡課程要求學生在領會各類協議的本質內涵的基礎上，能夠運用科學方法分析協議內涵、評價協議性能。在相關協議工作原理的基礎上，鼓勵學生嘗試通過編程實現協議的核心工作過程，或抓取網絡轉發中的各層數據單元，對其首部控制、地址字段進行分析和解釋。據此，課程組發布了7個揭榜掛帥任務，學生以門派為單位自愿揭榜，完成對應的編程、抓包、分析和解釋過程，并能夠對不同實現方法帶來的不同性能、可能存在的邊界問題以及改進的必要性在門派之內進行探討、在門派之間進行分享，碰撞出網絡協議及其改進方向的科研火花。

2） 逐層設定實驗實戰，增強行業應用能力

計算機網絡對應數據鏈路層、網絡層、運輸層和應用層設置了4個具有較強綜合性和設計性的實驗項目。內容基于具有完全自主知識產權的國產化的網絡設備，可使用華為公司的企業網絡仿真平臺eNSP完成，也可以在真實的華為網絡設備上完成，具有較高的靈活性。虛擬局域網配置實驗使學生能夠領會當前流行的局域網連接方式及工作模式，并完成配置和分析；靜態路由配置實驗使學生理解路由器的工作原理的同時，能夠根據應用場景進行路由表生成方式的對比與選擇；TCP協議分析實驗使學生對所學的協議理論進行直觀的對比分析，能夠對網絡協議的工作過程給出可能的改進思路；Web服務器配置與HTTP分析實驗使學生能夠面對網絡應用，對應用過程中存在的協議問題進行分析、實現，并能夠利用保留字段嘗試優化應用。實驗中采用國產化網絡設備——華為企業網絡仿真平臺eNSP，培養學生的自主知識產權意識，增強學生的技術自信和民族文化自信。

3） 自主科研成果融入，聚合科研與教學良性互動

課程組負責人鄭瑞娟教授為河南省高?？萍紕撔聢F隊——未來互聯網技術的團隊帶頭人，課程組多數教師為該團隊成員。團隊在移動云與物聯網、下一代互聯網方向上，形成了鮮明的研究特色和技術優勢，并在學術理論和應用技術上取得了一系列突破性進展。將團隊研究成果中的理論創新和技術突破與對應的課程內容有機融合，如網絡體系結構引入ICN和NDN、碼分復用技術延展到5G技術、分組轉發算法拓展了SDN和移動自組網進展、路由算法結合生物啟發原理引出智慧路由思想、網絡安全補充了多網并行的網絡安全模型、新型網絡則從云平臺可信管理/物聯網綜合安全/邊緣計算多維協同機制幾個方面引導學生的科研思維和創新能力。

3 特色創新

3.1 重構知識地圖，構建“點-線-面”式研討任務脈絡

將網絡概述、新型網絡和網絡安全內容融入網絡體系的內容和研討任務體系，按照“基礎-指導-衍生-反饋-優化-推動”的內容耦合關系重組計算機網絡的“大網絡體系結構”研討任務，從門派討論話題、揭榜掛帥任務、個性探究展示、科研前沿技術、實驗實戰練兵、課程綜合設計6個層面設定了涵蓋核心網絡原理知識點的原理驗證（點）、特定工作層次傳輸方式的模式探究（線）、新型網絡技術的優化辨析和綜合網絡應用的仿真傳輸（面）在內的研討任務脈絡。

3.2 依托網絡武林盟主團，形成“Ⅵ級迭代”研究性教學模式

形成課程教師、出師學長、企業導師、競賽教練組建形成的“網絡武林盟主團”。通過“盟主”引領，注重引導學生面向實際應用需求和新型網絡技術發展趨勢，將課程組的科研研究成果引入教學過程，在原理課堂、PBL話題、揭榜掛帥、實驗實戰、個性化展示、科研成果融入等多個教學環節中，通過“門派”協作、探究、PK的方式去發現問題、辨析原理、制定方案、實現算法或完成設計，在部分章節中嘗試教學與科研的深度融合，形成“Ⅵ級迭代”研究性教學模式。

3.3 發布揭榜掛帥任務，碰撞網絡技術科研火花

鼓勵學生嘗試通過編程實現協議的核心工作過程，或抓取網絡轉發中的各層數據單元，對其首部控制、地址字段進行分析和解釋。據此，課程組發布了7個揭榜掛帥任務，學生以門派為單位自愿揭榜，完成對應的編程、抓包、分析和解釋過程，并能夠對不同實現方法帶來的不同性能、可能存在的邊界問題等在門派之內進行探討、在門派之間進行分享，碰撞網絡協議及改進方向的科研火花。

3.4 自主科研成果融入，聚合科研與教學良性互動

依托課程組在移動云與物聯網、下一代互聯網方向上所形成的鮮明研究特色和技術優勢，將學術理論和應用技術的一系列突破性進展與對應的課程內容有機融合，如網絡體系結構引入ICN和NDN、碼分復用技術延展到5G技術、分組轉發算法拓展了SDN和移動自組網進展、路由算法結合生物啟發原理引出智慧路由思想、網絡安全補充了體系多網并行的網絡安全模型、新型網絡從云平臺可信管理/物聯網綜合安全/邊緣計算多維協同機制方面引導學生的科研思維和創新能力。

4 結論

計算機網絡課程通過研究性教學改革與創新，打造一支教學與科研深度融合的教學團隊，形成較完備的計算機網絡研究性教學資源庫和應用案例庫，為培養學生批判性思維、科研創新和實踐能力提供有力的知識、工程和科研經驗支撐，發揮課程在研究性教學育人中的引領示范作用。

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【通聯編輯：王力】