李　巍　李云春　夏春和

摘要:本文研究面向研究生的計算機網絡課程體系,包括教學內容和教學方法等。在計算機網絡課程的教學實踐中,以專題研究組織教學內容,將教學活動分解為相輔相成的三個環(huán)節(jié):授課和閱讀,課程設計,以及研討環(huán)節(jié)。同時,將理論性教學和實踐性教學有機結合。教學實踐表明,將科研素養(yǎng)的培養(yǎng)融合在課程教學過程中,有助于培養(yǎng)學生在計算機網絡領域的研究和創(chuàng)新能力。

關鍵詞:計算機網絡;課程體系;教學研究

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1引言

計算機網絡是一個發(fā)展迅速的學科,主流的網絡技術在不斷更新?lián)Q代,從早期的Novell網、FDDI、ATM、高速以太網到目前的Internet、無線網絡、光網絡等,不僅網絡技術在發(fā)展,應用場景不斷豐富和多樣化,同時也不斷面臨新的問題和挑戰(zhàn)。大量的研究成果和技術產品以及跨學科的特點使得該領域的內容非常龐雜,這對計算機網絡課程教學帶來很大挑戰(zhàn)。同時,計算機網絡是計算機技術和通信技術相結合的學科領域,隨著網絡覆蓋范圍和應用領域的迅速擴展,計算機網絡已經成為工作和科研中的重要基礎設施之一。

目前,國內外知名高校的研究生計算機網絡課程一般分兩類,一類是核心課程,按照傳統(tǒng)的分層體系結構組織;一類是選修課程,主要是前沿技術的專題講座,由從事相關研究工作人員組織論文討論。作為核心課程的研究生計算機網絡課,在深度和廣度上比本科的計算機網絡課程有很大提高。

本科教學強調基礎知識的完整性和系統(tǒng)性,而研究生教育側重于研究方法的學習和科研能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的以教材為核心的教學方式已經不能適應研究生課程教學的需求,而單純以學科前沿研究組織教學內容會使知識體系不連貫。因此,研究生的計算機網絡課程教學需要基礎理論和前沿研究并重,以適應計算機網絡技術的飛速發(fā)展和研究型人才培養(yǎng)的需求。

本論文研究面向研究生的計算機網絡課程體系,包括教學內容和教學方式等。提出以專題研究組織教學內容,將教學活動分解為相輔相成的三個環(huán)節(jié):授課和閱讀、課程設計、研討。將理論性教學和實踐性教學有機結合,使學生真正掌握和理解理論知識,并進一步培養(yǎng)學生刻苦鉆研、勤于探索、勇于創(chuàng)新的科研精神。

2理論框架和專題相結合的課程內容體系結構

計算機網絡技術具有學科交叉和多樣性的特點。深入理解計算機網絡體系結構的基礎框架有助于學生掌握計算機網絡的前沿研究的關鍵技術。因此,課程采用系統(tǒng)的理論框架和專題相結合的教學內容體系結構。

面向專題是指在以若干專題為主線,組合教學內容展開教學的方法。計算機網絡技術更新迅速,研究熱點不斷變化,具有專題性的特點。如果拘泥于教材往往造成教學內容和技術發(fā)展現(xiàn)狀脫節(jié)。另一方面,網絡技術發(fā)展的過程仍遵循分層體系結構的框架,深入理解計算機網絡體系結構有助于學生把握技術發(fā)展的脈絡,理解和掌握計算機網絡的前沿研究和關鍵技術。

因此,在課程內容體系上,我們仍采用傳統(tǒng)的分層體系結構組織教學內容。但在每一層的內容組織上,包括基礎理論和專題兩部分。首先簡要回顧基礎知識,通過梳理系統(tǒng)的理論框架,引導不同本科專業(yè)背景的研究生自主修補基礎知識、拾遺補缺。然后根據當前的研究熱點精選若干研究專題,通過選擇一些高質量的有代表性的學術論文進行深入分析,包括結構、模型、關鍵協(xié)議和算法分析等。這樣,一方面兼顧本科非計算機專業(yè)的學生盡快系統(tǒng)了解基礎知識要點,突出計算機網絡分層體系結構的特點,同時,通過專題突出重點的教學內容,以點帶面,使學生掌握計算機網絡領域的研究方向和研究方法。

課程內容體系分為五部分。

(1) 計算機網絡體系結構概述,主要回顧計算機網絡的基本知識,應用范圍和研究熱點,強化分層體系結構的概念。研究專題:Internet的體系結構設計;端到端的設計思想。

(2) 高速數字接入技術和數據傳輸(物理層和數據鏈路層),教學目標:回顧網絡物理層傳輸的多樣化的特點,使學生理解點到點鏈路、廣播鏈路、交換鏈路的鏈路層協(xié)議設計要點、協(xié)議和關鍵算法。研究專題為介質訪問控制層協(xié)議分析:CSMA/CD和CSMA/CA。

(3) 分組交換和網絡互連(網絡層),教學目標:使學生理解網絡層協(xié)議的設計方法,以Internet網絡路由協(xié)議為實例,理解單播、組播和任意播路由算法的原理和特點等。研究專題:Internet上的路由技術(單播,多播,任意播,無線路由)。

(4) 網絡資源管理(網絡層和傳輸層),教學目標:通過分析網絡環(huán)境和應用的需求特點,使學生理解資源管理的方法和研究方向,掌握面向應用的傳輸層協(xié)議的設計方法和關鍵算法,掌握TCP協(xié)議中擁塞控制的方法及關鍵算法,理解服務質量保障的主要方法。研究專題:擁塞控制機制分析,服務質量保障機制。

(5) 應用層網絡,教學目標:使學生掌握應用層覆蓋網絡和P2P模型的原理和關鍵算法,理解網絡安全的相關研究熱點,理解跨Internet網絡的測量和管理方法面臨的問題及最新研究方向。研究專題:網絡安全和網絡管理。

3三個環(huán)節(jié)相結合的教學模式

在教學方法方面,采用“三個環(huán)節(jié)”教學模式,即授課和閱讀環(huán)節(jié)、課程設計環(huán)節(jié)以及研討環(huán)節(jié),探索從傳授型課程向研究型課程轉變的有效途徑,使研究生從被動接受知識變?yōu)橹鲃訉W習和靈活運用知識,通過課程教學加強對研究生科研能力的訓練和培養(yǎng)。

(1) 授課和閱讀環(huán)節(jié)

這是整個教學活動的基礎。在授課過程中,一方面從整體把握課程的知識體系和研究熱點,強調知識體系內在的聯(lián)系,另一方面,專題選擇應具有開放性的特點,使得研究生經過各個專題的學習后,能夠自主選擇自己感興趣的研究領域,提出課程設計的選題,完成后續(xù)課程設計環(huán)節(jié)的任務。

論文閱讀的安排穿插在教學過程中。根據當前的研究熱點和需要解決的技術難點確定若干問題,選擇一些高質量的有代表性的學術論文進行深入分析。學生根據教師提供的參考論文,完成論文評述報告。教師在教學過程中安排課堂交流和討論。通過這種方式促進師生互動,一方面了解學生的學習過程,同時有助于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

(2) 課程設計環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是在教師給定的專題框架下,使學生自主選擇自己感興趣的研究課題,完成課程設計。該環(huán)節(jié)強調對學生主動學習能力以及科研能力的培養(yǎng),使研究生在完成課程設計的過程中,理論聯(lián)系實際、獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題并尋求解決問題的科學方法。

課程設計的類型可以選擇網絡實驗課程體系中的自主設計型實驗或者研究型創(chuàng)新實驗類型,也可以是基于網絡模擬平臺的仿真研究等,以便使不同基礎的學生都能有適合的選擇。課程設計和授課環(huán)節(jié)有一定并行期,便于學生盡早開展研究工作。授課階段結束后,學生在給定時間內繼續(xù)完成課程設計的研究工作。

(3) 研討環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)是對教學過程的重要補充,強調師生的共同參與。由于在前期授課階段側重于各個知識點之間的區(qū)別和特性,通過組織分組討論和交流,能夠很好體現(xiàn)它們之間的關聯(lián)性和共性,便于學生在討論中進行知識融合。在討論過程中,還可以發(fā)現(xiàn)學生基礎知識方面的欠缺,及時進行彌補。另一方面,學生在完成課程設計過程中,有很多創(chuàng)新的思路,通過討論有助于相互交流研究方法和經驗。

研討環(huán)節(jié)采用小組互評和教師點評相結合的方式,即在同一專題的討論中,教師選擇研究工作有特色的小組進行匯報,其他組為評價組,進行提問和研討。這樣,在分組討論中調動每個學生的積極性,收到了較好的效果。在討論過程中,教師要及時進行歸納和總結,使討論不斷深化,同時,還需要控制討論時間,按計劃完成討論課的教學階段。

在考核方面,我們根據教學要求將考核成績分成三部分:平時作業(yè)、課程設計和筆試。其中平時作業(yè)督促和檢查學生完成基本學習任務的情況,課程設計考察學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力,筆試側重于考核學生對基本理論的掌握情況。通過這種考核方法能夠較全面反映學生的學習情況,同時也有利于學習過程的管理。

4課程設計的教學分析

以面向計算機學院研究生開設的“高等計算機網絡”教學中的課程設計為例,我們進行了幾輪教學周期的探索。

第一階段是教學改革的初始階段,側重于在原有教材的基礎上拓寬教學內容的廣度。在課程教學中,專題內容覆蓋面較寬,針對計算機網絡體系結構的每一層中給出相關的研究論文,包括經典的研究論文和前沿研究的最新成果,作為學生課后閱讀的資料。

從學生完成課程設計的情況看(如圖1所示),學生在課程設計中的選題相對集中,例如,選擇專題三的學生占35%,但普遍缺乏自主研究的內容。這是由于有相當數量的學生并沒有真正理解課程設計的要求和研究專題的內涵,沒有主動對前沿研究成果進行進一步檢索和跟蹤,反映出研究方法和研究能力上的不足。

第二階段:在第一輪教學的基礎上適當縮小內容的覆蓋面,并強化深度。在教學大綱的框架下,對教學內容重點進行了調整,側重當前活躍的研究領域,突出重點的專題,對一些內涵豐富的專題進行細分。在課程設計選題中,增加了和學生科研工作相關的自選課題。從課程設計完成情況看(如圖2所示),學生的自選課題很有新意,能夠靈活運用所學知識解決實際問題。但有的專題選擇的學生較少,表明大多數同學不熟悉該專題,在教學過程中需要強化這方面的內容。

第三階段:深度和廣度的進一步調整:在專題選擇上,將基礎知識與前沿研究有機結合,一方面突出前沿研究領域,進一步加強對前沿研究的跟蹤,同時,也強調對基礎問題的解決方法的理解。在閱讀論文方面,每個專題都選擇一些有代表性的基礎論文和前沿研究論文。同時,加強過程管理。在教學過程中,穿插論文閱讀和討論,對學生的論文閱讀進行分析和點評,并對學生的研究興趣進行反饋。

從課程設計的完成情況看(如圖3所示),學生對當前的技術熱點更感興趣,對前沿研究進行跟蹤,有新穎性。同時,分析和解決問題的能力有所增強,研究工作的自主性大大提高。但有一個基礎性的專題沒有學生選擇,這需要在今后的教學中進一步探索如何引導學生興趣和教學目標的協(xié)調。通過上述課程設計完成情況的深入分析,可以看到,加強授課過程中的研究性和自主性學習,拓寬知識面,有助于提高學生的研究和創(chuàng)新能力。

5結束語

研究和教學實踐表明,將科學研究方法和研究能力的培養(yǎng)融合在課程教學過程中,有助于培養(yǎng)學生的科研和創(chuàng)新能力。今后我們將在以下方面繼續(xù)開展深入的工作:進一步梳理本課程的基礎理論和前沿研究的關系,豐富和完善課程的基礎理論體系。強化課程設計中的實踐環(huán)節(jié)和后續(xù)網絡實驗課程的銜接,使學生掌握基于網絡模擬平臺的研究方法和基于網絡實驗床的研究方法。另一方面,在目前“三個環(huán)節(jié)”教學方法的基礎上,優(yōu)化教學過程管理,合理安排各個環(huán)節(jié)的相互關聯(lián),同時,采用教學輔助系統(tǒng)有效管理教學的全過程。

參考文獻:

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Research and Practice of Computer Networks Curriculum Teaching for Graduated Students

LI Wei, LI Yun-chun, XIA Chun-he

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083)

Abstract: This paper works on research of computer networks curriculum architecture for graduated students, including course contents and teaching methods. According to the teaching practice, a subject-oriented organizing method of computer networks course contents is presented, and the teaching activity is divided into three stages, including teaching & reading, course projects and discussion. We also explore the method of the organic integration of theoretical teaching and practical teaching. Teaching practice shows that the cultivation of scientific literacy integrated in the curriculum process can help to improve the research and innovation capabilities of graduated students in the field of computer networks.

Key words: computer networks; curriculum architecture; teaching research