阿喜達

（內(nèi)蒙古科技大學包頭師范學院 信息科學與技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引 言

計算機網(wǎng)絡原理是高等學校計算機相關(guān)專業(yè)的核心基礎課程，也是其他計算機網(wǎng)絡相關(guān)課程的前導課程。該課程的教學目標是使學生能夠?qū)W習和掌握計算機網(wǎng)絡的基本概念、原理、方法和具體實現(xiàn)技術(shù)等基礎知識[1]。因課程內(nèi)容抽象、理論性強、協(xié)議繁多和算法復雜，導致學生對課程內(nèi)容不容易理解、學習主動性差；教師組織教學困難、實驗成本高、實驗效果差；課程整體教學目標很難達到。

1 相關(guān)研究

隨著計算機網(wǎng)絡硬件設備的不斷升級，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)已成為國民的生活方式，但是無論計算機網(wǎng)絡原理課程內(nèi)容還是教學目標都與社會需求和技術(shù)現(xiàn)狀嚴重脫節(jié)，計算機網(wǎng)絡原理教學改革勢在必行。計算機網(wǎng)絡原理課程教學改革成為廣大教學工作者的研究熱點。

文獻[1]分析了計算機網(wǎng)絡原理課程“自頂向下”和“自底向上”兩種經(jīng)典的教學模式，并詳細闡述了該課程的教學模式改革實踐。文獻[2]針對計算機網(wǎng)絡技術(shù)在不同專業(yè)領(lǐng)域的應用需求，分析了計算機網(wǎng)絡課程和專業(yè)課程之間的聯(lián)系，探討了計算機網(wǎng)絡課程針對不同專業(yè)的差別化教學，提出了兩級N 類教學模式。文獻[3]提出了以企業(yè)的需求為導向，采用以問題為導向加強學生的綜合實驗能力的培養(yǎng)。文獻[4]對計算機網(wǎng)絡原理課程實驗教學過程中存在的問題進行了總結(jié)，并且對實驗教學進行實驗內(nèi)容、實驗教學方式與實驗考核方式的改革探究與實踐。文獻[5]分析了學生畢業(yè)以后可能從事的工作崗位所需的與計算機網(wǎng)絡有關(guān)的知識或技能，據(jù)此對教學內(nèi)容、教學過程以及教學方式進行了重新設計，最后在課程實施過程中收集教學改革的績效反饋并不斷改進教學。文獻[6]針對計算機網(wǎng)絡原理課程項目偏少、實驗設備利用率不高等問題，提出了更新實驗教學內(nèi)容并借助教學管理平臺向?qū)W生提供遠程實驗方式，提高了學生學習的主動性和積極性，提升了教學效果。文獻[7]以深度學習和混合學習相關(guān)理論為指導，設計了基于深度學習的計算機網(wǎng)絡原理課程混合教學方式，通過分析學生就業(yè)后工作的主要內(nèi)容倒推教學內(nèi)容并重新組織知識點，構(gòu)建了基于翻轉(zhuǎn)課堂的計算機網(wǎng)絡原理課程教學模型。

從上述相關(guān)研究看出，很多教學工作者對計算機網(wǎng)絡原理課程進行了教學改革的探究。以上研究成果主要包括教學模式改革、教學方法改革、教學內(nèi)容改革、實驗方式改革和評價體系改革等方面。同時，教學效率和學習效果上得到了很大提升，但是實驗費時、成本高、設備數(shù)量不足、算法驗證困難仍是亟待解決的問題。

2 計算機網(wǎng)絡原理課程教學中存在的問題及原因分析

計算機網(wǎng)絡原理是現(xiàn)代計算機科學領(lǐng)域的一門核心主干課程，是計算機及相關(guān)專業(yè)必修的專業(yè)基礎課程之一，其課程內(nèi)容涵蓋計算機技術(shù)與通信技術(shù)兩個學科，包括計算機網(wǎng)絡的基本概念及數(shù)據(jù)通信的基本原理、網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、Internet 等。該課程具有概念抽象、協(xié)議多、實操性強、技術(shù)更新快等特點，學生學習難度大，教師組織教學困難。

以內(nèi)蒙古科技大學包頭師范學院為例，該課程采用理論教學和上機實驗相結(jié)合的教學模式。雖然很多上機實驗課時在總課時中的占比提高了，但是仍然延續(xù)著實驗教學過于依賴機房的硬軟件條件，從而導致以下問題。

（1）組織實驗耗時長。傳統(tǒng)的機房環(huán)境下，實施任何一次計算機網(wǎng)絡實驗需進行布線、交換機配置、節(jié)點IP 配置、網(wǎng)絡測試等基本環(huán)節(jié)。只要實驗內(nèi)容或測試角度稍有變化，需重復以上步驟。實驗費時費力，效率極低。

（2）設備數(shù)量不足。因為每一項計算機網(wǎng)絡實驗都需要多個各類節(jié)點組成拓撲結(jié)構(gòu)才能進行測試，所以各小組同時進行各自的實驗時，設備數(shù)量不足。

（3）設備型號單一，難以滿足異構(gòu)型網(wǎng)絡實驗需求。為了降低維護和管理成本，學校采購的實驗設備品牌型號統(tǒng)一，缺乏多樣性，從而導致滿足不了異構(gòu)型網(wǎng)絡實驗的需求。

（4）實驗成本高。計算機網(wǎng)絡技術(shù)更新快，普通教學機房硬件條件下，很難測試最新技術(shù)的性能指標。但是僅僅為了某個計算機網(wǎng)絡技術(shù)或原理，采購昂貴的設備，不符合學校客觀條件。有些高校為了降低成本，采用C/S 模式的模擬仿真網(wǎng)絡實驗室。雖然一定程度上降低了硬件設備成本，但是高配置服務器的日常維護成本也提高了。

（5）算法驗證困難。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡實驗室環(huán)境下，通過ping、tracert 等操作系統(tǒng)自帶系統(tǒng)工具或Wireshark 等抓包工具達到觀測演示性實驗還是比較好實現(xiàn)，但是執(zhí)行需要更改參數(shù)（如丟包率）的驗證性實驗時，此類工具軟件明顯力不從心。

通過對內(nèi)蒙古科技大學包頭師范學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)已修完該課程的學生問卷調(diào)查（調(diào)查人生100 人，涵蓋兩屆學生）發(fā)現(xiàn)，從學生角度，主要有以下因素導致教學效果不理想：內(nèi)容抽象、算法復雜、協(xié)議繁多、實驗課時少、缺乏基礎知識、自身投入時間少等，如圖1 所示。通過對任課老師進行訪談，了解到影響教學效果的主要因素有算法實驗驗證難度大、實驗費時、實驗成本高、實驗設備數(shù)量不足、激發(fā)學生的學習熱情困難等，如圖2 所示。

圖1 計算機網(wǎng)絡原理課程難度調(diào)查（學生角度）

圖2 計算機網(wǎng)絡原理課程難度調(diào)查（教師角度）

3 基于網(wǎng)絡仿真軟件的教學改革

解決計算機網(wǎng)絡課程教學中存在的問題的方法是利用網(wǎng)絡仿真技術(shù)。網(wǎng)絡仿真是一種利用數(shù)學建模和統(tǒng)計分析的方法模擬網(wǎng)絡行為，通過建立虛擬的網(wǎng)絡設備和網(wǎng)絡鏈路模型，實現(xiàn)模擬真實的物理網(wǎng)絡環(huán)境，以低成本高效率地達到設計、測試、優(yōu)化網(wǎng)絡以及教學目的。

3.1 網(wǎng)絡仿真軟件

市面上的網(wǎng)絡仿真軟件是五花八門，應用需求不同可選擇不同的網(wǎng)絡仿真軟件。主流網(wǎng)絡仿真軟件對比見表1。對比結(jié)果而看，OMNeT++更能滿足計算機網(wǎng)絡原理課程改革需求。

3.2 教學目標改革

網(wǎng)絡仿真軟件和傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡實驗不是對立的，彼此相依卻無法相互包容或代替。基于計算機網(wǎng)絡仿真軟件的計算機網(wǎng)絡原理課程可以不局限于時間空間，更合理地定位教學目標。例如，因硬軟件環(huán)境有限而只能定位在“理解”或“了解”層面的教學目標現(xiàn)可以提升到“掌握”層面。教學改革前后教學目標對比見表2。

在表2 中，根據(jù)計算機仿真軟件功能模塊，適當調(diào)高相應的教學目標。例如，因?qū)嶋H應用少和實驗要求底層結(jié)構(gòu)調(diào)整繁瑣，傳統(tǒng)教學中IPv6部分[8]的教學目標定位在“理解”層面；但是基于OMNeT++仿真軟件教學時，這部分的教學目標定位在“掌握”層面。隨著教學目標的提高，對學生知識點掌握程度也提高。為了達到預期教學目標，對教學過程進行必要的調(diào)整。

表1 主流網(wǎng)絡仿真軟件對比

表2 教學改革前后教學目標對比（√：前 ○：后）

3.3 教學方式改革

（1）靈活安排教學順序。大多數(shù)計算機網(wǎng)絡原理課程教材基本上是概述、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層及計算機網(wǎng)絡應用技術(shù)或網(wǎng)絡實驗等，按照協(xié)議棧的自底向上順序編寫?，F(xiàn)狀是很多任課老師習慣性地遵照教材編排順序組織教學?；谟嬎銠C網(wǎng)絡仿真軟件的教學模式下，教師可以根據(jù)仿真軟件，以軟件工程的角度，從簡到難實施教學。這種教學順序不僅有助于理論聯(lián)系實際，也有助于理解仿真軟件的架構(gòu)，對后續(xù)仿真實驗打基礎。

（2）調(diào)整理論教學和實驗教學時間安排。實驗課和理論課的時間安排一般有兩種形式：一種是交叉式，另一種是集中式。交叉式就是上1～2節(jié)理論課后，上一次實驗課。交叉式的優(yōu)點是能趁熱打鐵，學過的理論知識能及時地得到應用和強化。交叉式的缺點是容易產(chǎn)生知識碎片，缺乏知識點間的融會貫通。集中式就是前半學期上理論課，后半學期上實驗課。相對于交叉式集中式的缺點是理論知識得不到及時強化、知識過期嚴重、缺乏練手導致無從入手。計算機網(wǎng)絡仿真軟件教學模式下，不受死板的實驗課程表和固定的機房環(huán)境的約束下，學生可以利用自己的業(yè)余時間上“實驗課”，以至于形成“學中做，做中學”的良好教學環(huán)境。

（3）積極采用項目驅(qū)動式教學方法。傳統(tǒng)的灌輸式教學，尤其像計算機網(wǎng)絡原理這類理論抽象的課程，容易導致重教輕學，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。對此現(xiàn)象，建構(gòu)主義就曾提出，應該強調(diào)學習者的主動性，認為學習是學習者基于原有的知識經(jīng)驗生成意義、建構(gòu)理解的過程。在此基礎上產(chǎn)生了項目驅(qū)動式教學方法[9]。項目驅(qū)動式教學的核心是項目設計，項目設計需遵循以下三個原則：①保證項目的可行性，項目應考慮難易程度和學生具備的知識技能為前提；②保證項目具有典型性，抓住課程重點，緊扣培養(yǎng)目標進行設計；③設計的項目需具有連貫性，以前一個項目為基礎擴展難度和復雜度。

3.4 評價方法改革

教學評價是根據(jù)教學目標，制定科學的標準，運用一切有效的科學手段，對教與學過程中的現(xiàn)象及其效果進行測定、衡量，并進行價值判斷，為教與學提供反饋的一個過程[10]。教學評價按照評價內(nèi)容的不同可分為過程性評價和成果評價。內(nèi)蒙古科技大學包頭師范學院從2015 年起全面推行過程性評價為主、成果評價為輔，過程性和成果評價相結(jié)合，形成兼顧學習目標和學習過程的教學評價體系?；谟嬎銠C網(wǎng)絡仿真軟件的計算機網(wǎng)絡原理課程的教學評價需進行相應的調(diào)整。

（1）評價內(nèi)容應該包括考勤、預習情況、課堂參與度、實驗和項目完成情況等。因項目是基于網(wǎng)絡仿真軟件完成，所以通過項目的完成度可評價學生的團隊合作能力、組織協(xié)調(diào)能力、成果展示表述能力等，不以單純的完成度來評價整個團隊成員對知識點的掌握情況。

（2）評價方式一般包括作業(yè)、測試、現(xiàn)場提問、演示、考試、提交項目報告等。每個評價方式建立成長檔案是過程性評價的核心，為了考核學生對整體知識結(jié)構(gòu)的掌握程度考試是最有效的成果性評價方式。

（3）評價項目比例分配：一般平時成績占60%，期末考試占40%。具體比例分配如下：考勤占10%，課堂參與度占10%，項目占40%，考試占40%。

4 結(jié) 語

計算機網(wǎng)絡原理課程是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，筆者對該專業(yè)的連續(xù)兩級學生進行了教學改革試驗，發(fā)現(xiàn)基于網(wǎng)絡仿真軟件教學改革不僅顯著提升教學效果，也帶動了學生的學習積極性，同時也提高學生的編程能力。我們提出的教學改革模式也適用于其他課程教學，如計算機操作系統(tǒng)、軟件工程等課程，這也是筆者后續(xù)教學改革研究的方向。