摘要：研究生計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是信息學(xué)科研究生課程的重要組成部分，文章介紹清華大學(xué)“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和體會，從內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)環(huán)節(jié)、教材建設(shè)、交流平臺等方面進(jìn)行全面闡述。

關(guān)鍵詞：研究生；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；精品課

1.背景

長期以來，“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”課程一直是清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱信息學(xué)院）研究生的熱選課程，有著優(yōu)良的教學(xué)傳統(tǒng)。自徐明偉教授從前輩史美林教授手中接過該課程以來，大膽改革，引入了新的教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果，近年來選課人數(shù)不斷增多，最多接近200名同學(xué)，大量同學(xué)來自電子系、自動化系、軟件學(xué)院等。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，這么大規(guī)模的課堂授課，教學(xué)效果難以保證，特別是研究生課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與，這就更難實(shí)現(xiàn)。因此，2005年計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系決定面向信息學(xué)院研究生開設(shè)平行課程“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”，由筆者負(fù)責(zé)。課程以課堂講授為主，共計(jì)48學(xué)時，內(nèi)容包括互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷史、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、高性能路由器體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、物聯(lián)網(wǎng)概述等模塊。課程教學(xué)一般從第8周開始隨堂安排共計(jì)6學(xué)時的討論。在10年的授課過程中，我們不斷總結(jié)改進(jìn)，從以下幾個方面對課程進(jìn)行建設(shè)。

2.課程建設(shè)內(nèi)容

2.1優(yōu)化課程體系，明確課程定位

我們依托系計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究所初步形成的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程體系進(jìn)行課程建設(shè)。該體系將本科、碩士和博士的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，同時突出各階段的培養(yǎng)重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同層次的人才培養(yǎng)目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)課程體系如圖1所示。

我們秉承網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程主講教師共同提出的“本科打基礎(chǔ)、碩士重能力、博士出創(chuàng)新、科研促教學(xué)、實(shí)踐貫始終”的多層次教學(xué)理念，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)置上，突出“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程在整個網(wǎng)絡(luò)課程體系中承上啟下的作用：讓研究生在完成本科課程“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)并初步了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Internet研究領(lǐng)域的最新研究成果和基本研究方法。經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，對于非網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的研究生，可以滿足其對網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面了解的需求；對于網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的研究生，可為未來進(jìn)一步從事該領(lǐng)域的研究打下基礎(chǔ)。相關(guān)專業(yè)的研究生可以進(jìn)一步選修“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)前沿研究”和“無線網(wǎng)絡(luò)和移動計(jì)算”等后續(xù)提高課程。

“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的重要性，我們用3個學(xué)時重點(diǎn)闡述分層設(shè)計(jì)和邊緣論這兩條最重要的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)原則，讓學(xué)生體會到體系結(jié)構(gòu)具有“路線是個綱，綱舉目張”的特點(diǎn)。分層結(jié)構(gòu)解決的是網(wǎng)絡(luò)功能如何劃分的問題，而邊緣論則解決的是這些劃分好的功能在哪里實(shí)現(xiàn)的問題。這兩個問題的答案就決定了當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)。

2.2優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法

作為一門面向信息學(xué)院不同專業(yè)研究生的課程，“高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”既要充分注重內(nèi)容的先進(jìn)性和新穎性，也要考慮選課同學(xué)本身基礎(chǔ)的差異性。筆者從以下幾個方面對教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行優(yōu)化：

1）強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的生動性。

我們天天使用互聯(lián)網(wǎng)，但是很多同學(xué)并不了解互聯(lián)網(wǎng)的歷史，因此筆者特別拿出3學(xué)時專門介紹互聯(lián)網(wǎng)的歷史發(fā)展，采用了大量的圖片資料。舉例來說，路由器是互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，而第一臺互聯(lián)網(wǎng)路由器是誰研發(fā)的卻成為互聯(lián)網(wǎng)歷史上的一段著名公案，直到2008年IEEE把IntemetAward授予原BBN公司的3名開發(fā)人員才算是做出了最終結(jié)論。這類事實(shí)的介紹會極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2）提倡用歷史的觀點(diǎn)分析各個技術(shù)。

針對每個章節(jié)的內(nèi)容，我們強(qiáng)調(diào)每種技術(shù)的發(fā)展歷史，力圖還原每種技術(shù)產(chǎn)生時的歷史環(huán)境，能夠讓學(xué)生換位思考，“如果我在這種條件下，能不能想到這樣的技術(shù)？”從而有效地激發(fā)學(xué)生的思維活力。例如，互聯(lián)網(wǎng)組播的發(fā)明，是主要發(fā)明人S.Deering在斯坦福大學(xué)攻讀博士學(xué)位時參與分布式操作系統(tǒng)項(xiàng)目時完成的。當(dāng)時隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，很多位于不同局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)要加入分布式操作系統(tǒng)，從而有了跨局域網(wǎng)的通信需求，很自然的，S.Deering想到了把局域網(wǎng)組播擴(kuò)展到跨不同的局域網(wǎng)?，F(xiàn)在看起來這似乎是個很簡單的想法，但是我們知道，在當(dāng)時的歷史條件下，這是個相當(dāng)困難的問題，不容易想到解決方案。而S.Deering也正是因?yàn)樵诮M播和IPv6方面的貢獻(xiàn)獲得了2010年IEEE Internet Award。這種用歷史觀來思考問題的方式，可以使學(xué)生充分認(rèn)識到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3）注重內(nèi)容的新穎性。

網(wǎng)絡(luò)本身發(fā)展速度很快，授課內(nèi)容需要不斷更新。從最近幾次的授課情況來看，每年和上一年相比，授課內(nèi)容更新量在20%左右。就拿P2P與應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)這一章來說，由于P2P技術(shù)本身在飛速發(fā)展，因此每年這章內(nèi)容都要更新30%到50%左右。例如，隨著研究的深入，P2P的安全、隱私問題日益受到重視，其在互聯(lián)網(wǎng)金融中也得到了廣泛應(yīng)用，這些內(nèi)容都被不斷地補(bǔ)充到教案中；隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等新領(lǐng)域的不斷出現(xiàn)，我們已經(jīng)在課程中引入了物聯(lián)網(wǎng)概論的內(nèi)容。

4）注重內(nèi)容的差異性。

由于部分選課的同學(xué)來自電子、自動化等系，這部分同學(xué)本科時并沒有選修過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理?？紤]到同學(xué)們的基礎(chǔ)差異，在課程開始時用6課時介紹網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識，使得這部分同學(xué)能快速融入課程。同時，為了讓學(xué)過網(wǎng)絡(luò)原理的同學(xué)不會感覺到內(nèi)容枯燥，這部分的講授采用把技術(shù)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次的辦法，使得上過網(wǎng)絡(luò)原理的同學(xué)也能夠從新的視角理解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而有新的收獲。

5）引入課堂報告。

積極引導(dǎo)學(xué)生承擔(dān)課堂報告。為了保證課堂報告的質(zhì)量和課堂效果，教師從選題開始就全程參與，在第一節(jié)課就介紹了可選的報告題目并給出了相關(guān)的閱讀文獻(xiàn)，由學(xué)生分組閱讀后完成報告的PPT，在此過程中教師保持和學(xué)生的定期交流。我們建議同學(xué)們從SIGCOMM、MOBICOM、INFOCOM等中國計(jì)算機(jī)學(xué)會推薦的A類會議文獻(xiàn)中選擇閱讀最新成果。為了讓部分同學(xué)快速入門，建議他們從《IEEE Network》《IEEE communications Magazine》《IEEE Communications Surveys and Tutorials》等綜述類的刊物尋找相關(guān)綜述文章。

學(xué)生在課程報告前還需要專門給教師單獨(dú)匯報，教師會給出進(jìn)一步修改和完善的建議，經(jīng)過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生普遍反映一方面了解了如何調(diào)研一個新的研究領(lǐng)域，另外一方面也對如何做一個好的課程報告有所體會，從而為以后從事科研交流工作積累了經(jīng)驗(yàn)。由同學(xué)分組調(diào)研相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀后完成的課堂報告，主要是對網(wǎng)絡(luò)最前沿研究現(xiàn)狀的介紹，這已成為課程教學(xué)內(nèi)容的必要補(bǔ)充。

6）運(yùn)用微信群等新形式進(jìn)行交流討論。

隨著微信等社交媒體的發(fā)展，幾乎全部選課學(xué)生都在使用微信，筆者每次在第一次上課時都會通過面對面建群建立微信群，利用微信群積極引導(dǎo)學(xué)生交流，同時邀請微軟研究院的資深研究員加入微信群，和同學(xué)共同探討網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

7）采用“作業(yè)+項(xiàng)目”的考核方式。

課程作業(yè)的目的是讓學(xué)生通過閱讀多篇經(jīng)典研究論文，對科研論文和科學(xué)研究產(chǎn)生感性認(rèn)識。課程項(xiàng)目是同學(xué)在分組基礎(chǔ)上完成一個小的研究項(xiàng)目，這里特別強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目不宜大，但是一定要有新意。在授課過程中筆者就反復(fù)以網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的優(yōu)秀論文為例強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新的各個要點(diǎn)，鼓勵同學(xué)們打破常規(guī)，采用逆向思維提出新觀點(diǎn)和新方法。比如近幾年比較熱門的WiFi信號雷達(dá)技術(shù)，想法很簡單，但是效果很神奇：通過WiFi的無線信號獲得墻體等障礙物后的人體成像，這超出了同學(xué)們的想象。采用這樣的案例可以取得很好的引導(dǎo)效果。

同學(xué)們提出的課程項(xiàng)目往往有一定的新意，比如有同學(xué)提出對比特幣做進(jìn)一步改進(jìn)，可以提升其抗偽造的能力；還有同學(xué)提出把軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這體現(xiàn)出我們的研究生均具備優(yōu)秀的創(chuàng)新能力，在教師的指導(dǎo)下都可以取得一定的創(chuàng)新性成果。從最近幾年的實(shí)踐來看，每年都有基于課程項(xiàng)目完成的論文發(fā)表在本領(lǐng)域的重要學(xué)術(shù)會議（如INFOCOM）和學(xué)術(shù)期刊（包括《IEEETPDS》《Computer Communications》等）上。

對于課程項(xiàng)目，筆者體會最深的是教師一定要全程參與，這樣才能對同學(xué)的思考過程進(jìn)行及時的指導(dǎo)和幫助。重要的是，教師基于科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和對新研究領(lǐng)域的判斷，為學(xué)生提供了一些好的研究題目，這一方面縮短了學(xué)生自己尋找題目的盲目性，另外一方面，基于已有科研項(xiàng)目的成果，學(xué)生更容易找到突破點(diǎn)，從而能夠在較短時間完成有一定內(nèi)容的研究成果，這對于課程項(xiàng)目相當(dāng)重要。如筆者參加了國家863的重大課題，重點(diǎn)研究未來互聯(lián)網(wǎng)地址和身份分離的地址結(jié)構(gòu)。基于這樣的基本架構(gòu)可以設(shè)計(jì)很多新的算法和協(xié)議。筆者在課上花少量的時間介紹課題的基本背景，隨后同學(xué)們基于這一基本架構(gòu)進(jìn)行深入研究，從而取得如基于手機(jī)的移動身份認(rèn)證等多項(xiàng)有一定價值的研究成果，該成果后續(xù)還在中國移動等運(yùn)營商進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)部署，取得了很好的效果。我們認(rèn)為這是科研項(xiàng)目和教學(xué)結(jié)合的一個成功范例。

2.3重視教材建設(shè)

在課程的準(zhǔn)備過程中，我們對國內(nèi)外大學(xué)的相關(guān)課程進(jìn)行了深入的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外還沒有一本能夠全面深入的闡述計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)研究最新進(jìn)展的教材，國內(nèi)的教材主要面向本科生教學(xué)，側(cè)重介紹網(wǎng)絡(luò)原理，而國外雖然有一些面向研究生的高水平教材，但是都是面向?qū)ｉT的領(lǐng)域，和我們課程要求的全面性有一定距離。

而我們編著完成的《高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)——體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議機(jī)制、算法設(shè)計(jì)與路由器技術(shù)》（2003年第一版，2009年第二版，2012年更名為《高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》）覆蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究的主要方面，既有體系結(jié)構(gòu)的總體進(jìn)展，又包括了具體的協(xié)議機(jī)制與算法設(shè)計(jì)，還包括了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備——路由器的最新進(jìn)展。因此，本書就其系統(tǒng)性、深入性和廣泛性而言填補(bǔ)了國內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究生教材的空白。教材的主要特點(diǎn)包括：

（1）內(nèi)容系統(tǒng)深入，便于研究生總體把握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡(luò)。

（2）強(qiáng)調(diào)協(xié)議機(jī)制。協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的靈魂，詳細(xì)介紹了主要的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議機(jī)制。

（3）突出算法設(shè)計(jì)。算法是協(xié)議工作的基礎(chǔ)，在介紹協(xié)議的基礎(chǔ)上分析算法，便于學(xué)生理解掌握并具備舉一反三的能力。

（4）和科研項(xiàng)目緊密結(jié)合。筆者所在實(shí)驗(yàn)室長期從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究和高性能路由器的研發(fā)，研究工作受到國家973、863和自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，研制的“IPv6核心路由器”獲得2005年國家科技進(jìn)步二等獎?！陡叩扔?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)——體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議機(jī)制、算法設(shè)計(jì)與路由器技術(shù)》和《高級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》在編寫過程中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室取得的研究成果，總結(jié)了我們在科研工作中取得的經(jīng)驗(yàn)和對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究方法的體會，這對研究生從事研究工作有一定啟發(fā)意義。

課程教材獲得2008年清華大學(xué)優(yōu)秀教材一等獎，并被北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、北京郵電大學(xué)等多所國內(nèi)高校選為研究生網(wǎng)絡(luò)課教材。

3.教學(xué)案例及學(xué)生評價

下面以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為例給出一個小型教學(xué)案例。

體系結(jié)構(gòu)的英文是Architecture，首先介紹這個單詞的詞源，Architecture源于希臘文“Archi”和“tekt”，“tekt”意為“技藝”，“Archi”則是“最重要的”“第一位的”的意思。這個單詞還有一個含義是建筑學(xué)，通過給出當(dāng)前代表陛的建筑圖片讓同學(xué)們對于體系結(jié)構(gòu)的重要性有直觀的體會。然后提出問題，建筑學(xué)是指如何設(shè)計(jì)建筑，那么網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是什么？接著引導(dǎo)同學(xué)分組討論，將結(jié)論引向網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則這一基本答案。接下來給出David Clark等知名專家就這一問題的解答。后續(xù)繼續(xù)講述網(wǎng)絡(luò)分層和邊緣論這兩條最重要的設(shè)計(jì)原則，注意強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)原則的邊界。我們要告訴學(xué)生，設(shè)計(jì)原則雖然重要，但并不是金科玉律，每次對設(shè)計(jì)原則的突破都可能帶來新的體系結(jié)構(gòu)的突破，這些內(nèi)容將進(jìn)一步激發(fā)同學(xué)們的創(chuàng)新思維。如果時間允許，可以繼續(xù)組織學(xué)生討論如何突破這兩條設(shè)計(jì)原則，再結(jié)合當(dāng)前軟件定義網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容尋址網(wǎng)絡(luò)等最新方向進(jìn)行對比，讓同學(xué)們體會突破點(diǎn)如何選擇。

近3年的學(xué)生課堂教學(xué)評價結(jié)果顯示，課程的評估成績位于清華大學(xué)研究生課程的前15%，分?jǐn)?shù)在97分以上（清華大學(xué)研究生課程學(xué)生評估成績最高分為97.5）。連續(xù)兩年學(xué)生給出的10個單項(xiàng)評價都位于同類課程的前15%。讓筆者欣慰的是，學(xué)生如此評價課程教學(xué)：“PPT內(nèi)容充實(shí)，講課內(nèi)容很有吸引力，老師課下答疑認(rèn)真，作業(yè)適當(dāng)”“老師上課認(rèn)真詳細(xì)，深入淺出，讓我們了解了網(wǎng)絡(luò)方面的相關(guān)知識”“老師講課有激情，善于聯(lián)系實(shí)際案例啟發(fā)學(xué)生，注重學(xué)生分析能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)”“老師課講得一如既往的好，內(nèi)容很充實(shí)，對于網(wǎng)絡(luò)問題有很深的造詣”。

4.建設(shè)交流平臺，加強(qiáng)橫向交流

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程已經(jīng)成為各高校信息技術(shù)專業(yè)的主干課程。各高校多年所積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)互有長短，但一直缺少教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的展示渠道和交流平臺。在教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)分委員會的支持下，匯集國內(nèi)著名高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主講教師，清華大學(xué)牽頭組織成立了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)研討會程序委員會，并于2008年5月在清華大學(xué)召開了“第一屆全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)研討會”。來自全國60余所高校的近百名計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一線教師出席了會議：會議還專門邀請來自英國、韓國、美國和中國香港地區(qū)高校的著名教授做大會報告。與會者針對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外教學(xué)體系和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了廣泛深入的交流。目前本研討會已經(jīng)成為國內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域主要的教學(xué)研討會，已經(jīng)連續(xù)舉辦了8屆，在國內(nèi)產(chǎn)生了很大的影響。我們充分利用該交流平臺，和國內(nèi)兄弟院校進(jìn)行了廣泛的交流，共同促進(jìn)課程教學(xué)水平的提高。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）