阿喜達(dá)

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引 言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，也是其他計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)課程的前導(dǎo)課程。該課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、原理、方法和具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)[1]。因課程內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、協(xié)議繁多和算法復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容不容易理解、學(xué)習(xí)主動(dòng)性差；教師組織教學(xué)困難、實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)效果差；課程整體教學(xué)目標(biāo)很難達(dá)到。

1 相關(guān)研究

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的不斷升級(jí)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)已成為國(guó)民的生活方式，但是無(wú)論計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程內(nèi)容還是教學(xué)目標(biāo)都與社會(huì)需求和技術(shù)現(xiàn)狀嚴(yán)重脫節(jié)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理教學(xué)改革勢(shì)在必行。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)改革成為廣大教學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]分析了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程“自頂向下”和“自底向上”兩種經(jīng)典的教學(xué)模式，并詳細(xì)闡述了該課程的教學(xué)模式改革實(shí)踐。文獻(xiàn)[2]針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，分析了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程和專(zhuān)業(yè)課程之間的聯(lián)系，探討了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)的差別化教學(xué)，提出了兩級(jí)N 類(lèi)教學(xué)模式。文獻(xiàn)[3]提出了以企業(yè)的需求為導(dǎo)向，采用以問(wèn)題為導(dǎo)向加強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。文獻(xiàn)[4]對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式與實(shí)驗(yàn)考核方式的改革探究與實(shí)踐。文獻(xiàn)[5]分析了學(xué)生畢業(yè)以后可能從事的工作崗位所需的與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的知識(shí)或技能，據(jù)此對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程以及教學(xué)方式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，最后在課程實(shí)施過(guò)程中收集教學(xué)改革的績(jī)效反饋并不斷改進(jìn)教學(xué)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程項(xiàng)目偏少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率不高等問(wèn)題，提出了更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容并借助教學(xué)管理平臺(tái)向?qū)W生提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提升了教學(xué)效果。文獻(xiàn)[7]以深度學(xué)習(xí)和混合學(xué)習(xí)相關(guān)理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程混合教學(xué)方式，通過(guò)分析學(xué)生就業(yè)后工作的主要內(nèi)容倒推教學(xué)內(nèi)容并重新組織知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建了基于翻轉(zhuǎn)課堂的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)模型。

從上述相關(guān)研究看出，很多教學(xué)工作者對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程進(jìn)行了教學(xué)改革的探究。以上研究成果主要包括教學(xué)模式改革、教學(xué)方法改革、教學(xué)內(nèi)容改革、實(shí)驗(yàn)方式改革和評(píng)價(jià)體系改革等方面。同時(shí)，教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效果上得到了很大提升，但是實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)、成本高、設(shè)備數(shù)量不足、算法驗(yàn)證困難仍是亟待解決的問(wèn)題。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題及原因分析

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)核心主干課程，是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其課程內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)兩個(gè)學(xué)科，包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本概念及數(shù)據(jù)通信的基本原理、網(wǎng)絡(luò)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(shí)操性強(qiáng)、技術(shù)更新快等特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，教師組織教學(xué)困難。

以?xún)?nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院為例，該課程采用理論教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式。雖然很多上機(jī)實(shí)驗(yàn)課時(shí)在總課時(shí)中的占比提高了，但是仍然延續(xù)著實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于依賴(lài)機(jī)房的硬軟件條件，從而導(dǎo)致以下問(wèn)題。

（1）組織實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)。傳統(tǒng)的機(jī)房環(huán)境下，實(shí)施任何一次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)需進(jìn)行布線、交換機(jī)配置、節(jié)點(diǎn)IP 配置、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等基本環(huán)節(jié)。只要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或測(cè)試角度稍有變化，需重復(fù)以上步驟。實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率極低。

（2）設(shè)備數(shù)量不足。因?yàn)槊恳豁?xiàng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)都需要多個(gè)各類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能進(jìn)行測(cè)試，所以各小組同時(shí)進(jìn)行各自的實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)備數(shù)量不足。

（3）設(shè)備型號(hào)單一，難以滿足異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)需求。為了降低維護(hù)和管理成本，學(xué)校采購(gòu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備品牌型號(hào)統(tǒng)一，缺乏多樣性，從而導(dǎo)致滿足不了異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的需求。

（4）實(shí)驗(yàn)成本高。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新快，普通教學(xué)機(jī)房硬件條件下，很難測(cè)試最新技術(shù)的性能指標(biāo)。但是僅僅為了某個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或原理，采購(gòu)昂貴的設(shè)備，不符合學(xué)?？陀^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(luò)實(shí)驗(yàn)室。雖然一定程度上降低了硬件設(shè)備成本，但是高配置服務(wù)器的日常維護(hù)成本也提高了。

（5）算法驗(yàn)證困難。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過(guò)ping、tracert 等操作系統(tǒng)自帶系統(tǒng)工具或Wireshark 等抓包工具達(dá)到觀測(cè)演示性實(shí)驗(yàn)還是比較好實(shí)現(xiàn)，但是執(zhí)行需要更改參數(shù)（如丟包率）的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)，此類(lèi)工具軟件明顯力不從心。

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)已修完該課程的學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查（調(diào)查人生100 人，涵蓋兩屆學(xué)生）發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生角度，主要有以下因素導(dǎo)致教學(xué)效果不理想：內(nèi)容抽象、算法復(fù)雜、協(xié)議繁多、實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、缺乏基礎(chǔ)知識(shí)、自身投入時(shí)間少等，如圖1 所示。通過(guò)對(duì)任課老師進(jìn)行訪談，了解到影響教學(xué)效果的主要因素有算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度大、實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)、實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情困難等，如圖2 所示。

圖1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程難度調(diào)查（學(xué)生角度）

圖2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程難度調(diào)查（教師角度）

3 基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的教學(xué)改革

解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題的方法是利用網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為，通過(guò)建立虛擬的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路模型，實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以低成本高效率地達(dá)到設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)以及教學(xué)目的。

3.1 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件

市面上的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是五花八門(mén)，應(yīng)用需求不同可選擇不同的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)比見(jiàn)表1。對(duì)比結(jié)果而看，OMNeT++更能滿足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程改革需求。

3.2 教學(xué)目標(biāo)改革

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)不是對(duì)立的，彼此相依卻無(wú)法相互包容或代替?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程可以不局限于時(shí)間空間，更合理地定位教學(xué)目標(biāo)。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(xué)目標(biāo)現(xiàn)可以提升到“掌握”層面。教學(xué)改革前后教學(xué)目標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

在表2 中，根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真軟件功能模塊，適當(dāng)調(diào)高相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。例如，因?qū)嶋H應(yīng)用少和實(shí)驗(yàn)要求底層結(jié)構(gòu)調(diào)整繁瑣，傳統(tǒng)教學(xué)中IPv6部分[8]的教學(xué)目標(biāo)定位在“理解”層面；但是基于OMNeT++仿真軟件教學(xué)時(shí)，這部分的教學(xué)目標(biāo)定位在“掌握”層面。隨著教學(xué)目標(biāo)的提高，對(duì)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握程度也提高。為了達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行必要的調(diào)整。

表1 主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)比

表2 教學(xué)改革前后教學(xué)目標(biāo)對(duì)比（√：前 ○：后）

3.3 教學(xué)方式改革

（1）靈活安排教學(xué)順序。大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)等，按照協(xié)議棧的自底向上順序編寫(xiě)?，F(xiàn)狀是很多任課老師習(xí)慣性地遵照教材編排順序組織教學(xué)?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的教學(xué)模式下，教師可以根據(jù)仿真軟件，以軟件工程的角度，從簡(jiǎn)到難實(shí)施教學(xué)。這種教學(xué)順序不僅有助于理論聯(lián)系實(shí)際，也有助于理解仿真軟件的架構(gòu)，對(duì)后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ)。

（2）調(diào)整理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間安排。實(shí)驗(yàn)課和理論課的時(shí)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(shí)驗(yàn)課。交叉式的優(yōu)點(diǎn)是能趁熱打鐵，學(xué)過(guò)的理論知識(shí)能及時(shí)地得到應(yīng)用和強(qiáng)化。交叉式的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生知識(shí)碎片，缺乏知識(shí)點(diǎn)間的融會(huì)貫通。集中式就是前半學(xué)期上理論課，后半學(xué)期上實(shí)驗(yàn)課。相對(duì)于交叉式集中式的缺點(diǎn)是理論知識(shí)得不到及時(shí)強(qiáng)化、知識(shí)過(guò)期嚴(yán)重、缺乏練手導(dǎo)致無(wú)從入手。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件教學(xué)模式下，不受死板的實(shí)驗(yàn)課程表和固定的機(jī)房環(huán)境的約束下，學(xué)生可以利用自己的業(yè)余時(shí)間上“實(shí)驗(yàn)課”，以至于形成“學(xué)中做，做中學(xué)”的良好教學(xué)環(huán)境。

（3）積極采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法。傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，尤其像計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理這類(lèi)理論抽象的課程，容易導(dǎo)致重教輕學(xué)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。對(duì)此現(xiàn)象，建構(gòu)主義就曾提出，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性，認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者基于原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)生成意義、建構(gòu)理解的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法[9]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的核心是項(xiàng)目設(shè)計(jì)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)需遵循以下三個(gè)原則：①保證項(xiàng)目的可行性，項(xiàng)目應(yīng)考慮難易程度和學(xué)生具備的知識(shí)技能為前提；②保證項(xiàng)目具有典型性，抓住課程重點(diǎn)，緊扣培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)；③設(shè)計(jì)的項(xiàng)目需具有連貫性，以前一個(gè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)擴(kuò)展難度和復(fù)雜度。

3.4 評(píng)價(jià)方法改革

教學(xué)評(píng)價(jià)是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，制定科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用一切有效的科學(xué)手段，對(duì)教與學(xué)過(guò)程中的現(xiàn)象及其效果進(jìn)行測(cè)定、衡量，并進(jìn)行價(jià)值判斷，為教與學(xué)提供反饋的一個(gè)過(guò)程[10]。教學(xué)評(píng)價(jià)按照評(píng)價(jià)內(nèi)容的不同可分為過(guò)程性評(píng)價(jià)和成果評(píng)價(jià)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院從2015 年起全面推行過(guò)程性評(píng)價(jià)為主、成果評(píng)價(jià)為輔，過(guò)程性和成果評(píng)價(jià)相結(jié)合，形成兼顧學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)過(guò)程的教學(xué)評(píng)價(jià)體系?；谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程的教學(xué)評(píng)價(jià)需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（1）評(píng)價(jià)內(nèi)容應(yīng)該包括考勤、預(yù)習(xí)情況、課堂參與度、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目完成情況等。因項(xiàng)目是基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件完成，所以通過(guò)項(xiàng)目的完成度可評(píng)價(jià)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)團(tuán)隊(duì)成員對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

（2）評(píng)價(jià)方式一般包括作業(yè)、測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)、演示、考試、提交項(xiàng)目報(bào)告等。每個(gè)評(píng)價(jià)方式建立成長(zhǎng)檔案是過(guò)程性評(píng)價(jià)的核心，為了考核學(xué)生對(duì)整體知識(shí)結(jié)構(gòu)的掌握程度考試是最有效的成果性評(píng)價(jià)方式。

（3）評(píng)價(jià)項(xiàng)目比例分配：一般平時(shí)成績(jī)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(xiàng)目占40%，考試占40%。

4 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，筆者對(duì)該專(zhuān)業(yè)的連續(xù)兩級(jí)學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)改革試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件教學(xué)改革不僅顯著提升教學(xué)效果，也帶動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也提高學(xué)生的編程能力。我們提出的教學(xué)改革模式也適用于其他課程教學(xué)，如計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、軟件工程等課程，這也是筆者后續(xù)教學(xué)改革研究的方向。