0 引 言

當(dāng)前，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟革命加速發(fā)展。世界主要發(fā)達經(jīng)濟體紛紛啟動“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，加快工業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和信息化的融合進程。德國、美國、法國等分別啟動了“工業(yè) 4.0”“新工業(yè)法國Ⅱ” “國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò) NNMI”等面向未來新經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略部署 [1]。為在新工業(yè)革命發(fā)展進程中搶占具有國際競爭力的戰(zhàn)略制高點，從制造大國向制造 / 智造強國的轉(zhuǎn)變，我國于 2015 年提出“中國制造 2025”，從 4 個方面、9 項戰(zhàn)略及10 個重點領(lǐng)域展開部署。一方面，該戰(zhàn)略為當(dāng)前“三期疊加”的新常態(tài)發(fā)展注入強大的創(chuàng)新動力，將有效推動經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級、提升國際競爭力和國家硬實力 ；另一方面，該戰(zhàn)略也對高校培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才提出了更高更迫切的要求。為 此，教育部啟動了新工科建設(shè)規(guī)劃 ：瞄準工業(yè)革命新機遇、聚焦國家新需求、謀劃工程教育新發(fā)展。在理念引領(lǐng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模式創(chuàng)新、質(zhì)量保障等多個維度開拓工程教育改革新路徑，加快建設(shè)發(fā)展新興工科，持續(xù)深化工程教育改革，培養(yǎng)德學(xué)兼修、德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)工程人才，探索形成中國特色、世界水平的工程教育體系，加快從工程教育大國走向工程教育強國 [2]，建設(shè)一批能體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展需求、融合創(chuàng)新工程教育理念的新課程是實現(xiàn)新工科建設(shè)目標的關(guān)鍵組成部分。新課程不僅指新開設(shè)的課程，更多地包含對現(xiàn)有課程的優(yōu)化提升。因此，面向新工科建設(shè)需求，全面優(yōu)化現(xiàn)有課程的教育教學(xué)成為一項迫切任務(wù)。為探索面向新工科建設(shè)需要的課程改革方法，這里結(jié)合多年在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教授計算機網(wǎng)絡(luò)課程的實踐與思考，給出面向創(chuàng)新和復(fù)雜問題、解決能力培養(yǎng)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革方案。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)課程特征分析

計算機網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，同時也是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。該課程具有理論抽象靈活、內(nèi)容豐富分散、技術(shù)交叉融合、應(yīng)用驅(qū)動創(chuàng)新、技術(shù) -理論 - 應(yīng)用一體化的特點。

1.1 互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則既高度抽象又靈活多變

在設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)時遵循分層、邊緣論和命運共享等基本原則 [3]。其中，分層的基本思想相對比較好理解，但是在實際的計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，分層的原則并沒有徹底貫徹，有很多地方違反分層原則，如關(guān)于 TCP，UDP 校驗和的計算以及 ICMP 等。邊緣論則涉及到對通信系統(tǒng)、終端用戶（主機）以及分層的大型系統(tǒng)之間在層次關(guān)系、功能劃分、目標預(yù)測的綜合考量，對于初學(xué)網(wǎng)絡(luò)的本科生，特別是沒有通信背景的學(xué)生來說，其理解的難度之大可想而知。命運共享涉及到對通信實體狀態(tài)的理解以及狀態(tài)信息的管理方式，而狀態(tài)和連接是緊密相關(guān)的兩個概念。而對“有狀態(tài)” 和“連接”兩個概念之間的關(guān)系，現(xiàn)有的教材通常沒有對此展開討論，導(dǎo)致對基本概念的理解不清，原則地把握就無從談起。更為復(fù)雜的是，分層、邊緣論和命運共享這幾個原則之間還存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，再加上網(wǎng)絡(luò)演進過程中各種技術(shù)流派的紛爭，極大地增加了學(xué)生對基本原則的理解。

1.2 基于多學(xué)科融合的基本概念面廣量大，且概念之間的關(guān)系松散、系統(tǒng)性不強

作為通信與計算機融合而來的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及到通信學(xué)科的諸多基本概念 [4]，如傅里葉變換、排隊論、低通濾波、波特率、編碼、信噪比、香農(nóng)定理等，這些通信學(xué)科的基本概念成為計算機學(xué)科的很多學(xué)生理解計算機網(wǎng)絡(luò)底層通信原理的一道無法逾越的障礙。同時，還涉及到計算機學(xué)科中操作系統(tǒng)、程序設(shè)計、數(shù)值轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)概念，這些概念對于理解協(xié)議基本原理、讀懂實現(xiàn)協(xié)議基本功能具有重要用。一旦學(xué)生對先修課程中的概念掌握不好，就會影響到對計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)原理的理解。同時，這些概念分布在各個層次中，層內(nèi)概念在層次之間關(guān)聯(lián)不大，基本上處于相互獨立的狀態(tài)。這就使得概念的時效性大大降低 ：前面的概念無法及時復(fù)習(xí)，形成邊學(xué)邊忘的狀態(tài)。

1.3 協(xié)議的動態(tài)交互性與課堂呈現(xiàn)方式的巨大差異

從本質(zhì)上看，計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)就是協(xié)議分析與理解 [5]。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包含靜態(tài)的協(xié)議文本規(guī)范，如報文結(jié)構(gòu)、狀態(tài)變遷 ；同時也包含協(xié)議動態(tài)運行過程，如時序操作、狀態(tài)觸發(fā)、異常處理等隨時間動態(tài)執(zhí)行的細節(jié)。更為復(fù)雜的是，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往涉及到通信過程中的兩個或多個實體之間的交互，并且隨協(xié)議上下文環(huán)境做出動態(tài)選擇。而局限于課堂教學(xué)手段和間，理論教學(xué)往往只能偏重協(xié)議的靜態(tài)特征的講解，實驗教學(xué)只能以“黑盒”的方式觀察協(xié)議運行的輸入及輸出結(jié)果。這就使得學(xué)生很難真正理解協(xié)議的技術(shù)原理與本質(zhì)特征，從而只能停留在對協(xié)議死記硬背的層面，能力的培養(yǎng)無從談起。

1.4 協(xié)議的獨立性與相互支撐關(guān)系

從設(shè)計實現(xiàn)來說，每個協(xié)議都是相對獨立的，有相對獨立的概念體系、交互方式和技術(shù)特點 [6]。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實際運行來看，為保障網(wǎng)絡(luò)通信的順利進行，很多協(xié)議又是相互支撐關(guān)系，存在著動態(tài)的直接或間接調(diào)用關(guān)系（或稱服務(wù)提供與使用）、分用或復(fù)用關(guān)系。協(xié)議的獨立性使得知識點過于分散，缺少統(tǒng)領(lǐng)全篇的主線 ；協(xié)議的相互支撐導(dǎo)致多個協(xié)議構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)狀關(guān)系，從而使得學(xué)生很容易把多個知識碎片混雜在一些，分不清隸屬關(guān)系及其作用。

1.5 相似 / 相同的概念、原理在不同層次或問題域中所呈現(xiàn)出的實質(zhì)性差異

在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中，有很多概念或原理名稱相同或相似，但在不同的層次中或具體問題環(huán)境下呈現(xiàn)出很大的差異，甚至是實質(zhì)性的不同 [7]。如復(fù)用，從網(wǎng)絡(luò)層次模型上看，上層會復(fù)用下層的服務(wù) ；從信道使用劃分上來看，有靜態(tài)復(fù)用和動態(tài)復(fù)用。如連接和無連接的概念，在物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層都是很重要的技術(shù)，但是每一層的實際實現(xiàn)技術(shù)原理和功能目標卻完全不同。再比如窗口機制，既可以用于流量控制，又可以用于擁塞控制，并且用于流量控制時，由于應(yīng)用環(huán)境、約束條件與功能目標的不同，在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層具體實現(xiàn)時的控制原理和交互過程有著實質(zhì)性差異。

鑒于此，在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，長期存在教師難教、學(xué)生難學(xué)現(xiàn)象，使得該課程停滯在淺層概念、簡單計算的講解和識記層面，嚴重制約著計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)效果，與新工科建設(shè)目標要求相距甚遠。因此，亟需從計算機網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征與創(chuàng)新性工程人才培養(yǎng)規(guī)格出發(fā)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)過程，將問題抽象建模、工程核心能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識及系統(tǒng)思維方式的訓(xùn)練與培養(yǎng)置于該課程的中心地位，充分發(fā)揮計算機網(wǎng)絡(luò)在計算機人才培養(yǎng)中的核心作用。

2 以創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)探索

2.1 空間映射，問題驅(qū)動

對于學(xué)生來說，計算機網(wǎng)絡(luò)是個既熟悉又陌生的系統(tǒng)，每天都在使用，但從沒考慮（或經(jīng)歷）過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建過程，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性及整體結(jié)構(gòu)缺乏基本的認識，對構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題及相應(yīng)的技術(shù)方案、設(shè)計原理缺乏感性認知。沒有問題意識，就失去了學(xué)習(xí)的原動力。基于此，本文從交通系統(tǒng)入手，從道路的設(shè)計修建、車道與路標管理、車輛行駛與流量管理、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)航、貨物運輸?shù)葘用鏄?gòu)建與網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容（物理層、數(shù)據(jù)鏈層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層與應(yīng)用層）對應(yīng)的 5 層模型，并在每層中抽象出相應(yīng)的問題。通過交通系統(tǒng)中的問題與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的問題相對應(yīng)，將計算機網(wǎng)絡(luò)空間映射為交通系統(tǒng)空間。由于學(xué)生對交通系統(tǒng)比較熟悉，很容易理解其中的問題，并且很多時候能夠根據(jù)日常生活經(jīng)驗給出相應(yīng)解決方案。在開始網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的講解之前，通過交通系統(tǒng)來討論需要面臨的問題及可能的解決方案，進而總結(jié)出計算機網(wǎng)絡(luò)中的問題，使學(xué)生了解問題，帶著問題學(xué)習(xí)。并在課程相關(guān)內(nèi)容結(jié)束時，再次將課堂講授的計算機網(wǎng)絡(luò)問題及解決方案代入交通系統(tǒng)進行對比。通過兩個系統(tǒng)的雙向映射，既降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，通過問題驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)的意愿，同時又使學(xué)生體會到客觀事物之間相通的一面，培養(yǎng)通過知識遷移發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

2.2 系統(tǒng)思維，模型優(yōu)先

從宏觀上看，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)是一個真正的復(fù)雜大系統(tǒng) ；從中觀上看，每一層（或相鄰的若干層）構(gòu)成一個相對復(fù)雜的中等系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)層 ；從微觀來看，每個協(xié)議都是一個相對獨立的子系統(tǒng)。因此，在計算機網(wǎng)絡(luò)中處處都能感受到系統(tǒng)的概念 [8]。在計算機學(xué)科中，針對復(fù)雜系統(tǒng)問題的基本思路是 ：分層、分類、模塊化、復(fù)用、封裝等，將復(fù)雜大系統(tǒng)分解為可以直接實現(xiàn)的小系統(tǒng)，對每個小系統(tǒng)建立嚴格的模型進行驗證和實現(xiàn)，小系統(tǒng)之間相互調(diào)用和整合最終實現(xiàn)系統(tǒng)整體目標，計算機網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)正是這一學(xué)科思想的最好實踐。為將這一學(xué)科思想滲透到課程教學(xué)中，除了協(xié)議自身的內(nèi)容之外，還會詳細討論兩個方面的內(nèi)容 ：協(xié)議在整個體系結(jié)構(gòu)中所處的位置，該協(xié)議與其他協(xié)議之間的關(guān)系 ；協(xié)議模型為運行的上下文環(huán)境、約束條件、觸發(fā)條件與狀態(tài)變遷等。例如 ：三次握手協(xié)議中對時間、序列號約束與確認驗證可行性之間的關(guān)系 ；信道分配問題中的 5 個假定條件的含義及作用等。通過這兩項內(nèi)容的深入講解，能夠有效提升學(xué)生利用專業(yè)的學(xué)科思維方式來解決復(fù)雜問題的能力。

2.3 知識融合，課程貫通

計算機網(wǎng)絡(luò)作為一門高年級的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及到諸多先修課程的知識，如編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機體系結(jié)構(gòu)等 ；同時，又是嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)編程等軟硬件系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。因此，在課程內(nèi)容的設(shè)計上應(yīng)定位于提升學(xué)生綜合理解計算機學(xué)科知識、培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力 [9]。為此，從兩方面設(shè)計課程內(nèi)容 ：一方面，綜合運用先修課程的基礎(chǔ)知識，突出協(xié)議關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵算法的設(shè)計以及協(xié)議源代碼閱讀，深入思考對比自己的設(shè)計與現(xiàn)有代碼實現(xiàn)方法之間的差異性，不斷提升協(xié)議實現(xiàn)與分析能力 ；另一方面，通過典型實例剖析網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何支撐應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，如網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序開發(fā)基本模型、套接字編程基本模式等。這兩個方面的融合使得學(xué)生通過既有知識的綜合運用，深入地理解了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)方法，并同時又理解了如何把新學(xué)到的網(wǎng)絡(luò)知識應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)。通過這樣的課程設(shè)計，使得零散的知識碎片構(gòu)成一個有機的網(wǎng)絡(luò)，有效提升學(xué)生對專業(yè)知識的認知和應(yīng)用能力。

2.4 問題抽象，講透實質(zhì)

在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中，有很多分布在多個層次的概念、技術(shù)，初看起來名稱各異、差別較大，但實質(zhì)都是服務(wù)于一個基本的目的或是同一問題的不同術(shù)語。如果單獨對每個技術(shù)、概念進行講解，學(xué)生很難理解且容易混淆，也看不到問題的實質(zhì)及其之間的關(guān)系。如果能通過對具體問題實例進行抽象，將諸多看起來千差萬別的問題統(tǒng)一到一個基本問題模型中，依據(jù)問題的實質(zhì)建立統(tǒng)一的解決方法，不但能夠有效提升學(xué)習(xí)效率，同時也可以培養(yǎng)學(xué)生深入思考的能力。這種對問題的本質(zhì)思考能力和底層認知邏輯是有效應(yīng)對瞬息萬變的應(yīng)用需求、技術(shù)革新的基本途徑。通過對計算機網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容的梳理，對窗口機制、流量控制、數(shù)據(jù)傳輸效率、信道利用率、吞吐量等分布在多個層次上的問題（機制）進行整合抽象，建立起統(tǒng)一的框架模型，并還原成一個初等物理問題 [10]，比如確認機制、連接、可靠性、重傳等也能夠統(tǒng)一到一個框架模型中。

3 結(jié) 語

經(jīng)過在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)教學(xué)實踐中不斷重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法，計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)取得了不錯的效果，得到了學(xué)生的一致好評。學(xué)生普遍認為課程信息量大、問題意識強，對于培養(yǎng)創(chuàng)新型工程能力有較大幫助。但是，還存在一些問題 ：優(yōu)化重構(gòu)后的課程內(nèi)容和難度略有增加，使得課堂講授時間比較緊張 ；同時，對實驗教學(xué)也提出了更高的要求，原來的課內(nèi)實驗時間明顯不足。后續(xù)將繼續(xù)探索如何實現(xiàn)理論與實驗的緊密銜接，適當(dāng)擴展課外實驗，使得理論教學(xué)、課內(nèi)實驗、課外實驗?zāi)軌蛉诤县炌ā?