面向物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程改革與探索

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(jì)革命加速發(fā)展。世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體紛紛啟動(dòng)“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(jìn)程。德國、美國、法國等分別啟動(dòng)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(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略部署 [1]。為在新工業(yè)革命發(fā)展進(jìn)程中搶占具有國際競爭力的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，從制造大國向制造 / 智造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，我國于 2015 年提出“中國制造 2025”，從 4 個(gè)方面、9 項(xiàng)戰(zhàn)略及10 個(gè)重點(diǎn)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(qiáng)大的創(chuàng)新動(dòng)力，將有效推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升國際競爭力和國家硬實(shí)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(dòng)了新工科建設(shè)規(guī)劃 ：瞄準(zhǔn)工業(yè)革命新機(jī)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(gè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)目標(biāo)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(xiàng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革方案。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特征分析

計(jì)算機(jī)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(shí)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(dòng)創(chuàng)新、技術(shù) -理論 - 應(yīng)用一體化的特點(diǎn)。

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

在設(shè)計(jì)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)時(shí)遵循分層、邊緣論和命運(yùn)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(shí)際的計(jì)算機(jī)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(yàn)和的計(jì)算以及 ICMP 等。邊緣論則涉及到對通信系統(tǒng)、終端用戶（主機(jī)）以及分層的大型系統(tǒng)之間在層次關(guān)系、功能劃分、目標(biāo)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(yùn)共享涉及到對通信實(shí)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(gè)概念。而對“有狀態(tài)” 和“連接”兩個(gè)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(yùn)共享這幾個(gè)原則之間還存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，再加上網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(qiáng)

作為通信與計(jì)算機(jī)融合而來的計(jì)算機(jī)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(duì)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(jì)算機(jī)學(xué)科的很多學(xué)生理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)底層通信原理的一道無法逾越的障礙。同時(shí)，還涉及到計(jì)算機(jī)學(xué)科中操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、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(shí)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(huì)影響到對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)原理的理解。同時(shí)，這些概念分布在各個(gè)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(dú)立的狀態(tài)。這就使得概念的時(shí)效性大大降低 ：前面的概念無法及時(shí)復(fù)習(xí)，形成邊學(xué)邊忘的狀態(tài)。

1.3 協(xié)議的動(dòng)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(jì)算機(jī)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(bào)文結(jié)構(gòu)、狀態(tài)變遷 ；同時(shí)也包含協(xié)議動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，如時(shí)序操作、狀態(tài)觸發(fā)、異常處理等隨時(shí)間動(dòng)態(tài)執(zhí)行的細(xì)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(gè)或多個(gè)實(shí)體之間的交互，并且隨協(xié)議上下文環(huán)境做出動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)只能以“黑盒”的方式觀察協(xié)議運(yùn)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(dú)立性與相互支撐關(guān)系

從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)來說，每個(gè)協(xié)議都是相對獨(dú)立的，有相對獨(dú)立的概念體系、交互方式和技術(shù)特點(diǎn) [6]。從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)際運(yùn)行來看，為保障網(wǎng)絡(luò)通信的順利進(jìn)行，很多協(xié)議又是相互支撐關(guān)系，存在著動(dòng)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(dú)立性使得知識(shí)點(diǎn)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(gè)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(gè)知識(shí)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(shí)質(zhì)性差異

在計(jì)算機(jī)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(shí)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(huì)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(dòng)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(shí)際實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理和功能目標(biāo)卻完全不同。再比如窗口機(jī)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(shí)，由于應(yīng)用環(huán)境、約束條件與功能目標(biāo)的不同，在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的控制原理和交互過程有著實(shí)質(zhì)性差異。

鑒于此，在計(jì)算機(jī)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(jì)算的講解和識(shí)記層面，嚴(yán)重制約著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)效果，與新工科建設(shè)目標(biāo)要求相距甚遠(yuǎn)。因此，亟需從計(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)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(dòng)

對于學(xué)生來說，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)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(rèn)識(shí)，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(jì)原理缺乏感性認(rèn)知。沒有問題意識(shí)，就失去了學(xué)習(xí)的原動(dòng)力?；诖耍疚膹慕煌ㄏ到y(tǒng)入手，從道路的設(shè)計(jì)修建、車道與路標(biāo)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(shí)候能夠根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)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(jìn)而總結(jié)出計(jì)算機(jī)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(shí)，再次將課堂講授的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題及解決方案代入交通系統(tǒng)進(jìn)行對比。通過兩個(gè)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(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的意愿，同時(shí)又使學(xué)生體會(huì)到客觀事物之間相通的一面，培養(yǎng)通過知識(shí)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(gè)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(gè)相對復(fù)雜的中等系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)層 ；從微觀來看，每個(gè)協(xié)議都是一個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)。因此，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中處處都能感受到系統(tǒng)的概念 [8]。在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)的小系統(tǒng)，對每個(gè)小系統(tǒng)建立嚴(yán)格的模型進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)，小系統(tǒng)之間相互調(diào)用和整合最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體目標(biāo)，計(jì)算機(jī)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(shí)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(huì)詳細(xì)討論兩個(gè)方面的內(nèi)容 ：協(xié)議在整個(gè)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(yùn)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(shí)間、序列號(hào)約束與確認(rèn)驗(yàn)證可行性之間的關(guān)系 ；信道分配問題中的 5 個(gè)假定條件的含義及作用等。通過這兩項(xiàng)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(shí)融合，課程貫通

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為一門高年級(jí)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(shí)，如編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等 ；同時(shí)，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(jì)上應(yīng)定位于提升學(xué)生綜合理解計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)、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(jì)課程內(nèi)容 ：一方面，綜合運(yùn)用先修課程的基礎(chǔ)知識(shí)，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(jì)以及協(xié)議源代碼閱讀，深入思考對比自己的設(shè)計(jì)與現(xiàn)有代碼實(shí)現(xiàn)方法之間的差異性，不斷提升協(xié)議實(shí)現(xiàn)與分析能力 ；另一方面，通過典型實(shí)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(dòng)程序開發(fā)基本模型、套接字編程基本模式等。這兩個(gè)方面的融合使得學(xué)生通過既有知識(shí)的綜合運(yùn)用，深入地理解了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并同時(shí)又理解了如何把新學(xué)到的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)。通過這樣的課程設(shè)計(jì)，使得零散的知識(shí)碎片構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，有效提升學(xué)生對專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知和應(yīng)用能力。

2.4 問題抽象，講透實(shí)質(zhì)

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中，有很多分布在多個(gè)層次的概念、技術(shù)，初看起來名稱各異、差別較大，但實(shí)質(zhì)都是服務(wù)于一個(gè)基本的目的或是同一問題的不同術(shù)語。如果單獨(dú)對每個(gè)技術(shù)、概念進(jìn)行講解，學(xué)生很難理解且容易混淆，也看不到問題的實(shí)質(zhì)及其之間的關(guān)系。如果能通過對具體問題實(shí)例進(jìn)行抽象，將諸多看起來千差萬別的問題統(tǒng)一到一個(gè)基本問題模型中，依據(jù)問題的實(shí)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(shí)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(rèn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容的梳理，對窗口機(jī)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(gè)層次上的問題（機(jī)制）進(jìn)行整合抽象，建立起統(tǒng)一的框架模型，并還原成一個(gè)初等物理問題 [10]，比如確認(rèn)機(jī)制、連接、可靠性、重傳等也能夠統(tǒng)一到一個(gè)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(shí)踐中不斷重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)取得了不錯(cuò)的效果，得到了學(xué)生的一致好評(píng)。學(xué)生普遍認(rèn)為課程信息量大、問題意識(shí)強(qiáng)，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(shí)間比較緊張 ；同時(shí)，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)也提出了更高的要求，原來的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間明顯不足。后續(xù)將繼續(xù)探索如何實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密銜接，適當(dāng)擴(kuò)展課外實(shí)驗(yàn)，使得理論教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉诤县炌ā?