研究生计算机网络课程体系研究与实践

李　巍　李云春　夏春和

摘要:本文研究面向研究生的计算机网络课程体系,包括教学内容和教学方法等。在计算机网络课程的教学实践中,以专题研究组织教学内容,将教学活动分解为相辅相成的三个环节:授课和阅读,课程设计,以及研讨环节。同时,将理论性教学和实践性教学有机结合。教学实践表明,将科研素养的培养融合在课程教学过程中,有助于培养学生在计算机网络领域的研究和创新能力。

关键词:计算机网络;课程体系;教学研究

中图分类号:G642 文献标识码:A

1引言

计算机网络是一个发展迅速的学科,主流的网络技术在不断更新换代,从早期的Novell网、FDDI、ATM、高速以太网到目前的Internet、无线网络、光网络等,不仅网络技术在发展,应用场景不断丰富和多样化,同时也不断面临新的问题和挑战。大量的研究成果和技术产品以及跨学科的特点使得该领域的内容非常庞杂,这对计算机网络课程教学带来很大挑战。同时,计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的学科领域,随着网络覆盖范围和应用领域的迅速扩展,计算机网络已经成为工作和科研中的重要基础设施之一。

目前,国内外知名高校的研究生计算机网络课程一般分两类,一类是核心课程,按照传统的分层体系结构组织;一类是选修课程,主要是前沿技术的专题讲座,由从事相关研究工作人员组织论文讨论。作为核心课程的研究生计算机网络课,在深度和广度上比本科的计算机网络课程有很大提高。

本科教学强调基础知识的完整性和系统性,而研究生教育侧重于研究方法的学习和科研能力的培养。传统的以教材为核心的教学方式已经不能适应研究生课程教学的需求,而单纯以学科前沿研究组织教学内容会使知识体系不连贯。因此,研究生的计算机网络课程教学需要基础理论和前沿研究并重,以适应计算机网络技术的飞速发展和研究型人才培养的需求。

本论文研究面向研究生的计算机网络课程体系,包括教学内容和教学方式等。提出以专题研究组织教学内容,将教学活动分解为相辅相成的三个环节:授课和阅读、课程设计、研讨。将理论性教学和实践性教学有机结合,使学生真正掌握和理解理论知识,并进一步培养学生刻苦钻研、勤于探索、勇于创新的科研精神。

2理论框架和专题相结合的课程内容体系结构

计算机网络技术具有学科交叉和多样性的特点。深入理解计算机网络体系结构的基础框架有助于学生掌握计算机网络的前沿研究的关键技术。因此,课程采用系统的理论框架和专题相结合的教学内容体系结构。

面向专题是指在以若干专题为主线,组合教学内容展开教学的方法。计算机网络技术更新迅速,研究热点不断变化,具有专题性的特点。如果拘泥于教材往往造成教学内容和技术发展现状脱节。另一方面,网络技术发展的过程仍遵循分层体系结构的框架,深入理解计算机网络体系结构有助于学生把握技术发展的脉络,理解和掌握计算机网络的前沿研究和关键技术。

因此,在课程内容体系上,我们仍采用传统的分层体系结构组织教学内容。但在每一层的内容组织上,包括基础理论和专题两部分。首先简要回顾基础知识,通过梳理系统的理论框架,引导不同本科专业背景的研究生自主修补基础知识、拾遗补缺。然后根据当前的研究热点精选若干研究专题,通过选择一些高质量的有代表性的学术论文进行深入分析,包括结构、模型、关键协议和算法分析等。这样,一方面兼顾本科非计算机专业的学生尽快系统了解基础知识要点,突出计算机网络分层体系结构的特点,同时,通过专题突出重点的教学内容,以点带面,使学生掌握计算机网络领域的研究方向和研究方法。

课程内容体系分为五部分。

(1) 计算机网络体系结构概述,主要回顾计算机网络的基本知识,应用范围和研究热点,强化分层体系结构的概念。研究专题:Internet的体系结构设计;端到端的设计思想。

(2) 高速数字接入技术和数据传输(物理层和数据链路层),教学目标:回顾网络物理层传输的多样化的特点,使学生理解点到点链路、广播链路、交换链路的链路层协议设计要点、协议和关键算法。研究专题为介质访问控制层协议分析:CSMA/CD和CSMA/CA。

(3) 分组交换和网络互连(网络层),教学目标:使学生理解网络层协议的设计方法,以Internet网络路由协议为实例,理解单播、组播和任意播路由算法的原理和特点等。研究专题:Internet上的路由技术(单播,多播,任意播,无线路由)。

(4) 网络资源管理(网络层和传输层),教学目标:通过分析网络环境和应用的需求特点,使学生理解资源管理的方法和研究方向,掌握面向应用的传输层协议的设计方法和关键算法,掌握TCP协议中拥塞控制的方法及关键算法,理解服务质量保障的主要方法。研究专题:拥塞控制机制分析,服务质量保障机制。

(5) 应用层网络,教学目标:使学生掌握应用层覆盖网络和P2P模型的原理和关键算法,理解网络安全的相关研究热点,理解跨Internet网络的测量和管理方法面临的问题及最新研究方向。研究专题:网络安全和网络管理。

3三个环节相结合的教学模式

在教学方法方面,采用“三个环节”教学模式,即授课和阅读环节、课程设计环节以及研讨环节,探索从传授型课程向研究型课程转变的有效途径,使研究生从被动接受知识变为主动学习和灵活运用知识,通过课程教学加强对研究生科研能力的训练和培养。

(1) 授课和阅读环节

这是整个教学活动的基础。在授课过程中,一方面从整体把握课程的知识体系和研究热点,强调知识体系内在的联系,另一方面,专题选择应具有开放性的特点,使得研究生经过各个专题的学习后,能够自主选择自己感兴趣的研究领域,提出课程设计的选题,完成后续课程设计环节的任务。

论文阅读的安排穿插在教学过程中。根据当前的研究热点和需要解决的技术难点确定若干问题,选择一些高质量的有代表性的学术论文进行深入分析。学生根据教师提供的参考论文,完成论文评述报告。教师在教学过程中安排课堂交流和讨论。通过这种方式促进师生互动,一方面了解学生的学习过程,同时有助于培养学生分析问题和解决问题的能力。

(2) 课程设计环节

该环节是在教师给定的专题框架下,使学生自主选择自己感兴趣的研究课题,完成课程设计。该环节强调对学生主动学习能力以及科研能力的培养,使研究生在完成课程设计的过程中,理论联系实际、独立思考、发现问题并寻求解决问题的科学方法。

课程设计的类型可以选择网络实验课程体系中的自主设计型实验或者研究型创新实验类型,也可以是基于网络模拟平台的仿真研究等,以便使不同基础的学生都能有适合的选择。课程设计和授课环节有一定并行期,便于学生尽早开展研究工作。授课阶段结束后,学生在给定时间内继续完成课程设计的研究工作。

(3) 研讨环节

该环节是对教学过程的重要补充,强调师生的共同参与。由于在前期授课阶段侧重于各个知识点之间的区别和特性,通过组织分组讨论和交流,能够很好体现它们之间的关联性和共性,便于学生在讨论中进行知识融合。在讨论过程中,还可以发现学生基础知识方面的欠缺,及时进行弥补。另一方面,学生在完成课程设计过程中,有很多创新的思路,通过讨论有助于相互交流研究方法和经验。

研讨环节采用小组互评和教师点评相结合的方式,即在同一专题的讨论中,教师选择研究工作有特色的小组进行汇报,其他组为评价组,进行提问和研讨。这样,在分组讨论中调动每个学生的积极性,收到了较好的效果。在讨论过程中,教师要及时进行归纳和总结,使讨论不断深化,同时,还需要控制讨论时间,按计划完成讨论课的教学阶段。

在考核方面,我们根据教学要求将考核成绩分成三部分:平时作业、课程设计和笔试。其中平时作业督促和检查学生完成基本学习任务的情况,课程设计考察学生综合运用所学知识解决实际问题的能力,笔试侧重于考核学生对基本理论的掌握情况。通过这种考核方法能够较全面反映学生的学习情况,同时也有利于学习过程的管理。

4课程设计的教学分析

以面向计算机学院研究生开设的“高等计算机网络”教学中的课程设计为例,我们进行了几轮教学周期的探索。

第一阶段是教学改革的初始阶段,侧重于在原有教材的基础上拓宽教学内容的广度。在课程教学中,专题内容覆盖面较宽,针对计算机网络体系结构的每一层中给出相关的研究论文,包括经典的研究论文和前沿研究的最新成果,作为学生课后阅读的资料。

从学生完成课程设计的情况看(如图1所示),学生在课程设计中的选题相对集中,例如,选择专题三的学生占35%,但普遍缺乏自主研究的内容。这是由于有相当数量的学生并没有真正理解课程设计的要求和研究专题的内涵,没有主动对前沿研究成果进行进一步检索和跟踪,反映出研究方法和研究能力上的不足。

第二阶段:在第一轮教学的基础上适当缩小内容的覆盖面,并强化深度。在教学大纲的框架下,对教学内容重点进行了调整,侧重当前活跃的研究领域,突出重点的专题,对一些内涵丰富的专题进行细分。在课程设计选题中,增加了和学生科研工作相关的自选课题。从课程设计完成情况看(如图2所示),学生的自选课题很有新意,能够灵活运用所学知识解决实际问题。但有的专题选择的学生较少,表明大多数同学不熟悉该专题,在教学过程中需要强化这方面的内容。

第三阶段:深度和广度的进一步调整:在专题选择上,将基础知识与前沿研究有机结合,一方面突出前沿研究领域,进一步加强对前沿研究的跟踪,同时,也强调对基础问题的解决方法的理解。在阅读论文方面,每个专题都选择一些有代表性的基础论文和前沿研究论文。同时,加强过程管理。在教学过程中,穿插论文阅读和讨论,对学生的论文阅读进行分析和点评,并对学生的研究兴趣进行反馈。

从课程设计的完成情况看(如图3所示),学生对当前的技术热点更感兴趣,对前沿研究进行跟踪,有新颖性。同时,分析和解决问题的能力有所增强,研究工作的自主性大大提高。但有一个基础性的专题没有学生选择,这需要在今后的教学中进一步探索如何引导学生兴趣和教学目标的协调。通过上述课程设计完成情况的深入分析,可以看到,加强授课过程中的研究性和自主性学习,拓宽知识面,有助于提高学生的研究和创新能力。

5结束语

研究和教学实践表明,将科学研究方法和研究能力的培养融合在课程教学过程中,有助于培养学生的科研和创新能力。今后我们将在以下方面继续开展深入的工作:进一步梳理本课程的基础理论和前沿研究的关系,丰富和完善课程的基础理论体系。强化课程设计中的实践环节和后续网络实验课程的衔接,使学生掌握基于网络模拟平台的研究方法和基于网络实验床的研究方法。另一方面,在目前“三个环节”教学方法的基础上,优化教学过程管理,合理安排各个环节的相互关联,同时,采用教学辅助系统有效管理教学的全过程。

参考文献:

[1] 刘亚敏,胡甲刚. 研究性教学及其在研究生教育中的实施[J]. 学位与研究生教育,2006(10),4.

[2] 谢安邦. 构建合理的研究生教育课程体系[J]. 高等教育研究,2003(5):68-72.

[3] 李巍,李云春. 专题研究教学模式探索与实践[J]. 计算机教育,2008(14):87-89.

Research and Practice of Computer Networks Curriculum Teaching for Graduated Students

LI Wei, LI Yun-chun, XIA Chun-he

(School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083)

Abstract: This paper works on research of computer networks curriculum architecture for graduated students, including course contents and teaching methods. According to the teaching practice, a subject-oriented organizing method of computer networks course contents is presented, and the teaching activity is divided into three stages, including teaching & reading, course projects and discussion. We also explore the method of the organic integration of theoretical teaching and practical teaching. Teaching practice shows that the cultivation of scientific literacy integrated in the curriculum process can help to improve the research and innovation capabilities of graduated students in the field of computer networks.

Key words: computer networks; curriculum architecture; teaching research