基于工程教育模式的计算机网络工程课程群教学改革研究与实践

李广琼 陈荣元 黄少年 季 洁

（湖南工商大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410205）

0 引言

中国工程教育认证协会颁布的工程教育认证专业标准中，涵盖了专业的培养目标、毕业要求、评估、机制等五个方面，其中标准中所提到的“复杂工程问题”是指，能够运用所学的工程问题的基本理论，分析并解决复杂的工程问题。在计算机科学与技术专业工程教育认证标准中，要求学生能够掌握计算机科学的基本理论和基本研究方法，学生完成专业课程的系统学习之后，能够具有较好的科学素质和创新精神，能够运用所学的理论和方法解决专业中的基本问题并能够初步开发出系统。根据湖南工商大学计算机科学与技术专业人才培养方案得知，计算机网络工程课程群包含了计算机网络工程、 计算机网络工程实验、网络工程课程设计三门课程，湖南工商大学计算机科学与技术专业的培养方案里，计算机网络工程课程群是必修的课程，体现了计算机网络方向的就业分支，课程群具有知识点多，协议原理多，实践性强的特点[1]。通过学习国际上工程教育模式的先进理念，课程团队开展面向工程教育的CDIO 模式驱动的教学改革，开展计算机网络工程课程群建设，对课程群的教学方法与手段、考核评价方式等方面进行改革和创新。

1 目前计算机网络工程课程群教学中的现状分析

通过查阅湖南工商大学计算机科学与技术专业最新版的人才培养方案，计算机网络工程课程的学分是0.5 学分，16 节课，本课程以计算机网络工程的基础知识、以太网和无线局域网技术、交换机技术与应用、路由器技术与应用、网络安全技术与应用、服务器技术与应用等计算机网络的各项基本技术和主流技术为基础，说明计算机网络工程的思想和结构，突出一般的计算机网络的设计、配置和管理方法，并对网络的设计、开发和应用中的实际问题和网络发展中的热点问题进行了讨论，力求培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生进一步学习做准备。 目前该课程在教学中存在的主要问题是学生缺乏网络设备的总体拓扑结构思想，不能从整体上构思整个网络设备的配置和架构。

计算机网络工程实验是0.5 学分，20 节课组成，主要任务是让学生熟悉和掌握网络服务及网络设备的安装、配置及操作，熟悉网络规划的知识，掌握TCP/IP 网络的调试方法及一些实用命令的使用以及网络设计的实践。 教学中存在的问题，一是学生在用Packet Tracer 仿真平台做实验时，往往没有分析该实验背后的理论支撑知识，许多同学是照着实验教材的配置命令配置一遍，并没有思考其中的理论点，真正能在实验中主动思考和探索的学生只有少数，学习的积极主动性不高。 二是实验完成后，许多同学忙着提交实验作业，没有总结的习惯，所以导致不能对所学知识点融会贯通，举一反三，使学生的实际动手能力打了折扣。

网络工程课程设计的学分是1 学分，两周集训时间，本课程要求学生按照系统集成的基本流程，使用常见的网络设备和相关网络服务完成一个小型广域网络的搭建并能够实现各种网络服务，并最终以课程设计作品和文档来证明其完成各种实际任务的能力，从而反映出学生理解和掌握计算机网络工程的思想和方法的程度，运用计算机网络设备和相关软件进行实践的水平和能力。 在实训过程中，由于用的是模拟设备，缺乏真实的设备环境，学生在综合网络配置的案例中存在遇到网络故障不能运用理论知识及时解决的问题。

随着移动互联网开发技术的不断完善，微课堂、慕课等线上教学的兴起，确实给同学们的专业学习带来了全新的体验，但在众多眼花缭乱的视觉冲击下，学生如何更好地萃取互联网的精华为我所用，是教师要迫切思考和解决的问题。 学生如何能够在线下和线上教学中找到新的平衡点，充分利用好互联网这把双刃剑，真正地学有所长，而不至于走马观花，陷入快餐化和功利化的学习中。 因此，如何高效地利用开放、资源共享的互联网促进专业课程的学习，是迫切要探索的问题。

2 面向工程教育的C DIO 模式驱动的计算机网络工程课程群教学改革

参考和学习国际上工程教育模式的先进经验，结合湖南工商大学地方经济服务的优势，工商类计算机科学与技术专业培养方案的特点，提出培养“管理+工程”应用型工程技术人才作为计算机网络工程课程群的目标。

2001年，美国的麻省理工学院联合其他3 所高校，共同研发出一种新的工程教育模式，命名为CDIO 工程教育模式，CDIO 代表构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）[2]，它的理念是学生既要扎实地掌握本工程专业的基本理论和基本知识，又要具备理论在实际工程问题中的应用能力，团队协作能力。CDIO 工程教育模式在我国经过十几年的应用和发展，已经形成了具有中国特色的新型工程教育模式。

2.1 面向工程教育的CDIO 模式驱动的计算机网络工程课程群教学内容的改革研究

基于CDIO 模式驱动的网络工程实验课程中，采用仿真设计与实验测试相结合的方法，针对教学内容构思和设计实际工程实例，仿真实现运用华为公司的eNSP 模拟软件验证，该阶段分成几步来完成，第一步，根据实验的难度级别对学生分组。第二步，每组成员合理分工，有建拓扑图的成员，有配置网络设备IP地址的成员，有进行综合配置的成员，有进行问题查验的成员，成员之间考验的是团队协作能力，着重培养学生综合实践的能力和沟通互助能力，引导学生根据需求分析进行网络拓扑的设计、 子网划分、 设备互联、VPN 配置以及在不同的网络环境下配置恰当的路由协议等，提高学生的工程实践能力和协作学习能力。

基于CDIO 模式驱动的网络工程课程设计环节中，通过校企合作的方式进行，基础实践环节以华为模拟器仿真实验为主，在综合性设计实验中，由合作的企业提供真实的物理网络设备，形成以学生思考、实践为主，教师讲授、演示为辅的教学模式，达到“在课堂中理解”和“在项目中实践”的教学效果，保证CDIO 学习的良好效果。

2.2 面向工程教育的CDIO 模式驱动的计算机网络工程课程群教学方式的改革研究

研究基于CDIO 模式的网络工程课程群，新的教学形式和方法，适应工商大学培养目标特色的教学理念，在教学内容的组织和设计上推陈出新，根据所实践课程群的特点，形成知识体系相对完整的课程群；设计基于CDIO 模式驱动的《计算机网络工程》《计算机网络工程实验》《网络工程课程设计》课程群的教学内容，教学方法，为二级学院课程建设提供决策依据。

2.2.1 基于CDIO 模式驱动的网络工程理论体系改革研究[3]

计算机网络工程理论课程的构成：精心组织课程教学单元，将理论内容分割成一个个模块，在教学中以每个模块的知识点为主线，突出重点和难点，在内容的安排上紧紧围绕构建校园网、园区网等工程网络这条主线，在介绍技术原理的同时，兼顾技术的具体应用，强调理论与实践相结合。 根据计算机网络工程实践性特别强的特点，每个知识点配套一个工程案例的讲解，在理论中渗入实践，润物细无声般地把重点知识点讲授给学生。同时，重视网络工程的实践性，在项目的甄选上注重典型性和实用性，使学生通过该课程的学习，能够掌握交换机、路由器等网络设备的配置技巧，同时从宏观上引导学生逐步树立项目的全局观念，为网络工程思维的建立奠定基础，提高学生解决实际问题的能力。由于网络工程课程的项目化特点突出，根据CDIO 驱动的能力体系架构，提出以“在项目中实践，训练能力的提升”的工程思维。

2.2.2 基于CDIO 模式驱动的网络工程实验体系改革研究

计算机网络工程实验课程的组织，在每次实验中，根据实验的特点，按照CDIO 工程教育模式，把实验从构思、设计、实现、运行四个维度进行设计，学生的知识结构自然由基础理论知识和理论应用知识构成，每个维度的设计合理化，精确化，实验内容都以CDIO 驱动教育理念为导向，指导学生运用现有知识构思和设计具体项目，使学生的理论水平和动手能力都能得到提高，每次实验完成后，学生能自然探究其背后支撑的理论知识点，真正能够做到举一反三，活学活用。

2.2.3 基于CDIO 模式驱动的网络工程课程设计改革研究

以工程教育CDIO 驱动理念为导向，学生按照系统集成的基本流程，使用常见的网络设备和相关网络服务能够完成一个小型广域网络的搭建并能够实现各种网络服务，并最终以课程设计作品和文档来证明其完成各种实际任务的能力，从而反映出学生理解和掌握基于CDIO 工程教育理念的计算机网络工程的思想和方法的程度，运用计算机网络设备和相关软件进行实践的水平和能力。在项目实施的整个过程中以学生为主体，教师只起到监督和指导的作用。

3 基于工程教育模式的C DIO 驱动的计算机网络工程课程群教学改革实践与评价

与传统的计算机网络工程课程群教学方式相比，基于工程教育的CDIO 模式中，首先实现教师由演示者向指导者转换；学生由以前的照本宣科，依葫芦画瓢向新型的探究和创新者转变，培养人才由教科书经验式人才向创新性人才模式转变。 其次，教师的角色发生转变，由以前照本宣科式教学法向善于运用教学策略，启发学生思维，鼓励学生将自主设计、自主探索与协作研究相结合的身份转变，对教师队伍提出更高要求，从而不断锤炼学生的创新思维、分析问题、解决问题的能力，达到培养学生的创新能力和实践能力的目标。

基于工程教育模式的CDIO 驱动的教学实践的实施主要包括如下三个方面：

（1）CDIO 驱动教学的设计思想

在网络工程课程群的教学中，切入CDIO 工程教育模式的四个阶段（构思、设计、实现、运作），从培养学生创新能力和实践能力出发，整体规划设计计算机网络工程课程群的教学内容，把现代教育技术与培养思路和目标融入教学之中，对于网络工程课程群的重点知识点和难以理解的内容，采用基于项目驱动的教学方式来理解；针对缺乏设备、场地不适合、实验时间过长等实验情况可以通过网络工程仿真实验来补充，从而达到不断完善培养目标、科学构建教学体系的目的。

（2）CDIO 驱动的教学组织形式与指导方法

计算机网络工程实验在开课前，由教师先完成一遍实验，再指导学生开展实验，每次实验课时，第一步，教师讲授该次实验所关联的网络工程理论知识、实验目的、实验要求、重点和难点；第二步，同学分组合作完成实验；第三步，同学们撰写实验报告，实验过程中，学生在实验中出现任何问题，教师能够当面解答；第四步，学生对该次实验进行总结，在整个实验过程中遇到了哪些问题，这些问题是如何解决的[4]。

由具有计算机网络工程企业经验的双师型教师或者实践经验丰富的教师负责指导计算机网络工程实验，通过校企合作的方式进行网络工程课程设计，企业组织网络工程的课程教学中，按照CDIO 驱动模式四个阶段设计案例。学生在课程设计中由模仿者向探究和创新者转换，探究过程既提升了学生对网络工程理论和技术的理解，也潜移默化地培养了学生的科研能力。

（3）CDIO 驱动的计算机网络工程课程群考核机制

计算机网络工程、计算机网络工程实验、网络工程课程设计的考核机制从CDIO 的四个维度来设计，即构思、设计、实现和运作，计算机网络工程和计算机网络工程实验两门课程制作好题库，采用在线云考试系统完成，实验侧重评价学生分析问题和解决问题的能力，理论和实验考试以平时成绩占20%，期中考试占30%，期末考试占50%，学生每次的实验报告和实验成绩构成了平时成绩，网络工程课程设计着重考查学生综合分析、设计案例的能力[5-6]。

4 结束语

将工程教育模式的CDIO 驱动应用于计算机网络工程课程群，使该课程群在教学理念、授课形式、资源建设、线上与线下教学方法上加以改进，最终在考核结果等方面都取得了较好的效果，通过学生的问卷调查显示，90%以上的学生认为自己对网络工程的学习热情提高了，综合大型局域网组网和设计的能力也提高了，85%以上的学生认为在该门功课上花了较多的时间。 从学生的测试成绩来看，明显高于往年。 但是，课程群的内容还不能完全满足学生的个性化培养与发展，网络课程的内容与形式也不够丰富，需要持续创新与改进。