“计算机网络”课程小班化教学：从理论到实践

［摘 要］ 结合近年来在计算机网络领域的科研和教学经验，探讨“计算机网络”课程小班化教学的建设思路和具体教学方法。在课程建设中，积极实施小班化教学和项目化教学模式，采用比较灵活的教学方法，注重理论教学和实践教学的有效结合。在理论教学中，通过生动讲解“计算机网络”的基本原理和核心知识，并适时分析计算机网络前沿技术发展现状，以拓宽学生的知识面，激发学生的学习兴趣。通过有效实施这些措施，取得了显著的教学效果，不仅增强了学生对计算机网络知识的掌握，也提高了学生的创新思维和实践动手能力，使“计算机网络”课程的教学质量和实效得到了显著提升。

［关键词］ 计算机网络；小班化教学；课程建设

［基金项目］ 2020年度江苏省自然科学基金面上项目“无人机小基站辅助无线网络智能切片机制研究”（BK20201357）

［作者简介］ 沈 航（1984—），男，江苏南京人，博士，南京工业大学计算机与信息工程学院副教授，主要从事计算机网络研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）43-0129-04 ［收稿日期］ 2023-10-27

“计算机网络”课程不仅是计算机科学专业的核心基础课，也广泛受到其他专业学生的欢迎和喜爱［1-2］。为培养适应网络信息社会需要的专业人才，南京工业大学计算机科学与技术专业已经入选国家级特色专业建设点。南京工业大学于2014年启动了“计算机网络”课程的教学改革和建设。

在“计算机网络”课程建设中，采用小班化教学和导师制的学习模式，强调理论教学和实践教学一体化。在理论教学方面，深入浅出地讲授计算机网络的基础知识和核心原理，并结合网络通信技术的发展现状，拓宽学生的知识面，激发他们对计算机网络的学习兴趣。同时，优化教学大纲，增加实验实践课程，配置了先进的网络设备和仿真平台，以期通过具体的实验操作，加深学生对网络体系结构、典型网络场景及通信协议工作原理的理解。另外，积极鼓励部分有潜力的学生参与科研项目，在导师指导下开展研究，加强学生独立分析和解决实际问题的能力，培养学生的创新思维［3］。

经过近几年的教学改革与建设，南京工业大学已初步形成一套比较完整和有效的“计算机网络”课程教学体系。通过不断总结经验和改进方法，以推动“计算机网络”课程教学水平的提高，为国家培养更多优秀的网络技术人才。

一、“计算机网络”课程设计方法

（一）采用以问题为导向的新型教学法，激发学生的学习兴趣

针对计算机网络中易出现的典型问题和现象，如拥塞控制、路由选择、传输协议、网络安全等，课前准备一些问题情况，在教学中结合这些典型的网络问题，引导学生主动思考和讨论问题的成因及解决方案。教师充分利用网络中的典型问题进行讲解，通过问题情境激发学生对知识点的好奇心。

（二）建立知识体系化教学

根据计算机网络技术发展的历史脉络和知识的逻辑框架，将网络体系结构、网络协议、网络设备等知识点进行系统化归纳，梳理计算机网络的发展历史，设计教学的知识框架和知识结构图，并通过层层递进的方式构建知识体系，帮助学生全面系统掌握计算机网络技术的发展脉络和知识框架，厘清知识逻辑，并对关键知识点进行有针对性讲解。

（三）强化项目驱动教学，促进知识内化

根据社会网络应用的实际情况，设置基于实际项目的教学案例，如校园网络规划、企业局域网搭建、网站构建等，将理论教学与实际项目需求相结合，通过分析项目实例，指导学生在实践中运用所学知识完成项目，达到理论联系实际的良好教学效果，提高学生将网络知识内化为解决实际问题的能力。

二、“计算机网络”课程理论教学

（一）设置情景教学

针对一些典型的网络环境和应用场景，如网页访问过程、文件下载过程、网络游戏过程等，设计情景教学案例，通过模拟网络工作过程，鼓励学生思考并讨论其中涉及的协议和网络设备，加深其对网络知识的理解。同时，设置一些问题，引导学生思考和讨论，充分调动学生的主观能动性。例如，可以设计一些与网络环境和协议相关的问题，让学生讨论TCP和UDP协议的区别及适用场景、讨论不同的路由选择协议优缺点等。另外，可以组织学生分组绘制网络拓扑结构的思维导图。在教授网络协议机制时，可以展示每个协议报文的数据格式和字段，以及动画模拟报文在网络中的传输，帮助学生深入理解；也可以通过视频演示一个网络攻击的过程，以便学生理解网络存在的安全漏洞。

（二）趣味性和竞争性议题

结合网络知识点，设计一些充满趣味性和竞争性的网络技术游戏，如网络技术填词竞赛、网络故障模拟排查竞赛、网络技术问答竞赛等。通过这些寓教于乐的游戏活动，激发学生的学习兴趣，检验他们对网络知识的掌握效果。同时，可以设置一些小组竞赛，强化团队协作精神。具体而言，可以安排网络技术填词竞赛，准备一些涉及计算机网络基础概念的词汇表，如协议名称、网络设备等，进行填空竞赛，或增加一些与网络故障类型相关的词汇，进行网络故障词汇填空竞赛。组织网络故障模拟排查竞赛，设计几个典型的网络故障场景，如服务器不能访问、网络速率下降等，让学生通过探寻现象，分析原因，最终定位故障。竞赛排名可以根据故障定位的效率和准确性评判。开展网络技术问答竞赛，设置选择题形式的网络技术题目，随机抽取题库中的题目，检查学生对计算机网络知识点的掌握程度。组织团队网络搭建竞赛，鼓励学生团队分工合作，在限定时间内搭建符合要求的网络系统，考核团队的协作能力，包含交换机和路由器的企业局域网。这些寓教于乐的游戏形式，既能够进行趣味性和竞争性的考核，提高学生的参与度，评估教学效果，也可以充分调动学生的参与热情，使其在娱乐中巩固计算机网络知识，达到较好的教学效果。

（三）构建案例教学

选择计算机网络中典型的故障案例，如路由配置错误引起的网络连接故障、大流量引起的网络拥塞故障等，通过案例演示，启发学生分析故障成因，并提出解决方案，达到理论联系实际的教学效果。可以准备一些典型的网络故障案例，如网络速率明显下降的故障，设置为带宽过载造成的拥塞故障；新加入的主机无法访问网络，设置为VLAN配置错误导致的故障；等等，引导学生分组对案例进行讨论并给出分析过程和解决方案。另外，可以提供一个虚拟的网络环境，让学生直接对故障场景进行还原和处理。通过这种融合理论和实际的案例教学，有助于提高学生处理网络故障的综合能力，激发学生的学习兴趣。

三、“计算机网络”课程实践教学

（一）任务驱动法强化实验教学

根据网络技术应用情况，为学生设计实验任务，如进行路由器配置、搭建企业局域网、设置网络安全等，学生须根据任务要求完成网络环境搭建，在完成实验任务的过程中，熟练掌握网络设备配置和网络环境搭建技能。实验任务设计须贴近实际，符合行业需求。例如，可以设计配置企业组网的实验任务，让学生完成企业内部网络的规划和设备配置。该网络须包含交换机、路由器、防火墙等设备，要求学生须完成网络拓扑设计、VLAN划分、路由策略配置、ACL访问控制列表设置等任务。还可以设计VPN网络的搭建任务，要求学生实现不同分支机构之间的安全访问。通过完成这些符合实际的网络规划和配置任务，有助于促使学生掌握网络设备的配置和管理。

（二）项目驱动法培养学生创新思维

根据当前计算机网络技术的发展趋势，可设置一些前沿的网络技术应用项目，如软件定义网络的搭建、IPv6网络规划等，通过引导学生学习和实践这些前沿技术项目，激发他们对新技术的好奇心，培养其新技术学习能力和创新思维。同时，教师要控制项目难度，避免学生产生畏难情绪。可以让学生以项目的方式学习SDN软件定义网络，研究SDN网络架构，使用OpenFlow协议完成路由器的虚拟化。也可以设置校园网IPv6规划项目，要求学生研究IPv6地址规划方案，设置转换机制，逐步完成IPv6迁移。另外，可以设置以太网网络升级项目，要求学生研究如何将原Fast Ethernet网络升级到Gigabit Ethernet。通过这些项目研究，不仅可以提高学生对新技术的认知，还可以培养其解决实际问题的能力。

（三）构建网络化的实验教学环境

为了加强实验教学效果，积极构建网络化的实验教学环境，可利用虚拟化和云计算技术，融合各种典型的网络设备和环境，建立在线的实验教学平台，使学生可以在任何时间和地点进行实验操作，实现教学资源的共享和利用。实验教学须依赖实验环境的稳定性和可靠性，确保学生获得顺畅和成功的实验经历。可以通过OpenStack等虚拟技术，在实验室构建虚拟化的网络实验环境，内置各种主流的网络设备如路由器、交换机、防火墙等。学生可以申请相关的虚拟设备和网络，进行网络规划、配置等实验；也可以建立Web页面，通过远程Web页面访问实验环境，灵活安排实验时间。通过网络化和虚拟化技术，可以实现开放和弹性的实验教学资源利用，提高学生的学习效果。

（四）增加具体案例讨论

增加具体案例讨论，促使学生在具体场景中运用所学知识，分析实际网络问题并提出解决方案，获得解决实际问题的经验，达到更好的教学效果。在对比不同路由协议的过程中，可以设置这样一个案例场景：一个公司的网络包含多个分支机构，网络结构复杂，须要选择合适的内部路由协议。可以让学生基于不同的网络拓扑条件，如星型、环型或层次化结构，比较分析RIP、IGRP、OSPF等路由协议的优劣。通过这个案例可以训练学生进行方案设计的能力。在选择最佳网络接入解决方案的过程中，可以设定这样一个案例：一个公司的网络接入带宽不足，须要进行升级。可以提供不同的带宽需求数据，让学生根据成本和性价比等条件，选择最优的网络接入解决方案，如升级到更高带宽的光纤接入、租用专线等，以培养学生进行网络规划和方案选择的能力。在模拟一次典型的DDOS攻击的过程中，可以构建一个模拟网络环境，配置多台服务器提供Web服务，然后发起一个分布式DDOS拒绝服务攻击，让学生通过监控网络流量变化、分析攻击特征，并根据分析结果采取限制IP访问、更换DNS解析等措施进行防御，最终恢复网络服务，以培养学生进行网络故障分析和处理的综合能力。

四、“计算机网络”课程理论教学与实践教学的有效协同

第一，理论教学须紧密联系实际，通过实例化的教学内容加深理解。例如，在讲授TCP协议时，可以结合网络视频学习的场景，解释TCP如何通过拥塞控制实现顺畅传输；在讲授IP协议时，可以通过网络游戏案例，说明IP协议如何负责数据报文的源到目标的传递；在讲授HTTP协议时，可以用浏览器访问网页的例子，解析HTTP在客户—服务器之间的请求—响应模式。

第二，在理论教学中加入适当的示范和模拟演练环节，如利用视频演示协议数据包的传输过程，以形象化抽象的概念。例如，可以通过动画演示TCP连接三次握手的过程，说明SYN、SYN-ACK等标志位的作用；可以通过模拟动画演示IP数据报文被封装的过程，解释TTL字段的意义；可以利用网络包抓取工具，演示抓取HTTP请求和响应报文，解析报文结构和内容。

第三，安排实验课与理论课同步进行，内容上高度相关。例如，在讲授了数据链路层的内容后，可以安排数据帧封装实验。让学生构造一个简单的网络环境，用网络仿真软件抓取数据帧，解释其中的源MAC地址、目标MAC地址、类型字段等，分析数据帧的封装与解封装过程，加深学生对数据链路层封装机制的理解。

第四，实验教学以验证和展示理论知识为主，适当设置设计性实验，培养学生的应用能力。例如，可以设置路由表配置验证性实验，验证不同路由协议的工作原理；设置模拟TCP连接过程的展示性实验，展示三次握手机制；设置校园网网络规划设计的设计性实验，提供网络用户和需求描述，要求学生设计网络拓扑、确定交换机型号、划分VLAN并配置路由协议，完成规划书，以培养设计能力。