新工科背景下计算机网络课程实验教学体系的研究

摘  要：培養具有知识和能力的高素质人才是当前高校人才培养的目标，实验模式的创新对于创新人才知识（学科基础知识、专业教育知识）和能力（分析问题能力、解决工程问题能力、研究探索能力等）的培养具有重要的指导作用，而实验模式中的实验教学水平直接决定了学生专业核心能力的培养质量，并对今后学科专业学习以及发展均具有举足轻重的作用和影响。为了探索计算机网络实验模式和实验教学体系，构建了基于O2O（Online To Offline）计算机网络课程实验教学体系。文章针对计算机科学与技术专业的计算机网络课程实验教学内容陈旧和形式单一的现状，以及传统实验教学中存在的普遍性问题，结合计算机网络课程的特点，探讨了工程教育认证和新工科背景下计算机网络课程实验教学体系，提出了基于O2O的计算机网络课程实验教学实践体系。基于O2O的计算机网络课程实验教学模式改变了传统以演示性、验证性实验为主的弊端，扩大了实验教学的空间和时间，全面展示学生的个性化，对于培养学生的创新意识，激发学生的主动性和创造性具有指导意义。通过对三届本科生计算机网络课程实验教学实践，取得了良好效果，为计算机网络课程实验教学提供了参考和借鉴。

关键词：计算机网络;实验教学;新工科;工程教育专业认证

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）32-0101-04

Abstract： Cultivating high-quality talents with knowledge and ability is the current goal of talent cultivation in universities. The innovation of experimental mode plays an important guiding role in the cultivation of innovative talents' knowledge（basic knowledge of disciplines， professional education knowledge） and ability（ability to analyze problems， ability to solve engineering problems， ability to research and explore， etc.）， and the experimental teaching level in the experimental mode directly determines the quality of experimental teaching. The cultivation quality of students' professional core competence plays an important role in the future study and development of the discipline. In order to explore the experimental mode and teaching system of computer network， the experimental teaching system of computer network based on O2O（online to offline） is constructed. In view of the current situation of obsolete content and single form of computer network experiment teaching in computer science and technology specialty and the common problems existing in traditional experiment teaching， this paper discusses the computer network experiment teaching system under the background of engineering education certification and new engineering， and puts forward the computer network experiment teaching system based on O2O teaching practice system. The computer network experimental teaching mode based on O2O has changed the disadvantages of traditional demonstration and verification experiments， expanded the space and time of experimental teaching， and comprehensively displayed the students' individuality， which has guiding significance for cultivating students' innovative consciousness and stimulating students' initiative and creativity. Through the three sessions of undergraduate computer network experimental teaching practice， good results have been achieved， which provides a reference for computer network experimental teaching.

Keywords： computer network; experimental teaching; new engineering; engineering education and professional certification

我国的经济建设正步入以工业互联网为基础的企业数字化转型快车道，创新复合型人才的培养已经成为高校人才培养的重中之重，随着互联网的高速发展，互联网与传统教育的结合形态越来越多样。随着以5G、物联网、云计算、大数据等新兴技术为代表的新一代信息通信技术的快速迭代发展，感知-通信-计算一体化及协同融合创新发展是新一代信息通信技术发展的必然趋势。计算机网络是计算机技术、通信技术紧密结合并不断发展的产物，伴随着物联网、云计算以及大数据的发展，信息技术能力培养的生态环境也发生着重大的变革，针对计算机网络是一门理论性、系统性和实践性很强的课程特点，文献[1]把O2O模式用于高校网络育人工作中，多年来许多学者对计算机网络课程及其实验教学体系进行了探索。文献[2]就新工科背景下计算机网络实验教学模式进行了探索。文献[3]就在线开放课程建设实践用于地方高校，取得了良好效果。文献[4]对本科生计算机网络课程的教学内容的改革进行了探索。文献[5]针对 “互联网+”背景下的计算机网络课程改革进行了思考和实践。文献[6]对计算机网络课程实验教学改革与实践，特别是线上教学模式进行了设计和实现。文献[7]和文献[8]的作者经过对计算机网络课程教学多年实践进行了深入思考。计算机网络课程实验教学是计算机网络课程的一个重要组成部分。由于计算机网络技术更新快、理论体系复杂，如何进行实验教学改革是网络实验教学面临的新问题。

如何更好地设计计算机网络课程实验教学体系以清晰表达计算机网络技术最基本的工作原理以及研究问题的基本方法，以面对不断变化的新技术，针对本科生知识结构，如何创新计算机网络课程实验教学体系模式以满足计算机网络人才和产业对创新意识、实践能力的需求？这些问题正是作者思考的出发点，也是作者研究的动机。

为了突出学生在计算机网络课程教学体系中创新能力尤其是动手实践能力的培养，通过有目的、有系统地创新实践教学环节，使学生树立创新意识，开发创新思维，掌握创新技能方法，从而提高学生创新素质。本文结合计算机网络课程的特点以及工程教育认证和新工科建设新要求，提出了基于O2O（Online To Offline）的计算机网络课程实验教学体系的创新模式改革，构建了O2O计算机网络课程实验教学体系，基于O2O（Online To Offline）的计算机网络课程实验教学体系是计算机网络课程实验教学模式的一个尝试性的探索，是实验教学领域的一次创新。将传统计算机网络课程实验教学内容整合划分为线上、线下两个部分，构建一个O2O的开放性的实验教学体系，在虚拟化和其他信息技术手段的应用下，使实验教学、学习活动在线上和线下得以充分展开，线下成为线上教学活动的辅助手段和有力补充。通过O2O的开放性的实验教学实验平台，学生的实践操作将不受时间和空间的限制，学生可以自己选择合适的时间完成实验，极大地提高了实验室网络设备的利用率，使实验教学体系更贴近教学实际，达到比较好的教学效果。

一、构建基于O2O的计算机网络课程实验教学体系的基本思路

就目前国内计算机网络课程实验教学现状来看，大多数高校由于网络实验室实验设备数量以及使用时间和空间限制很难满足学生对计算机网络课程实验需求，导致大多数学生实际动手操作和网络实践能力弱，更谈不上创新意识的培养。因此，创新计算机网课程实验教学模式对于培养学生的实践能力和解决问题能力是至关重要的。

根据计算机专业本科生培养计划和目标，我们将“系统能力”和“解决复杂问题能力”明确为计算机专业本科生的专业核心能力，并始终是本科教学建设的重心所在。而专业核心能力培养对应课程体系均包含了大量实验，其实验教学水平直接决定了学生专业核心能力的培养质量，并对今后专业学习以及发展均具有举足轻重的作用和影响。

针对实验教学的问题，对照工程认证和新工科建设的目标，提出了基于O2O的计算机网络课程实验教学体系构建的研究目标、基本思路和教学理念，从平台、实验、质量等方面系统性地构造了线上线下实验教学体系，在计算机网络课程实验教学中进行了以学生为中心的新模式探索，取得了显著成果。

二、基于O2O的计算机网络课程实验教学体系构架和实践

（一）传统实验模式的普遍性问题

当前线上教育主要聚集在计算机网络课程基本理论知识，计算机网络课程实验教学线上资源严重匮乏，尤其缺乏研究类、创新类和实验类在线实验;同时，受实验设备及管理的时限制约，传统实验模式下学生做计算机网络课程实验缺乏灵活性和时间保障;传统实验模式由于缺乏学生实验过程数据，一方面难以精准定位学生学习难点，另一方面难以实现早期过程控制，质量控制粗糙。

（二）基于O2O的计算机网络课程实验教学体系构架

基于O2O计算机网络课程实验教学体系实验平台由线下实验环境（10个实验柜，4台实验主机组成。每个实验柜中由2个路由器和2台交换机以及转接RJ45插线槽组成），为完成验证网络基本理论、网络设备配置、设备组网、网络管理实验，将路由器、交换机、PC机等设备组成一组进行实验。整个实验室由实验台构成，如图1所示。每个实验台就是一个教学模块。可将做实验的学生分为多组，一组一个实验台，学生在一个实验台内协作配合完成网络实验。

线上实验管理平台组成，如图2所示。

線上实验管理平台实现整个实验过程的虚拟化、网络化、在线化、智能化，即实现了以下功能：

1. 通过云虚拟化技术，将真实的路由器和交换机部署到网上，实现“7*24”预约服务。由于在线实验平台将所有的实验资源均封装在实验云中，突破了传统实验模式的时空限制，学生能够随时、随地通过互联网进行在线实验，实验结果能快速反馈给学生。

2. 良好的实验环境体验，实现了从课程管理、用户管理到设备管理一体化，提高了设备使用效率和学生网络实验的积极性。

3. 增设创新型实验和研究型实验，进一步提高学生实验的主动性及创造性，激发学生科研实践的兴趣，培养学生的创新科研能力。

（三）基于O2O的计算机网络课程实验教学体系内容设计

针对实验教学的问题，在计算机网络的实验教学中进行了以学生为中心新模式的探索。其实验教学体系内容设计的基本指导思想如下：

1. O2O的融合实验教学模式：根据“计算机网络”实验教学的特点，我们采用了线下实践和线上实验融合实验教学模式，其教学体系内容设计如图3所示。线下在实验室可以操作设备，也可以组网实验;在线上教学环节学生可以在任何时间、任何地点进行实验。

2. “7*24”个性化服务实验教学模式：培养学生有疑问不仅可以问老师，还可以通过关注微信群提出问题，每个学生既是问题的提问者，也是解决问题者。鼓励学生针对学习中碰到的问题，设计实验并进行验证分析，如果自己不能设计完成实验，学生还可以发起实验众筹，组成实验小组，设计实验并进行验证分析。

3. 创新型实验和研究型实验为学生树立创新意识，开发创新思维，掌握创新技能方法提供良好训练支撑。

三、优化教学内容

在构建实验教学体系的同时，作为计算机科学与技术专业的核心课程，计算机网络课程实验教学内容的优化，是实践教学改革的基础和前提。我们采用了“自底向上”包括五层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，最后增加了网络安全内容。同时，我们不断跟踪先进技术，以适应计算机网络新技术、新概念、新应用不断涌现、快速发展的特点，将新技术与现有内容充分融合，为此，必须不断修订实验教学大纲和充实新的教学内容。经过多年的修改和优化，计算机网络课程实验教学主要内容如表1所示。

提高学生理解计算机网络课程理论知识和锻炼实践动手能力是开设计算机网络课程实验课的主要目的。因此，设计实验时，在内容选择与难度把握方面应紧紧围绕这个目标，让各个层次的学生均得到提高。此外，实验课的组织管理也很重要，应采取合适的方法，调动学生的积极性，激发他们的思维潜能。计算机网络的发展是持续不断的，计算机网络课程实验教学的手段和方法也必须随之发展。

创新实验和一般实验不同，创新实验探索的是未知，创新实验的过程需要学生自己设计， 创新实验的过程中，学生通过自己对问题的思考和解决问题的能力完成实验。

四、结束语

计算机网络课程是一门理论和实践结合十分紧密的课程，计算机网络课程实验教学具有十分重要的地位，基于O2O的计算机网络课程体系化、交叉融合的实验教学模式对提高教学质量的探索具有重要意义。只有不断研究探索计算机网络课程实验教学环节，不断创新，才会对培养应用型和创新型人才具有重要的现实意义。通過O2O的计算机网络课程实验教学体系实践发现学生思维更加活跃，对计算机网络的基础理论掌握更加熟练，全面展示了学生个性化，激发了学生的主动性和创造性，达到比较好的教学效果。

下一步，我们按照计算机网络课程实验教学层次型体系，并为每个层次的实验教学提出并设计了相应的实验教学内容， 我们将完善实践教学内容，重点培养学生的开发能力和综合实践能力，为计算机网络课程实验教学的研究和发展提供相应的参考方案。

参考文献：

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