高等计算机网络课程教学研究.docx

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高等计算机网络课程教学研究

高等计算机网络课程教学研究

　　摘要：

研究生计算机网络课程是信息学科研究生课程的重要组成部分，文章介绍清华大学“高等计算机网络”课程建设的经验和体会，从内容建设、教学环节、教材建设、交流平台等方面进行全面阐述。

　　关键词：

研究生；计算机网络；精品课

　　1.背景

　　长期以来，“计算机网络体系结构”课程一直是清华大学信息科学技术学院（以下简称信息学院）研究生的热选课程，有着优良的教学传统。

自徐明伟教授从前辈史美林教授手中接过该课程以来，大胆改革，引入了新的教学体系，取得了良好的教学效果，近年来选课人数不断增多，最多接近200名同学，大量同学来自电子系、自动化系、软件学院等。

经验告诉我们，这么大规模的课堂授课，教学效果难以保证，特别是研究生课程强调学生的参与，这就更难实现。

因此，2005年计算机科学与技术系决定面向信息学院研究生开设平行课程“高等计算机网络”，由笔者负责。

课程以课堂讲授为主，共计48学时，内容包括互联网发展历史、计算机网络体系结构概述、网络层协议、传输层协议、高性能路由器体系结构、计算机网络安全、物联网概述等模块。

课程教学一般从第8周开始随堂安排共计6学时的讨论。

在10年的授课过程中，我们不断总结改进，从以下几个方面对课程进行建设。

　　2.课程建设内容

　　2.1优化课程体系，明确课程定位

　　我们依托系计算机网络研究所初步形成的网络相关课程体系进行课程建设。

该体系将本科、硕士和博士的计算机网络课程教学内容有机结合，同时突出各阶段的培养重点，实现不同层次的人才培养目标，网络课程体系如图1所示。

　　我们秉承网络相关课程主讲教师共同提出的“本科打基础、硕士重能力、博士出创新、科研促教学、实践贯始终”的多层次教学理念，在计算机网络课程的设置上，突出“高等计算机网络”课程在整个网络课程体系中承上启下的作用：

让研究生在完成本科课程“计算机网络原理”的基础上，进一步对网络体系结构进行深入学习并初步了解计算机网络和Internet研究领域的最新研究成果和基本研究方法。

经过本课程的学习，对于非网络专业的研究生，可以满足其对网络领域研究现状进行全面了解的需求；对于网络专业的研究生，可为未来进一步从事该领域的研究打下基础。

相关专业的研究生可以进一步选修“计算机网络前沿研究”和“无线网络和移动计算”等后续提高课程。

　　“高等计算机网络”课程强调网络体系结构的重要性，我们用3个学时重点阐述分层设计和边缘论这两条最重要的互联网设计原则，让学生体会到体系结构具有“路线是个纲，纲举目张”的特点。

分层结构解决的是网络功能如何划分的问题，而边缘论则解决的是这些划分好的功能在哪里实现的问题。

这两个问题的答案就决定了当前互联网的总体架构。

　　2.2优化教学内容，创新教学方法

　　作为一门面向信息学院不同专业研究生的课程，“高等计算机网络”既要充分注重内容的先进性和新颖性，也要考虑选课同学本身基础的差异性。

笔者从以下几个方面对教学内容和方法进行优化：

　　1）强调内容的生动性。

　　我们天天使用互联网，但是很多同学并不了解互联网的历史，因此笔者特别拿出3学时专门介绍互联网的历史发展，采用了大量的图片资料。

举例来说，路由器是互联网的关键设备，而第一台互联网路由器是谁研发的却成为互联网历史上的一段著名公案，直到2008年IEEE把IntemetAward授予原BBN公司的3名开发人员才算是做出了最终结论。

这类事实的介绍会极大提高学生的学习兴趣。

　　2）提倡用历史的观点分析各个技术。

　　针对每个章节的内容，我们强调每种技术的发展历史，力图还原每种技术产生时的历史环境，能够让学生换位思考，“如果我在这种条件下，能不能想到这样的技术？

”从而有效地激发学生的思维活力。

例如，互联网组播的发明，是主要发明人S.Deering在斯坦福大学攻读博士学位时参与分布式操作系统项目时完成的。

当时随着项目的进展，很多位于不同局域网的计算机要加入分布式操作系统，从而有了跨局域网的通信需求，很自然的，S.Deering想到了把局域网组播扩展到跨不同的局域网。

现在看起来这似乎是个很简单的想法，但是我们知道，在当时的历史条件下，这是个相当困难的问题，不容易想到解决方案。

而S.Deering也正是因为在组播和IPv6方面的贡献获得了2010年IEEEInternetAward。

这种用历史观来思考问题的方式，可以使学生充分认识到互联网技术创新的本质，有助于创新思维的培养。

　　3）注重内容的新颖性。

　　网络本身发展速度很快，授课内容需要不断更新。

从最近几次的授课情况来看，每年和上一年相比，授课内容更新量在20%左右。

就拿P2P与应用层网络这一章来说，由于P2P技术本身在飞速发展，因此每年这章内容都要更新30%到50%左右。

例如，随着研究的深入，P2P的安全、隐私问题日益受到重视，其在互联网金融中也得到了广泛应用，这些内容都被不断地补充到教案中；随着物联网和云计算等新领域的不断出现，我们已经在课程中引入了物联网概论的内容。

　　4）注重内容的差异性。

　　由于部分选课的同学来自电子、自动化等系，这部分同学本科时并没有选修过计算机网络原理。

考虑到同学们的基础差异，在课程开始时用6课时介绍网络基础知识，使得这部分同学能快速融入课程。

同时，为了让学过网络原理的同学不会感觉到内容枯燥，这部分的讲授采用把技术点融入网络体系结构层次的办法，使得上过网络原理的同学也能够从新的视角理解网络体系结构，从而有新的收获。

　　5）引入课堂报告。

　　积极引导学生承担课堂报告。

为了保证课堂报告的质量和课堂效果，教师从选题开始就全程参与，在第一节课就介绍了可选的报告题目并给出了相关的阅读文献，由学生分组阅读后完成报告的PPT，在此过程中教师保持和学生的定期交流。

我们建议同学们从SIGCOMM、MOBICOM、INFOCOM等中国计算机学会推荐的A类会议文献中选择阅读最新成果。

为了让部分同学快速入门，建议他们从《IEEENetwork》《IEEEcommunicationsMagazine》《IEEECommunicationsSurveysandTutorials》等综述类的刊物寻找相关综述文章。

　　学生在课程报告前还需要专门给教师单独汇报，教师会给出进一步修改和完善的建议，经过这一环节，学生普遍反映一方面了解了如何调研一个新的研究领域，另外一方面也对如何做一个好的课程报告有所体会，从而为以后从事科研交流工作积累了经验。

由同学分组调研相关领域研究现状后完成的课堂报告，主要是对网络最前沿研究现状的介绍，这已成为课程教学内容的必要补充。

　　6）运用微信群等新形式进行交流讨论。

　　随着微信等社交媒体的发展，几乎全部选课学生都在使用微信，笔者每次在第一次上课时都会通过面对面建群建立微信群，利用微信群积极引导学生交流，同时邀请微软研究院的资深研究员加入微信群，和同学共同探讨网络领域的最新进展。

　　7）采用“作业+项目”的考核方式。

　　课程作业的目的是让学生通过阅读多篇经典研究论文，对科研论文和科学研究产生感性认识。

课程项目是同学在分组基础上完成一个小的研究项目，这里特别强调项目不宜大，但是一定要有新意。

在授课过程中笔者就反复以网络领域的优秀论文为例强调创新的各个要点，鼓励同学们打破常规，采用逆向思维提出新观点和新方法。

比如近几年比较热门的WiFi信号雷达技术，想法很简单，但是效果很神奇：

通过WiFi的无线信号获得墙体等障碍物后的人体成像，这超出了同学们的想象。

采用这样的案例可以取得很好的引导效果。

　　同学们提出的课程项目往往有一定的新意，比如有同学提出对比特币做进一步改进，可以提升其抗伪造的能力；还有同学提出把软件定义网络和网络虚拟化结合，从而实现更灵活的网络结构。

这体现出我们的研究生均具备优秀的创新能力，在教师的指导下都可以取得一定的创新性成果。

从最近几年的实践来看，每年都有基于课程项目完成的论文发表在本领域的重要学术会议（如INFOCOM）和学术期刊（包括《IEEETPDS》《ComputerCommunications》等）上。

　　对于课程项目，笔者体会最深的是教师一定要全程参与，这样才能对同学的思考过程进行及时的指导和帮助。

重要的是，教师基于科研项目的经验和对新研究领域的判断，为学生提供了一些好的研究题目，这一方面缩短了学生自己寻找题目的盲目性，另外一方面，基于已有科研项目的成果，学生更容易找到突破点，从而能够在较短时间完成有一定内容的研究成果，这对于课程项目相当重要。

如笔者参加了国家863的重大课题，重点研究未来互联网地址和身份分离的地址结构。

基于这样的基本架构可以设计很多新的算法和协议。

笔者在课上花少量的时间介绍课题的基本背景，随后同学们基于这一基本架构进行深入研究，从而取得如基于手机的移动身份认证等多项有一定价值的研究成果，该成果后续还在中国移动等运营商进行了实验部署，取得了很好的效果。

我们认为这是科研项目和教学结合的一个成功范例。

　　2.3重视教材建设

　　在课程的准备过程中，我们对国内外大学的相关课程进行了深入的调研，发现目前国内外还没有一本能够全面深入的阐述计算机互联网络研究最新进展的教材，国内的教材主要面向本科生教学，侧重介绍网络原理，而国外虽然有一些面向研究生的高水平教材，但是都是面向专门的领域，和我们课程要求的全面性有一定距离。

　　而我们编著完成的《高等计算机网络――体系结构、协议机制、算法设计与路由器技术》（2003年第一版，2009年第二版，2012年更名为《高级计算机网络》）覆盖了计算机网络体系结构研究的主要方面，既有体系结构的总体进展，又包括了具体的协议机制与算法设计，还包括了计算机网络核心设备――路由器的最新进展。

因此，本书就其系统性、深入性和广泛性而言填补了国内计算机网络体系结构研究生教材的空白。

教材的主要特点包括：

（1）内容系统深入，便于研究生总体把握计算机网络体系结构的发展脉络。

（2）强调协议机制。

协议是互联网的灵魂，详细介绍了主要的互联网协议机制。

　　（3）突出算法设计。

算法是协议工作的基础，在介绍协议的基础上分析算法，便于学生理解掌握并具备举一反三的能力。

　　（4）和科研项目紧密结合。

笔者所在实验室长期从事计算机网络体系结构研究和高性能路由器的研发，研究工作受到国家973、863和自然科学基金项目资助，研制的“IPv6核心路由器”获得2005年国家科技进步二等奖。

《高等计算机网络――体系结构、协议机制、算法设计与路由器技术》和《高级计算机网络》在编写过程中，结合实验室取得的研究成果，总结了我们在科研工作中取得的经验和对计算机网络研究方法的体会，这对研究生从事研究工作有一定启发意义。

　　课程教材获得2008年清华大学优秀教材一等奖，并被北京大学、复旦大学、北京邮电大学等多所国内高校选为研究生网络课教材。

　　3.教学案例及学生评价

　　下面以计算机网络体系结构为例给出一个小型教学案例。

　　体系结构的英文是Architecture，首先介绍这个单词的词源，Architecture源于希腊文“Archi”和“tekt”，“tekt”意为“技艺”，“Archi”则是“最重要的”“第一位的”的意思。

这个单词还有一个含义是建筑学，通过给出当前代表陛的建筑图片让同学们对于体系结构的重要性有直观的体会。

然后提出问题，建筑学是指如何设计建筑，那么网络的体系结构是什么？

接着引导同学分组讨论，将结论引向网络的设计原则这一基本答案。

接下来给出DavidClark等知名专家就这一问题的解答。

后续继续讲述网络分层和边缘论这两条最重要的设计原则，注意强调设计原则的边界。

我们要告诉学生，设计原则虽然重要，但并不是金科玉律，每次对设计原则的突破都可能带来新的体系结构的突破，这些内容将进一步激发同学们的创新思维。

如果时间允许，可以继续组织学生讨论如何突破这两条设计原则，再结合当前软件定义网络、内容寻址网络等最新方向进行对比，让同学们体会突破点如何选择。

　　近3年的学生课堂教学评价结果显示，课程的评估成绩位于清华大学研究生课程的前15%，分数在97分以上（清华大学研究生课程学生评估成绩最高分为97.5）。

连续两年学生给出的10个单项评价都位于同类课程的前15%。

让笔者欣慰的是，学生如此评价课程教学：

“PPT内容充实，讲课内容很有吸引力，老师课下答疑认真，作业适当”“老师上课认真详细，深入浅出，让我们了解了网络方面的相关知识”“老师讲课有激情，善于联系实际案例启发学生，注重学生分析能力和计算思维的培养”“老师课讲得一如既往的好，内容很充实，对于网络问题有很深的造诣”。

　　4.建设交流平台，加强横向交流

　　计算机网络相关课程已经成为各高校信息技术专业的主干课程。

各高校多年所积累的教学经验互有长短，但一直缺少教学经验的展示渠道和交流平台。

在教育部高等学校计算机科学与技术教学指导分委员会的支持下，汇集国内著名高校计算机网络主讲教师，清华大学牵头组织成立了计算机网络教学研讨会程序委员会，并于2008年5月在清华大学召开了“第一届全国高等学校计算机网络课程教学研讨会”。

来自全国60余所高校的近百名计算机网络一线教师出席了会议：

会议还专门邀请来自英国、韩国、美国和中国香港地区高校的著名教授做大会报告。

与会者针对计算机网络的国内外教学体系和教学经验，进行了广泛深入的交流。

目前本研讨会已经成为国内计算机网络领域主要的教学研讨会，已经连续举办了8届，在国内产生了很大的影响。

我们充分利用该交流平台，和国内兄弟院校进行了广泛的交流，共同促进课程教学水平的提高。

　　（编辑：

彭远红）