新工科背景下系统思维方法深度融入的计算机网络课程教学改革研究

摘要：计算机网络课程作为一门支撑计算机、网络类相关专业的基础必修课程，其课程内容庞杂、涉及知识点多，很多问题需要跨章节、跨层次地理解，学生在学习过程中极易出现“思路掉队”“前后串联错位”等问题。针对此类问题，文章以新工科背景下人才培养需求为牵引，将系统思维方法深度融入课程内容设计中，提出一种基于“精简去重”的网络问题树深度系统优化方法，围绕“问题树”进行系统思维方法深度融入的教学案例和实践科目设计，提升“叶子问题”在课堂教学中对学生注意力的牵引，通过两个学期教学实践和考核结果表明学生对“网络体系结构”“网络问题树”等方面的理解和掌握程度有显著提升，新方法可有效推动课程整体教学效果迈上新台阶。

关键词：新工科；系统思维；网络问题树；教学案例设计

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）05-0169-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

在新工科人才培养模式下，多学科交叉融合达到前所未有的广度和深度，计算机网络与通信技术、操作系统、网络安全以及密码学等多学科实现融合。传统的人才培养模式难以应对新时期人才培养的要求，如何通过专业课程培养德才兼备的人才是一项亟待解决的重要课题。在大部分开设计算机、网络类专业的高校中，计算机网络课程是计算机科学与技术、密码工程、信息对抗技术、信息安全专业学生的一门专业背景必修课，对学生建立计算机网络的整体概念，掌握计算机网络的基本理论、基本原理、基本技术具有重要作用和意义。

1 现阶段课程教学中存在的问题

本文在前期的教学中综合分析学员学情特点和学习需求，依据人才培养大纲要求，制定了教学计划，梳理了理论教学内容和实践教学训练科目，并在实际教学中取得良好的效果。但是根据实际教学的反馈，目前课程建设仍存在以下几点不足。

1） 网络“问题树”分支冗余繁杂，牵引力末端传导微弱。在当前教学环节中，针对网络体系结构的分层模型构建了计算机网络“问题树”，围绕“如何建网？”“如何用网？”两大主干问题组织构建教学内容，并分化出6个二级问题和33个“叶子问题”，从课程实施效果来看，由于网络“问题树”分支冗余繁杂，部分问题在不同分支上重复出现，学员在学习过程中对一些“点状分布”的知识在整个体系结构中位置认识错乱，“问题树”的牵引效应在层层传导过程中快速衰减，导致学员对于处在问题树末端的“叶子问题”响应微弱，出现对各知识点之间复杂的关系理不顺，学不透的现象，降低了学员的学习积极性，影响了教学效果。

2） 教学内容设计缺乏“系统思维”方法融入。计算机网络课程涉及知识点多、内容庞杂，很多问题需要联系跨章节、跨层次的内容进行阐明，需要引导学生从网络体系结构的维度去思考问题，但这种较短时间内“前后串联”的方式对学生吸纳知识的速率提出较高要求，在教学实施过程中，学生容易出现“思路掉队”的情况，影响课程进度。且当前教学内容缺乏在“系统思维”方式融入方面的设计，导致学员在学习过程中不能系统、全面、递进式思考问题，影响教学效果。

3） 部分实验科目内容缺位，逻辑关联不强。在实验环节实施过程中，目前主流的基于eNSP的实验教材，如《路由和交换技术实验及实训— 基于华为eNSP》各实验科目间逻辑关联性不强，实验内容颗粒度划分与理论课中的重点内容匹配度不够。同时该教材中大部分都是网络层内容以下的科目，缺少网络层以上的实验科目如：TCP协议分析、网络故障分析等实验，无法让学生手工分析验证重要协议，与理论环节所学内容互相印证。基于以上原因，导致本课程理论内容与实验内容衔接度不足，影响教学效果。

综上所述，本课题拟针对以上教学过程中存在的不足之处，开展新工科背景下计算机网络课程教学改革研究，深度融入系统思维方法，重构计算机网络课程内容设计，丰富实验科目，提升整体教学效果。

2 新工科背景下网络类专业课课程建设研究现状

目前，针对新工科背景下网络类专业课课程建设，在教学思维方式、内容设计、实践模式等方面，涌现出许多优秀成果。

1） 在思维方式融入方面，燕山大学闫盛楠等人提出一种科学思维方法与专业课教学融合的教学模式。运用科学有效的思维方法指导教与学的过程，通过营造思维刻意训练的学习氛围、普及科学思维的方法理论、在学科背景中应用实践、提供精细化的教师指导，并在教学实践中持续改进，促使学生建立学科思维，发展科学思维[1]。

2） 在课程内容设计方面，南京邮电大学江雪、王光辉等人针对新工科背景下专业课课程建设要求，分析目前计算机网络课程教学内容、教学模块关联性等方面存在的问题[2]。重构计算机网络课程的教学内容，强化理论与实际联系，融入星链计划、北斗卫星、校园网等前沿性、趣味性教学内容，取得较好的教学效果。

3） 在实践模式方面，复旦大学李景涛等人通过分析现有计算机网络课程教学内容中存在的问题，面向新工科教学改革的需要，提出基于“学习—应用—创造”三阶段教学模型的计算机网络实验总体设计，详细介绍渐进式实验设计具体过程和实验要求，取得良好的教学效果[3]。上述研究成果多聚焦于课程教学内容本身的设计，或针对单个章节、知识点的科学思维培养，缺乏对课程整体系统思维与课程内容深度融合方法研究，在实际教学过程中仍存在诸多不足，因此本文依据实际教学情况对系统思维方法深度融入的计算机网络课程教学开展研究。

3 系统思维方法深度融入的计算机网络课程教学改革的构思

3.1 基于“精简去重”的网络问题树深度系统优化方法

对照计算机网络体系结构的层次划分，保持现有 “如何建网？”“如何用网？”两大主干问题分化出的6个二级问题不变的前提下，对33个“叶子问题”进行全局角度优化，优化的基本原则如下。

1） 全局归一化处理各层反复出现的问题。如数据链路层、网络层、传输层都会出现“寻址问题”，以往的做法是将MAC地址问题、IP地址问题和端口问题分别在设置“叶子问题”这使得问题树在教学实施过程中对学员的牵引力不强。本文拟将以上3个“叶子问题”进行全局归一化处理，合并为通用型的“寻址问题”，在各层知识点讲授时分别引出，以压缩问题规模，增加“叶子问题”的教学过程中对学员的牵引力，提升教学效果。

2） 细化标注各层具有同类性质问题。如交换机中的自学习算法和路由器的路由算法，本质上都是在一定网络范围内为了构建一张数据转发表的数据交换问题，不同点在于交换机是面向局域网的，路由器是面向跨网传输的。本课题在进行问题树优化时，对同类性质问题间的区别进行细化标注。

3） 删除不在本层协议中解决的问题。如链路层的以太网与PPP协议不解决可靠传输问题，本课题在链路层不再设置“可靠传输”的叶子节点问题。

3.2 基于系统思维方法深度融入的教学案例设计

在课程实施过程中，将对照七大思维能力中“系统思维”能力，梳理的具体系统思维方法，将其有机融入教学案例设计中。如在讲解OSPF协议时，首先引导学生分析路由“最优”的多维度衡量标准，然后抽象分析全局路径“最优”问题的解决方案-Dijkstra算法，提升学生多维视角分析、全局视角分析的系统思维能力。本文拟依据学生学习积极性、节点测试结果等来评估教学效果[4]，针对教学中反馈的问题通过PDCA 循环模式来不断改进教学内容设计，提升学习效果。

3.3 基于eNSP 的递进式实践教学模式

在课程实践环节，基于《路由和交换技术实验及实训—基于华为eNSP》教材，搜集综合案例，基于OBE教学理念，以成果为导向，重构设计颗粒度符合理论教学重点，且层次分明、逻辑关联性强的实验科目[5]。如图1所示，不同层次之间实验科目存在逻辑上的依赖关系。以数据链路层完成的VLAN配置实验搭建的网络拓扑为基础，可以进一步开展网络层动态路由RIP或OSFP配置实验。学生在做完一个层次的实验后可以平缓过渡到另一个层次的实验，前后实验是紧密耦合的，并不存在明显的割裂关系。从一个简单实验出发，逐步提升实验难度，有助于逐步增强学生完成实验的信心，避免学生产生畏难情绪影响学习效果。同时，在实践教学环节采用学生“自主式学习、合作式学习”相结合的方式来完成实践内容，依据学员学习积极性、学习成果等来评估教学效果[6]。

4 课程教学改革的效果

本次教学改革实施对象为信息安全专业本科生，本专业学生作为实施本次教学改革研究的参与者和研究对象，授课教师在开课前对改革具体措施、课程内容调整、课程考核评价做了详细介绍。

在课程授课完毕后收集学生对课程改革的满意度[7]，如表1所示。从调查结果来看，94.7%的学生对改革后的课程学习效果感到满意，90，4%的学生认为系统思维容易的改革方法有助于对计算机网络体系结构的整体理解和掌握，84.6%的同学认为课程内容的改革提升了学习动力。在本课程的过程性考核和终结性考核中，理论课成绩较往年提升9%，实验课成绩提升13%，通过对教学效果的综合分析评估，本文所提出的系统思维方法深度融入的计算机网络课程教学改革有效提升了教学质量。

5 结束语

本文结合近五年计算机网络课程建设经验，分析当前课程实施过程中存在的痛点问题，将系统思维方法深度融入课程设计，围绕问题树进行系统思维方法深度融入的教学案例和实践科目设计，提出一种基于“精简去重”的网络问题树深度系统优化方法，通过两个学期教学实践和考核结果表明，学生对“网络体系结构”“网络问题树”等方面的理解和掌握有显著提升，课程整体教学效果迈上了新台阶。

参考文献：

[1] 闫盛楠，顾广华，荆楠.科学思维方法与专业课深度融合的教学改革探索：以信号与系统课程为例[J].高教刊，2023，9（33）：125-128.

[2] 江雪，王光辉，胡文龙.新工科背景下计算机网络课程教学体系探索与实践[J].软件导刊，2023，22（4）：181-185.

[3] 李景涛，阚海斌，黄启轩.新工科背景下计算机网络实验的渐进式项目设计[J].计算机教育，2023（5）：198-201.

[4] 杨启超，蔡瑞杰，刘胜利，等.基于阶段性目标达成的计算机网络实验教学改革探索[J].网络安全技术与应用，2023（6）：103-106.

[5] 张明军，肖东升，郑开涛，等.新工科背景下计算机网络课程教学改革实践[J].计算机教育，2024（3）：154-160.

[6] 张扬武，李国和.计算机网络实验课程教学改革研究[J].高教学刊，2024，10（5）：112-115.

[7] 熊骏，金文，丁飞，等.基于OBE理念的计算机网络课程教学改革与实践[J].软件导刊，2024，23（1）：204-208.

【通联编辑：李雅琪】