0 引 言
随着新工科的建设与发展，传统的人才培养模式难以应对产业升级的要求。高校作为人才输出地，需要加快工程教育体系改革，以培养具备较强工程实践能力、创新思维能力以及国际竞争能力的复合型人才为目标，满足新时期对工程科技人才的需求[1]。
基于新工科建设提出的三阶段教学模型能够培养学生的能力，提高其自主性，在基于问题和项目的学习环境中革新学习体验，这种具有激励性和适应性的模式有助于将可持续性发展教育整合到现有课程中[2]。
关于三阶段教学模型，已有的研究工作包括以下几个部分：L.Xu 团队基于三阶段教学模型，提出了一个名为 V-Lab 的基于云的虚拟实验室教育平台，使用虚拟化技术远程控制虚拟机并执行实验任务；Müller 团队提出在商业心理学的课程上实现三阶段模型，所提出的阶段模型结合现实世界问题，不断增加其复杂性及跨学科的水平；K.B.Vekaria 团队使用三阶段教学法引导学生接触现有知识，并激励他们使用创新方法解决高级网络安全问题，以保护现实世界的云托管应用程序。
在已有论文工作的基础之上，结合计算机网络实验教学面临的实际问题与特点，利用新的三阶段教学模型搭建一个渐进式的实验体系，将教学内容以实验的方式、循序渐进的方式分配在三阶段框架中。在每一个阶段中，根据难度差异、考查要求不同等，设计出具有全面性、创新性的实验学习计算机网络这一极为基础和重要的一门课。
1 现有实验教学存在的问题
计算机网络实验能够配合其理论课程并帮助学生加深对理论的理解，对于课程学习至关重要，而现有的经典实验设计往往存在着下面的问题，导致学生难以深刻地理解与运用知识，工程实践能力没有显著提升，创新能力也就无从培养。
1.1 缺乏创新性
创新是技术发展的重要力量，推动着每一次技术的革新和科技的进步。培养高质量的复合型人才不能脱离创新意识的塑造与创新能力的培养。计算机网络课程现有的实验大多比较单调简单，学生达成实验目标的途径也比较固定，符合要求的结果也较为有限。显然这种实验对于创新人才的培养作用非常有限。
1.2 缺乏协作性
协作能力是复合型人才必备的基本能力之一，工作中也需要团队合作。但是目前计算机网络课程的实验项目极少要求小组协作完成，原因有以下两点：①实验项目比较简单，实现起来比较容易，任务量少，更适合单人完成，无法将任务拆分，自然也难以小组协作；②实验设计方案对协作能力的培养考虑不足，很多实验的设计原则和设计方案没有结合面向工程化方法的专业特点。
2 实验设计改革思路
结合新工科背景的发展趋势并对性地改进已有的问题针，将渐进式实践教学体系融入三阶段教学模型，设计一系列实验项目，最终以结果为导向；将渐进式的实验项目与前面提出的三阶段模型结合，不断增加问题的复杂性，并最终达到培养学生创新能力和解决复杂工程问题的能力。
三阶段教学模型基本框架如下：① 阶段一：学习基础知识；②阶段二：获取技能并且习得能力；③ 阶段三：合作然后分享知识。
在第一个教学阶段，学生知识的来源基于教师拥有的知识。教师知道学生需要学习什么，教师有责任尽可能将这些知识转移到学生的脑海中。转移知识就是所谓的教学准备，使学生不仅能够快速学习内容，而且可以长期记忆。在这个阶段中，侧重于向学生传授基本的网络知识，并为他们进行高级实验做好准备。
在第二个教学阶段，假定学习是一个主动的过程，必须由学习者计划、修改和反映。学习者本身就是一个能动的实体。在这个阶段，允许学生在已获得知识的基础上，将其应用到更现实和更复杂的实验中。这个阶段要求学生分组工作，并利用各种应用程序和技术建立一个可行的实验解决方案，该解决方案将在实验期间或之后与其他学生进行演示和分享。
在第三个教学阶段，从某种意义上说，这种教学模式根本不再是一种教学模式。教师不再完全控制学习情况。教师和学习者都必须沉浸在结果无法预先确定的情况中。由于所有问题和任务都由教师提出，会产生这些后果：①只有教师提出问题，学生被教导解决问题，而不是“发明”和提出问题；②出于教学原因，所选问题只有一个明确定义的解决方案；③出于教学原因，问题被清楚地切割和清理，解决方案直截了当，以便在课程的有限时间内解决问题。这个阶段提供了一系列高级主题项目，这些项目要求学生研究现有的网络系统并构建自己的系统。在评估过程中，学生被分成小组挑战他人的系统，同时捍卫自己的系统。这使学生可以增加和巩固自己的知识，并为他人的知识做出贡献[3]。三阶段教学模型基本框架见表 1。
3 渐进式实验设计过程
将上述三阶段教学模型应用到计算机网络的实验项目中，通过循序渐进的方式，一步一步搭建整个实验体系，同时通过不断迭代反馈渐进式改进；将背后隐含的知识(包括使用问题、产生原理等)以递推的方式，遵循科学的从浅入深的辩证法方法，从而建立起科学的知识体系让学生参考，并运用前面学习的内容给出解决方法或做出评论，然后再总结解决方法。
第一阶段：基础网络配置实验和知识的学习与共享。在教学I阶段，提供一系列实验，涵盖广泛的网络基础知识，如使用 SSH 和 VNC 访问远程主机、配置 IP 地址、细分网络，使用 Ping 等网络命令和 ifconfig 以及配置 Web 服务器、DNS 服务器和 IPTables 规则。
第二阶段：中级网络安全实验和协作与演示。学生通过完成简易 P2P 程序、DNS 查询和 HTTP 请求等小型综合性实验达到联系前面所学知识的目的。为了在实验中取得好成绩，学生不仅要达到预期结果，还要写一份报告，介绍实验中使用的技术和自己的总结。这些实验通常融合了多层次的网络知识，因此这些动手实验可以极大地扩展学生的知识面。
第三阶段：具有研究和创造力的高级网络安全实验。这个阶段允许学生合作研究现实世界的网络系统设计。学生还将学习如何遵循需求驱动的工业设计和开发流程，并通过评估、攻击模型和风险分析构建系统。三阶段教学模型见表 2。
4 实验要求
在三阶段模型中，要求学生完成基本任务和进阶任务，其中基本任务在实验指导书中给出所有细节的实现步骤和具体解决方案，而进阶任务没有给出细节的实现步骤，避免学生机械地按步骤操作，留下充足空间发挥学生的创造力，允许学生用不同的方式解决实际问题。因为计算机网络课程具有很强的实践性，学生只有亲自动手，参与实际的应用，才能够真正掌握必要的知识和技能。学生彼此之间进行项目竞赛，而这种参与竞赛的求胜心理驱使学生主动学习。学习的主动性越高，能够获得的知识也就越多，形成一种良性循环。
其中 TCP 可靠传输、TCP 拥塞控制、DNS 查询和 HTTP 请求这 3 组实验要求学生组成 3~4 人的团队按分组完成，并要求团队名单和分工需要在设计文档中做出说明，培养学生的协作能力。具体操作中可以要求实验说明文档用英文编写，以提高学生的英语水平和英语文献阅读能力。
每个实验项目的总分包括基本任务成绩和附加任务成绩，对实验任务的成绩评定包括两个部分：①可客观上测试的代码运行结果；②对提交实验文档的主观评价。通过完全模拟真实项目开发的要求和步骤，学生根据自身能力选择要完成的实验项目。
5 渐进式项目方案实施效果
根据实验数据的结果显示，基于三阶段模型的计算机网络实验项目方案在教学实践中发挥了积极作用。在期末考试中，以实验相关知识为考查点的题目和其他同等难度的题目相比，前者的得分率远高于后者。与经典实验相比，该实验效果明显胜出。在课程结束时的评教问卷中，学生普遍认为在本课程中他们的实践应用能力和专业能力得到了锻炼和提升，并对相关领域知识产生了浓厚的兴趣。该模型的考查扩展了 6 个因素（动机、知识、创造力、协作、演示和反馈），开发一系列渐进式实验，实现了以下教学成果：①使学生掌握计算机网络技术基本概念、基本理论；②培养学生能够运用基本理论解决实际操作中遇到的问题的能力。具体的评估模型见表 3。
6 结 语
针对计算机网络课经典实验存在的不足，基于三阶段模型，重新设计渐进式实验项目，以此培养学生应用能力，促使学生对知识的深入理解及融会贯通。该实验方案的应用提高了学生的科学实验素质，实验结果表明以上方案行之有效。下一步工作拟从两方面展开：一是设计更加接近工业界实战的实验项目；二是加强项目过程管理，通过系统化的软件过程管理理论学习和项目实践。
参考文献：
[1] 李昱, 郭晓燕, 梁艳春. 应用型本科计算机专业程序设计类课程教学模式改革与实践[J]. 计算机教育, 2020(11): 111-116.
[2] Müller P A, Bäumerand E.Using research methods courses to teach students about sustainable development–a three-phase model for a transformative learning experience[J]. International Journal of Sustainability in Higher Education, 2020, 21(3): 427-439.
[3] Xu L, Huang D T. Cloud-based virtual laboratory for network security education[J]. IEEE Transactions on Education, 2014(8): 145-150.
[4] Vekaria K B,Calyam P,Wangand S.Cyber Range for Research-Inspired Learning of“Attack Defense by Pretense”Principle and Practice[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies, 2021, 3(1): 322-337.
基金项目：上海市教育科学研究一般项目“面向新工科课程建设的项目式教学研究”（ C19107 ）；上海市教委本科重点课程建设项目“计算机网络”（ 2019021 ）；复旦大学第一批学科特色在线课程建设项目（ 2019TS004 ）；上海高校市级精品课程项目“信息安全”（ 2018007 ）；复旦大学校级精品课程项目“密码学基础”（ 2019JP021 ）；上海高校大学计算机课程教学改革项目“信息安全课程教学改革”（ 202111 ）；教育部百度产学合作协同育人项目“基于区块链的信息安全教学内容与实践教学改革”。
第一作者简介：李景涛，男，复旦大学副教授，研究方向为信息安全、物品编码、计算机教育，lijt@fudan.edu.cn。
引文格式: 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.
转自：“计算机教育”微信公众号
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