1. 引言
伴随着以“互联网+”、“中国制造2025”、人工智能、区块链为特征的时代浪潮,“新工科”成为工程教育领域的新号角。历史已经证明,每次工业革命的产生都推动着教育的根本性变革,并创建相应的教育体系 [1] 。网络工程教育作为典型的“新工科”,其改革进程自然应当自始至终贯穿“新工科”内涵。其中,提高实验教学、让工程教育回归工程是网络工程教育施行“新工科”改革的重要环节 [2] 。传承“应对变化、塑造未来”的建设理念,以创新、融合、共享为途径,培养多元创新型人才 [2] 是改革实验教学的方法论。潘志安等人认为实验内容脱节于市场需求、实验本身没有考虑对学习成果的检验和鞭策,需要引入思科CCNA课程体系并且建立一种反馈式的教学模式 [3] 。张万礼认为实验过程内容单一,提出一种多层次的实验内容构建模型 [4] 。杨畅认为实验设备昂贵是制约实验教学发展的原因,应当创建仿真的网络基础技术实验室 [5] 。笔者综合了前人的发现,梳理了当前网络工程教育存在的典型问题,并归纳为四大方面:培养内容重“学”轻“术”,培养过程缺实践、少启发,实验内容内涵单薄,实验平台落后。
2. 当前存在的问题
2.1. 培养内容重“学”轻“术”
培养内容没有重视新技术的引入,内容结构比例失衡。随着新科技成果的不断涌现,网络工程教育的培养内容必须紧跟市场,并不断地调整和优化 [6] 。当前的培养内容对经典知识进行了精心编排,忽视了新技术的传授,使得内容的结构不平衡:经典知识的比重大,新技术的比重小。在这种失衡的结构下,学生对流行技术的了解普遍滞后,学生对技术的使用表现为繁琐的部署方式、粗糙的代价权衡、低效的生产过程。
此外,培养内容没有面向企业,内容覆盖存在盲区。当前,网络工程专业的毕业生面临的直接挑战是对口的就业问题,这说明学生的技术能力不能和企业对接 [5] 。波音公司曾为此列出了他们亟需的工程师必备素质详单 [6] ,更凸显了工程教育在“教”与“用”上的错位格局。企业开发侧重技术生产的效率、可分工协作的技术体系、可快速开发的技术工具、可降低错误的约定习惯,由于培养内容缺乏这些要素,学生很难适应工业生产的需求。
2.2. 培养过程缺实践、少启发
评价导向不在实践上。实践性强是网络工程专业的一大特征,学生的实践能力弱,与评价导向紧密相关。当前以笔试为主的评价方法,并不能正确引导学生在实践能力上的发展。评价的导向指向哪里,学生的功力就用在哪里,以理论为中心的导向不仅妨碍了学生在实践能力上的提高,更偏离了专业实践性强的特征。
同时,培养过程不注重启发性。经典网络知识体系的完备性伴随着天然的闭合性,学生不会主动思考网络技术的成因。同时,学生被灌输、被记忆的现象比较常见。技术的起源从何而来,技术的发展因何而起,对于学生来说无从答起。缺乏对技术源头的理解,“只知其然,而不知其所以然”,学生对技术的“舶来品”听之任之,可以想见学生的职业生涯好比“无源之水、无土之木”且不可持续发展。
2.3. 实验内容内涵单薄
体现在三个方面。首先,单一知识点的验证性实验太多。当前的网络工程课程实验,大多是对单一知识点的验证性实验 [4] 。通过验证性实验,理论知识能够得到一个直观的感性认识,但是,网络技术的应用从来都不是一个知识点的独立运用,也不是知识点间的简单拼凑。网络技术的应用需要学生正确把握知识点间的共性和协同点。过多的验证性实验,使学生的认知能力始终局限在单个知识点内,从而使学生缺乏综合运用知识的能力。
其次,实验内容割裂了技术的整体性。当前的实验内容过度地强调知识点的学习,而忽视了技术的整体性。技术的形成和发展源自需求的提出和自身的演化,有着其自身的运动规律。技术当中的知识点仅仅是为方便教学而作的提炼和总结,机械地学习零散的知识点,割裂了技术的整体性。学生不能理解技术的来龙去脉、不能形成对技术的完整认知、不能对技术的发展有一个整体的把握。
最后,实验内容简单。当前,综合性实验的方案已经延续多年,设计方法、集成方式和目前企业使用的一套方法差别太大。例如,在代码量上就有很大的差别。量变引发质变,代码量大的工程在语法约定、目录结构、程序设计等方面表现出明显的专业性,需要学生遵循书写规范、全面把握模块间的作用关系、准确记忆细节的分布位置。由于缺乏这些要素的训练,学生面对大体量工程时显得力不从心。
2.4. 实验平台落后
网络设备单一。网络工程专业的学习离不开网络设备的支撑,一般的上机实践环境做不到多样网络设备的提供,学生对各种网络设备的理解只能停留在书本上。单一的网络设备制约着实验内容的丰富性,实验内容只能停留在局域网组建、综合布线、连通性测试等方面,难以胜任网络的协议、架构、系统、安全测试等方面的教学与研究 [4] 。
由于网络设备资源紧张,学生对某一网络设备进行调试时,对单一设备具有独占性,而学生所从事的实验可能仅仅是简单的验证性实验,导致设备的利用效率不高。
3. 应对问题的举措
3.1. 借鉴思科CCNA课程体系的内容
“行业指导、企业参与”是“新工科”改革的一大内涵 [2] ,是解决培养内容结构失衡、扫除培养盲区的关键之举,而思科CCNA课程体系与这一内涵不谋而合。思科CCNA是由思科公司推出的评价标准,用于检验网络技术工作者的技能水平。该认证是互联网领域的国际权威认证,并享有广泛地认可。思科CCNA课程体系紧贴行业发展前沿,与市场紧密结合,使学生学有所用、增强就业竞争力 [3] 。借鉴思科CCNA课程体系的内容,可以精准地解决当前培养内容中的结构失衡和培养盲区问题。
3.2. 建立积木、拼图、故障式的测试案例库进行启发式教学
“强化教学实验、科学实践”,是“新工科”改革的重要要求 [2] 。为此本文采用了图1所示的启发式教学方式,通过设计相关知识点的测试案例库,检测学生对知识的理解和掌握程度,促使学生主动实践、启发式思考 [3] 。① 建立积木式离散的测试案例。对于多模块的网络编程项目,为了考察学生对特定模块的作用的理解及模块之间的协同关系,将模块内容平铺地放置在一个文件夹中,让学生将文件按正确的层次结构合理放置,考察学生对模块的理解程度;② 建立拼图式空缺的测试案例。对于完整的可正常运行的网络编程项目,删除项目当中的一部分内容,让学生补全缺失的内容,考察学生对项目的配置能力;③ 建立故障式错误的测试案例。对于可正确执行的网络编程项目,改错项目当中的某一内容,让学生更正项目中的错误,考察学生对项目的纠错能力。这类以实践为基础、以启发为特征的测试案例,促使学生主动实践、主动启发,精准地改善当前培养过程当中缺乏实践及启发的问题。
3.3. 建立立体的实验体系
在原有的以“传统的综合性实验”为一维空间的基础上,增加了“阅读项目案例”、“指导复杂案例”两个新的维度,丰富了旧有单薄的实验内涵,构造出新的立体的实验体系,如图2所示。
“将产学研资源转化为育人优势”,是“新工科”改革的重要途径 [2] 。革新传统的以实践为单一内涵的实验,将“读源码”、“学案例”补充进来,丰富实验维度,构建立体的实验体系。① 通过课程设计开展综合性实验。课程设计要求学生综合运用所学知识,完成具备系统特征的程序设计。通过课程设计,能够改善学生对单一知识点的理解,促使学生进一步掌握知识点之间的连接,能够精准地解决单一验证性实验过多的问题。② 阅读开源的项目案例。实验内容不是一味地埋头实践,“他山之石,可以攻玉”。
![](//html.hanspub.org/file/19-1160668x9_hanspub.png)
Figure 1. Setting up experimental cases characterized by component, blank, and faulty encourages students to think deeply
图1. 建立积木、拼图、故障式的实验案例库,促使学生启发式思考
![](//html.hanspub.org/file/19-1160668x10_hanspub.png)
Figure 2. The stereoscopic representation of the experimental system
图2. 实验体系的立体图形表述
通过开源项目展开学习,培养学生阅读代码的能力。开源案例的背后是真实全面的需求,需要处理项目建设过程中完整的技术问题,能够培养学生对技术的完整见解,可以精准地改善当前忽略技术整体性的问题。③ 聘请企业讲师指导复杂案例。实验内容水平的提升,依赖于传道解惑的老师。“人尽其才,物尽其用。”企业有着成熟的技术积累和开发经验,企业讲师更适合向学生指导复杂案例。聘请企业讲师指导复杂案例,利用企业的技术优势,能够训练学生应对复杂项目的能力。
3.4. 建立虚拟的全能网络实验平台
“创建虚拟学习环境(Virtual Learning Environment, VLE)”,是“新工科”改革在教学模式上的前沿探索 [1] 。以实验平台虚拟化为突破口,是解决当前实验平台落后和试验“新工科”理念的一石二鸟之举。革新实验平台,重点从两个方面着手:① 构建丰富设备类型的网络实验平台 [4] 。网络实验平台应该提供包括交换机、路由器、防火墙、网桥等网络设备和不同类型的网络电缆,尽可能满足教材内容涉及到的各种硬件设备。② 构建虚拟化的网络实验平台 [5] 。网络设备的价格昂贵,并且用于实验的网络设备容易出现资源紧张但利用率不高的情况。构建虚拟化的网络实验平台,通过软件模拟网络设备的工作细节,节省了设备的采购成本,降低了学生的实验门槛,有效地改良了实验平台落后的问题。
4. 结语
传承“应对变化、塑造未来”的建设理念,以创新、融合、共享为途径,培养多元创新型人才,是网络工程教育顺应“新工科”改革的同脉之举。提高实验教学,让工程教育回归工程是网络工程教育施行“新工科”改革的重要环节。面对培养内容、培养过程、实验内容,实验平台的不足之处,笔者认为思科CCNA课程体系与“新工科”改革的内涵不谋而合,借鉴该体系是优化培养内容的最佳举措;建立积木、拼图、故障式的测试案例库以启发式教学响应了“新工科”改革的重要要求,产生了以实践为基础、以启发为特征的培养过程;建立立体的实验体系是“新工科”改革途径的具体实践,丰富了传统的单薄的实验内涵;建立虚拟的网络实验平台是“新工科”改革在教学模式上的前沿探索,是改善平台落后的着手方向。笔者本着有的放矢的原则,侧重剖析问题与解决办法之间的内在连接,力求论述过程兼具全面性和深刻性,为网络工程实验教学改革提供新方案。
基金项目
上海市教育科学研究项目(C160076),东华大学教学改革项目。
参考文献