工程思维导向的网络编程技术教学探索.pdf
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1、161计 算 机 教 育Computer Education第 8 期2023 年 8 月 10 日中图分类号:G642工程思维导向的网络编程技术教学探索游凤芹,陈琳琳(南京理工大学紫金学院 计算机学院,江苏 南京 210023)摘 要:针对网络编程技术课程知识覆盖面广、关联课程多、重知识传授、轻能力培养的特点,提出以工程思维为导向的网络编程技术课程教学模式,从定义学生的学习产出、科学安排教学内容、合理选择教学方法、分层设计实践任务、面向成果的多维评价、持续改进教学过程等方面介绍具体教学设计过程,最后通过教学效果说明该教学模式的有效性。关键词:新工科;网络编程技术;工程思维;成果导向教育(OB
2、E)文章编号:1672-5913(2023)08-0161-050引 言面对新一轮科技革命和产业变革的加速推进,我国迫切需要培养未来多元化、创新型卓越工程科技人才。麦肯锡全球研究所调查显示,有80.7%的美国工程师可在全球受雇,而只有 10%的中国工程师满足同样的要求。为应对新一轮科技革命与产业变革的挑战,主动服务国家创新驱动发展、实施“中国制造 2025”“互联网+”等重大战略,2017 年以来,教育部积极推动新工科建设,先后发布了关于开展新工程研究与实践的通知 关于推荐新工科研究与实践项目的通知 等,加快工程教育改革创新,推进新工科的建设与发展,支撑产业转型升级1-2。工程思维和工程设计能
3、力是工程师的核心能力3。当前,线上教学已经成为高校教学的重要组成部分。网络编程技术是计算机专业本科阶段一门理论难度大、实践要求高的课程,通过在引导学生深入理解计算机网络原理与协议的基础上,培养学生的编程能力。学生通过该课程的学习,具备在多种操作系统环境下设计和实现网络应用程序的能力。以“掌握工程思维方法,培养工程思维习惯,提升工程思维能力”为目标,从教学内容、教学方法、教学评价等方面开展教学探索与实践。1课程教学现状1.1教学目标网络编程通常可以分为 3 类:基于 TCP/IP 协议栈的网络编程、基于 Web Services 的网络编程和基于 Web 应用的网络编程。基于 TCP/IP 协议
4、栈的网络编程是最基本的网络编程方式4,也是课程的重点。采用这种编程方式要求学生:深入理解 TCP/IP 协议栈的相关知识,尤其是网络层、传输层及应用层常用的协议细节;熟练掌握至少一门高级程序设计语言,如 C/C+、Java、Python 等,能够独立设计、实现和调试网络应用程序;理解网络编程技术,运用操作系统提供的网络编程接口,选择恰当的技术方案,设计实现各类网络应用程序,并在真实网络环境中运行,具备解决实际工程问题的 能力。1.2教学问题现有教学模式难以取得预期培养目标,主要有几方面原因:教学方法沿用传统以教师为主导的模式,知识点多且杂,包含计算机网络、高级语言程序设计、操作系统、软件工程等
5、内容,教师讲解,学生被动接受,听了能懂、一做就废;实验课时不足,需要实验的知识点繁多,包括套接字数据结构、辅助函数,套接字编程接基金项目:江苏省计算机学会教学类专项(JSCS2022019)。第一作者简介:游凤芹,女,高级工程师,研究方向为计算机应用技术、网络空间安全,。2023162计 算 机 教 育Computer Education口、多线程编程、异步 I/O 模型等,每项实验都需要进行网络交互,但网络环境复杂,学生工程经验不足,难以在有限课时内完成实验任务;教学效果评价手段单一,往往基于独立的知识点或编程任务进行阶段性评价,学生存在突击学习或“搭便车”的现象5,难以评价学生综合运用网络
6、编程技术解决实际问题的能力,因此无法指导对教学模式改进和优化。2工程思维引导的网络编程技术教学模式“新工科”要求高等工程教育将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程,更新教学内容和课程体系,建成满足行业发展需要的课程体系和教学资源6。网络编程技术作为一门传统专业课程,亟须从“以学科为基础”向“以市场为导向”转变。采用“预测人才市场需求改造升级现有专业调整完善现有学科”的思路,将网络编程技术与计算机网络、操作系统、高级语言程序设计、软件工程、嵌入式系统应用等紧密联系的内容相融合。工程思维引导的网络编程技术教学设计模式,即从理论学习到动手实践再到探究学习的教学模式,通过做中学、
7、学中做培养工程思维,形成面向未来工程师的综合品质和工程能力。3工程思维引导的网络编程技术教学设计3.1教学设计模型立足工程教育专业认证的大背景,注重学生创新、实践能力的培养。以基于成果导向教育(Outcomes-Based Education,简 称 OBE)理 念7开展教学方法设计,以学生为中心,以预期的能力获得为导向,进行反向课程设计和正向教学实施,将教学的重点聚焦于“学生产出”(如图 1 所示)。定义产出。工程思维要求工程师能够在约束条件下进行设计,能够选择和决断解决方案。课程以“学生为中心”,培养目标包括知识、技能和情感 3 个维度:知识维度要求学生能够理解网络编程原理、掌握网络编程方
8、法、运用网络编程技术;技能维度要求学生具备在多操作系统中开发网络应用程序的能力,提升发现问题、分析问题、解决问题的工程实践能力;情感维度旨在增强学生的专业自信,培养职业习惯、提升责任意识、训练工程思维。实现产出。把学生课程的学习进程划分为不同的阶段,确定各阶段的学习目标,合理安排教学内容,促进学生的学习迁移。为具备不同学习能力的学生设计不同途径和方式。综合运用启发式、探究式等教学方法,引导学生强化对科学和工程原理的理解和运用。鼓励学生自学,提倡自主式学习、合作式学习和探究式学习。采用案例式教学将实践教学与理论教学相结合,基于产业发展和工程背景设计项目案例,开展需求分析、软件设计、编码实施、测试
9、完善的全生命周期教图 1 网络编程技术教学设计模型 定义产出 学生能理解知识原理 学生能掌握工程方法 学生能解决实际问题 学生能提高实践能力 实现产出 启发式教学 探究式教学 案例式教学 个性化指导 以学论教 多维评价 增值评价 PCDA循环 持续精进 教育与教学研究第 8 期163学,引导学生领略软件工程之美,感受分析、解决复杂工程问题的过程。持续精进。建立完善的持续精进机制,设计以成果为导向的多维评价方法,动态掌握学生知识、能力和素质的发展水平,评估课程培养目标与毕业要求的符合度与达成度,并制订课程教学活动的持续精进计划,通过 PDCA 循环(Plan(计划)、Do(执行)、Check(检
10、查)、Action(处理)来实现教学过程的精益求精,最终促进学生能力的“增量”发展。3.2教学内容安排套 接 字 规 范 起 源 于 Linux 操 作 系 统,Windows Sockets 规范全面继承了 Linux 套接字网络编程接口,传统课程大多基于 Windows 进行套接字编程的学习。随着 5G 与物联网时代的到来,智能设备飞速发展,基于 UDP 的套接字编程技术广泛运用于各类嵌入式系统的研制中。为了紧跟产业发展脉搏,为了培养学生的应变能力和综合素质,本课程基于 Berkeley Sockets 规范开展套接字编程原理和模型的学习,使学生“知其然,知其所以然”,进而具备跨平台网络编
11、程的能力。网络编程技术课程教学内容安排主要包括4 个模块:网络编程基础、套接字编程原理、基本套接字编程和高级套接字编程(如图 2 所示)。在复习网络通信模型和 TCP/IP 协议栈的基础上,通过网络封包分析工具(如 Wireshark)抓取网络报文并分析网络协议,加深对协议的理解。套接字编程原理模块知识点多且杂,分析 Windows和 Linux 操作系统网络编程接口的异同,通过编程实例验证套接字的特色数据结构和工具函数。基本套接字编程模块包括面向连接的流式套接字、无连接的数据包套接字和原始套接字 3 种,该模块是网络编程技术的基石。在学习套接字原理的基础上,探究 Windows 和 Linu
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