華為“鯤鵬”平臺在“計算機網絡與通信”教學中的應用

倪淵之 吳定會 陶洪峰

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

1 概述

隨著各項信息技術和科技應用服務的發展，計算機網絡在生產和生活中發揮著越來越重要的作用。對于高校人才培養而言，為了更好地適應現代社會發展對人才的迫切需求，越來越多的工科專業在其培養計劃中新增或進一步強化了計算機網絡與通信相關的課程?！坝嬎銠C網絡與通信”作為一門基于計算機網絡系統的教學課程，理論與技能并重，涉及的教學內容體系化程度較高，與諸多信息類專業課程有較好的滲透與承接關系，學習該課程內容可為進一步開展實際網絡系統的分析和設計打下基礎。

“計算機網絡與通信”課程全面系統地介紹了計算機網絡體系結構、物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層、計算機局域網和計算機網絡安全管理等內容。通過本課程的教學，學生可以較深入地理解計算機網絡的體系結構，了解計算機網絡中各層協議的工作原理，具備計算機網絡組網的基本技術和計算機網絡應用的基本能力。特別需要注意的是，在理論知識的基礎之上，課程同樣要求學生參與相關的實驗操作，從不同的角度感知和驗證課堂教學內容，并形成知識環路[1]。

近年來，為了改變我國計算機處理芯片和操作系統等技術嚴重依賴國外的現狀，華為公司積極發展自主計算機處理器芯片和操作系統，在計算機基礎系統和工具的開發中取得了一系列成果。其中，“鯤鵬”計算生態以“鯤鵬”處理器為基礎，構建全棧IT基礎設施、行業應用及服務，包括個人計算機、服務器、操作系統等重要核心業務[2]?；凇蚌H鵬”計算生態，可以在相關行業建立較為完整的研發和應用體系，從而實現重要技術的自主化[3]。

值得注意的是，“鯤鵬”計算生態所包含的一系列軟件和工具(包括鯤鵬主板、Taishan服務器、操作系統、中間件以及包含大數據、分布式存儲、數據庫等在內的計算解決方案)具有完整的服務生態,同時兼具開放性和自主性，同樣可為高?！坝嬎銠C網絡與通信”的課程教學提供幫助，解決當前課程與前沿技術結合度不高的問題，助力高校教師豐富課堂教學內容，強化實驗操作環節，最終提升教學質量。

本研究依據作者在“計算機網絡與通信”課程中的教學實踐，從當前課程的教學內容與存在的問題出發，深入分析該課程的教學難點與挑戰。通過在課堂教學中結合“鯤鵬”平臺中云計算理論與技術的內容，加強課本知識在實際操作中的對照性，并在傳統實驗環節的基礎上加強與前沿技術的結合，同時強化課程思政的相關教學內容，進一步提升教學效果。

2 “計算機網絡與通信”課程教學內容及存在的問題

“計算機網絡與通信”是一門系統性強，涉及面廣，內涵多元的課程[4]。學生在掌握了高等數學、大學物理、電路理論等基礎課程的知識后繼續學習該課程，可以建立對計算機網絡工作方式的基本認知，掌握計算機網絡體系中物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層等不同層次結構在計算機通信中發揮的作用，同時了解網絡安全與管理、互聯網多媒體服務機制以及無線網絡和移動網絡等內容[5]。本研究以“計算機網絡與通信”課程在本校電氣工程及其自動化專業的教學為例，展開進一步介紹。

2.1 教學內容

在課程起始階段，首先向學生介紹計算機網絡、互聯網等基礎概念，討論其主體架構以及重要的組成部分，并引入計算機網絡的主要性能指標，于課堂上初步形成對計算機網絡體系結構的認知，為理解課程后續內容打下基礎。隨著課程內容的展開，分別向學生介紹物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、應用層等計算機網絡體系結構中的重要組成部分。通過對每層結構涉及的功能、協議、原理以及層間交互機制的介紹，向學生展示計算機網絡系統的設計思想和功能實現方式。最后，回歸計算機網絡系統整體，從宏觀應用角度學習網絡安全、多媒體服務、無線移動網絡等內容。

本課程以課堂教學為主，輔以實驗環節和課后作業。授課過程中主要運用板書和多媒體教學，并借助相關線上教學平臺加強師生互動，根據需求開展線上線下混合式教學。對于重要知識點，采用啟發式教學，通過提出問題、分析問題、解決問題的思路進行授課，潛移默化地培養學生利用計算機網絡與通信的專業知識解決復雜工程問題的能力。強調實驗環節的重要性，引導學生通過實驗過程和實驗數據分析，加深對理論知識的理解和掌握，提高設計能力、創新能力和工程實踐能力。

2.2 存在問題

當今社會對畢業生知識技能水平的要求越來越高，特別是對于工科專業的學生而言，不僅需要掌握專業的基本理論知識，同時也需要了解實際系統的前沿發展動態，掌握相關工具軟件的使用方法。在2015版工程教育認證標準中，明確要求畢業生應具備運用應用數學、自然科學、工程基礎等專業知識解決復雜工程問題的能力，要能針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具。該標準對非技術性指標如溝通能力、團隊合作、工程職業道德等也有具體的要求[6]。因此，為了適應愈加具體的人才培養要求，充分發揮教學的引領作用，課程建設同樣需要與時俱進。然而，由于各種原因，現有的教學內容和模式仍然存在一些不足，無法滿足越來越高的時代發展需求。

2.2.1教學內容固定，缺乏與前沿科技的結合 “計算機網絡與通信”是一門信息類專業的通識課程，在漫長的發展歷程中建立了較為穩固的內容體系和教學方式。因此，這門課程的教學內容較為固定，特別是在有限的課時約束下每節課的內容都比較緊湊。對于教師而言，在教學時長內完成相關的教學任務并使得學生可以較好地理解課程內容往往需要較長的學時?；谏鲜霈F狀，教師一般難以在現有的框架下革新教學內容以及教學模式，同時也無法再進一步將教學內容與前沿科技相結合。

2.2.2教學模式單一，未能融入先進教學手段 目前，“計算機網絡與通信”的教學主要采取課堂系統講授理論知識與部分實驗操作相結合的方式。對于學生而言，所學習的理論知識與實際操作的結合度并不高，對于如何運用課堂知識解決實際問題的切身感受并不明顯。雖然包括教室多媒體設備在內的教學設施在課堂中得到了應用，但是直接為課程內容設計和服務的手段并不多，特別是計算機網絡相關軟硬件實驗平臺的使用有限。學生在課程學習過程中對真實的計算機網絡通信系統的了解與當前科研和生產過程中所用的應用服務仍有距離。因此，學生對如何應對復雜工程問題的體會并不深刻，相關能力并沒有得到充分鍛煉，難以完成畢業要求中的相關指標。

基于以上分析，在開展“計算機網絡與通信”教學的過程中，需要充分考慮當前時代背景和技術發展狀況，同時利用各方面的技術資源，提升教學質量和學習效果。

3 基于華為“鯤鵬”平臺云計算技術的教學方案設計

華為“鯤鵬”平臺云計算技術相關內容包括：云計算基礎理論知識的介紹、配套的實驗平臺和相關的實驗設計和指導書。在實踐中，該課程可以較好地與“計算機網絡與通信”的教學內容相結合，為學生提供一個了解計算機網絡實際應用的范例，并在動手操作中感受課堂知識與前沿技術的結合，掌握使用云計算的相關技能。利用“鯤鵬”平臺，可以豐富教學內容，完善實驗機制，改善教學效果。與此同時，也有利于培養學生的動手和創新能力，更加精準地支撐本專業學生的畢業目標。

基于上述思考，本研究作者結合“鯤鵬”平臺的特點，從理論教學、實驗平臺、課程思政以及認證課程四個方面對現有教學方式進行拓展：

(1) 理論教學。在完成計算機網絡基礎內容的講授后，在課堂教學中融入部分云計算相關的理論知識，其教學內容概要如圖1所示?；A理論主要包括：云計算概述、云計算基礎介紹(包括虛擬化技術、OpenStack技術、容器技術等)、云計算服務概述(包括云計算的服務模式、鯤鵬基礎設施、華為云鯤鵬云服務、華為云鯤鵬云服務解決方案等)。其中，考慮到課時的約束以及與課程主體內容的結合度，此處著重講授云計算服務中與計算機網絡通信結合度較高的內容，包括：以華為云為例的云計算服務架構、不同服務背景下云平臺的構建方式、不同底層通信技術在組建云網絡中的作用、虛擬化網絡中的路由器和交換機以及網卡的作用等。通過將經典的計算機五層架構模型與云計算系統的“四層兩域”模型相比較，向學生說明以云計算為代表的前沿技術發展歷程的演進趨勢。在實驗配套的理論中，則以介紹云平臺操作指導相關內容為主。

圖1 基于云計算的課程教學內容概要

(2) 實驗平臺?；谒v授的云計算理論知識，結合計算機網絡通信的各種協議和功能，進一步引入華為“云計算”實驗平臺。利用實驗課時介紹鯤鵬云平臺中的云上ECS服務、高可靠服務、云手機服務以及數據庫、Docker容器、大數據服務等內容，并在實踐環節引入基于鯤鵬云的實驗內容，包括：鯤鵬云應用高可用部署實驗、鯤鵬云容器實驗、鯤鵬大數據實驗(可選)、鯤鵬云手機實驗(可選)等。根據學生的興趣和課堂教學的實際反饋，有選擇性地將這些云計算實驗融入計算機網絡與通信的課程實驗環節。更為重要的是，可以有效地把課堂上關于計算機網絡構成、組網、功能實現的有關內容與云計算這一前沿技術相貫通，達到實踐反哺教學的目的。

在進行云計算實驗的同時，利用Wireshark軟件抓取網絡運行數據，分析數據包結構，了解計算機網絡的各層協議(包括IEEE 802.11協議、ARP協議、IP協議、ICMP協議等)中的控制字段在實際應用中的功能實現過程[7]。通過將云計算平臺操作實驗與傳統計算機網絡實驗相結合，實現前沿技術示例與經典實驗設計的實踐融合，更好地激發學生在實驗過程中的思考和理解。

(3) 課程思政。課程思政建設是當前高校專業課程建設中的一個重要環節，體現了專業課的育人功能[8]?！坝嬎銠C網絡與通信”作為一門重要的專業課程，融合了多個學科的知識內容，涉及的諸多方面都與時代發展背景息息相關[9]。在專業知識的講授中融入課程思政相關內容，有利于引導學生樹立良好的世界觀，用理性的思維意識對自然和社會中的問題進行思考[10]。而在對華為“鯤鵬”平臺及云計算技術的課程講授中，可以突出我國在科技發展中的巨大投入，講述在研發過程中克服艱難實現突破的案例，以及展示近年來取得的一系列前沿成果。依托專業知識與課程思政，激發學生的愛國情懷和社會責任感，鼓勵學生珍惜時光、刻苦鉆研，樹立起服務社會、精益求精的敬業精神。

(4) 認證課程。此外，華為認證面向公眾提供人才培養體系和認證標準，擁有云計算領域的若干門課程，涵蓋了云計算基礎知識、虛擬化技術、云服務基礎知識等多個方面，有助于培養學生在云計算部署、運維、管理方面的能力。在教學過程中，可以有選擇性地將這些認證課程作為評價學生能力的一種方式。這項措施可為評價學生學習效果提供一個新的維度，并作為計算課程教學達成度的一項補充依據。

通過在“計算機網絡與通信”中引入“鯤鵬”平臺云計算技術的相關內容，學生可以加深理解、驗證、鞏固課堂教學內容，強化對計算機網絡原理的認知，深入體會網絡的工作原理與分析方法。在此基礎上，用正確的理論指導實踐活動，強化學生的知識實踐意識，提高其實際動手能力，發揮學生的想象力和創新力，并結合課程思政教學設計，發揮課程育人功能。

4 結語

“計算機網絡與通信”所講授的內容與信息產業的發展息息相關，同時也高度契合社會對高技術創新人才培養的要求。通過課程的學習，學生將了解計算機網絡與通信技術的發展歷史以及其應用成果，明確科技進步和科技創新對國民經濟的發展、國家軍事力量進步的作用。在課程中引入華為“鯤鵬”平臺云計算技術，可以更好地讓學生理解課堂中講授的理論知識，同時鍛煉學生的動手能力。同樣，該方法也有效地推廣了相關產業的前沿系統和軟件工具，有力地支撐了培養計劃中的相關畢業要求，為學生畢業后從事相關研究、生產工作奠定了一定的基礎。此外，在課程中介紹國家在計算機網絡與通信領域所取得的發展和成就，了解具有自主知識產權的科學技術和設備平臺，也有助于培養和激發學生的學習內驅力。