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【研究生精品课程】先进计算机网络技术:把“学习”变“研究”,让“学生”当“学者”
文:王晓刚 研究生院 苟灵 来源:新闻中心 研究生院 时间:2021-10-08 68274

编者按:为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院自2018年启动了研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分步实施,至2020年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了三批“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍通信抗干扰技术国家级重点实验室冯钢教授在“先进计算机网络技术”课程中的教改探索。

 

以“先进计算机网络技术”课程为载体,基于项目开展人才培养,让研究生在学习了解通信网络领域前沿问题的过程中顺利实现从“学习”到“研究”、从“学生”到“学者”的转变,是通信抗干扰技术国家级重点实验室冯钢教授一直以来对学生的殷切期望。

在多年的探索和实践中,冯钢教授在这门课程中坚持把科研与教学紧密结合,努力调动学生的主动性、增强学生的代入感,鼓励学生多听、多想、多问、多做,独立思考、深入探索,做到真正的学中做、做中学,取得了良好效果。

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图1:冯钢教授与学生一起讨论

兼收并蓄:瞄准国际前沿,扎根中国大地

2000年至2007年,冯钢在新加坡南洋理工大学电子电气工程学院任教,那时他就注意到,国外许多高水平大学在通信和计算机相关专业的研究生教育中,都开设了类似“Selected Topics in Computer Networks”的硕士和博士研究生课程,作为通信网络领域研究生的进阶课程。

2007年,冯钢回到母校电子科技大学,在通信抗干扰技术国家级重点实验室从事教学与科研工作并指导研究生。受到国外大学课程设计的启发,他为研究生开设了“先进计算机网络技术”课程。当然,他并不是全盘照搬国外的课程内容,而是在充分借鉴国外经验的基础上对课程内容进行了重构。

之所以要重构,是因为:一方面,电子科技大学的学生虽然对计算机网络的基本概念、功能和结构有所了解,但掌握的专业知识的深度和广度与国际著名大学的学生相比仍存在明显的不足。另一方面,国外开设的 “Selected Topics in Computer Networks”课程,侧重于前沿性和专题性,缺乏系统性,这就使研究生在学习中无法循序渐进地实现从基础概念到前沿研究的过渡,因而面临许多学习困难。

正因如此,冯钢教授根据学生的实际情况,在这门课程的设计中兼顾了两个方面,打通了从本科已修课程到前沿研究的桥梁,让学生能够在了解计算机网络的基本概念和功能的基础上,逐步深入了解流量控制、QoS保障、新一代协议、建模与性能分析方法等现有计算机网络架构中的先进技术。

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图2:网络保障QoS机制在5G网络中的实现

去粗取精:持续精心打磨,形成精品内容

在冯钢教授和秦爽副教授的共同努力下,经过多年的探索实践、总结提炼,“先进计算机网络技术”课程结合课程组在无线通信和网络领域承担和参与的重要国家科研项目的相关经验,将科研需要和教学相结合,在讲授专业基础知识的同时引导学生进行科研实践,逐步形成了内容体系,具体包括:

——互联网架构和服务模型。包括互联网流量工程(覆盖网络、对等网络、IP over ATM、SONET和 WDM);网络流量工程框架;互联网QoS架构(IntServ 和 DiffSer);

——用户服务和源流量模型。包括数据服务和流量模型(Possion模型、饱和流量模型)、语音IP(马尔可夫调制的泊松过程、自相似流量的流量建模等)。

——网络资源管理。包括经济原则(基于效用函数的优化模型)、流量类型(现有流量管理中的问题)、呼叫接纳控制等。其中包含一个研究个案,即移动蜂房网中的接纳控制与上下行带宽动态调整。

——网络流量控制。包括分组调度的公平性、边界性能,以及尽力而为的服务与保障和算法;拥塞控制(端到端机制和路由辅助机制,缓存管理和主动队列管理)、多播拥塞控制等。其中包含两个研究个案,分别是其中包括一个研究个案,即Rate-guaranteed Opportunistic Scheduling(ROS)和无线网络中的TCP性能增强机制。

——移动SDN与移动云计算。包括网络虚拟化、云计算架构及原理、移动虚拟化及云计算(移动SDN网络架构、虚拟网络嵌入、接入云、本地微云、移动内容分发等)。

——智能网络资源管控。包括智能网络架构与机理、面向深度学习方法的网络和用户行为的智能预测和分析、无线网络中的MDP建模与智能决策算法(如Q学习、AC算法、深度Q学习等)、智能用户接入和切换、智能网络资源调配机制等。

基于项目:科研融入教学,项目化为案例

在课程的内容设置上,冯钢教授十分注重科研育人,把课堂教学与科研项目紧密结合起来,梳理了自己参加科研项目的心得体会,凝练出较多的前沿问题及研究个案,作为通信及网络领域研究生特别是博士研究生研究能力拓展提高的进阶课程。

这样做的好处不仅在于架起了“网络领域基础知识”与“网络领域研究”的桥梁,帮助学生更好地了解研究工作的基本概念、网络领域研究工作的基本方法、主要数学工具和建模手段,而且能够让学生自然而然地把自己的智慧和热情融入到当前所做的项目当中,融入到国家重大战略需求中来。

据介绍,近年来冯钢教授参与了多个国家重点重大课题,特别是在移动网络通信领域,从4G相关的科技重大专项到6G相关的国家重点研发项目,都深度参与其中,并承担和参与了以自然科学基金重点项目、面上项目为代表的多个通信网络领域基础性前沿性研究课题,对通信及网络领域的先进技术和前沿热点有广泛研究和深入了解。

在教学中,冯钢从实际通信系统中可能面临的问题出发,通过分析案例对建模的需求以及数学建模对案例的解决,开展数学建模概念、原理和方法的教学,使学生掌握现代通信网络涉及的主要数学建模理论和方法,熟悉通信网络建模和性能评估的体系与步骤,具备恰当运用数学方法解决通信工程的理论问题的能力。

例如,冯钢根据国家科技重点研发计划项目“6G网络架构及关键技术”的研究经验,针对网络中多样化业务共存的特点,增加了5G网络中QoS保障机制等章节内容,讲解网络中的差异化业务服务机制,并针对未来网络与人工智能深度结合的特征,在课程中增加了无线智能网络的相关教学内容。

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图3:2020年5月,冯钢教授荣获学校研究生教学质量优秀奖

课堂改革:学生变成学者,痛点变成亮点

教学的效果取决于“教”和“学”的辩证关系,从来不是“剃头挑子一头热”的“一厢情愿”。如何让学生真正理解计算机网络重要技术的概念和原理,在此基础上提升思维能力和创新能力,是教学的难点和痛点。

冯钢表示,这门课程的一个难点是,由于研究个案较多,学生需要在课外查阅较多的资料并完成课程的项目设计,这就需要学生做更多的独立思考、更深入地经历研究的整个过程,这对研一的学生而言是一个全新体验,也是较大的挑战。

如何解决“教师授课缺乏新意、学生听课缺乏兴趣、导师感觉缺乏价值”的问题呢?冯钢的答案是:

——要把所讲的内容与学生实际生活中经常接触和使用的网络应用相结合,让学生有代入感和参与感,深入思考一些平常习惯的网络应用背后的本质原理。

——要以当前网络、通信研究领域的热点研究问题为例进行讲解,帮助学生建立所学知识点和科研工作之间的联系。

——在课程项目研究中,要深度参与到学生的选题、问题定义、建模及问题解决的过程,引导学生结合课堂所学理解研究工作的基本要素、过程及方法手段。

在课程报告的设计和选题过程中,冯钢常鼓励学生从自己专业方向着手和思考,结合这门课程学到的知识去定义和解决自己研究方向相关的问题。他鼓励学生多和自己的导师讨论和沟通,把课题所学知识和自己的科研工作有机结合,做到真正的学有所用。

冯钢表示:“虽然选课的学生来自不同的实验室,各自的研究方向有所区别,但信息通信领域很多问题具有内在联系,特别是在模型和数学方法的应用上有共通之处。所以,要引导和鼓励学生主动思考、学以致用。”

立德树人:心怀国之大者,面向重大需求

2018年4月,习近平总书记在全国网络安全和信息化工作会议上强调,信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇。我们必须敏锐抓住信息化发展的历史机遇,加强网上正面宣传,维护网络安全,推动信息领域核心技术突破,发挥信息化对经济社会发展的引领作用,加强网信领域军民融合,主动参与网络空间国际治理进程,自主创新推进网络强国建设,为决胜全面建成小康社会、夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利、实现中华民族伟大复兴的中国梦作出新的贡献。

立德树人始终是通信抗干扰技术国家级重点实验室的根本任务,也是每一位老师的职责使命。冯钢认为,在专业课程教学中融入思政教育很有必要,也很重要。我们培养学生,就是要把理想信念教育、科技报国精神等融入学生的世界观、价值观和人生观,鼓励学生勇于担当、为国奉献。

在课堂上,冯钢在讲到计算机网络技术发展历史和案例时,会和学生一起回顾我国在计算机网络技术这一关键领域是如何从落后于人到锲而不舍地追赶对手,到如今在这一领域达到世界先进水平,并在多个方向达到世界领先的,从而使学生深刻体会到我国科学家和广大科技工作者不畏困难、兢兢业业、开拓进取的精神,增强学生对我国信息科技和产业的归属感、荣誉感,启发年轻学子脚踏实地、仰望星空,勇于担当、不懈奋斗。

冯钢说:“电子科技大学作为国内信息通信领域的排头兵,从诞生那天起就是一所有使命、有情怀的大学。我相信,同学们来到电子科技大学读研,都怀着一颗科技报国的心。因此,我们要努力引导学生坚定信念、学会思考、掌握方法,将来为国家做出更大的贡献!”

桃李芬芳:学生成长成才,老师甘为人梯

通过一门课程,能否助力“学生”变成“学者”?冯钢表示,“从往届学生的表现来看,大部分学生的学习效果都达到或超过了我的期望。通过一学期的学习和思考,同学们基本具备了科研思维和素质,了解了怎么去定义、建模、分析和解决问题。”

学生提交的课程研究报告很好地把所学的模型和方法与自己所研究的课题方向相结合,得到了一些有创新性的研究结果,为进一步的研究和他们的研究生学位论文工作打下了一个很好的研究基础。

2015级研究生姜微在硕士期间选修了这门课程,被课程相关内容吸引,决定转入冯钢教授团队攻读博士学位,并在在这门课程相关内容学习的启发下,设计了一种最优的内容传输策略来决定传送用户所请求的内容的源节点以达到用户总的下载速度最大的目的,在领域顶级期刊IEEE Trans. on Mobile Computing上发表了题为“Optimal cooperative content caching and delivery policy for heterogeneous cellular networks”的论文,该论文在Web of Science核心合集中的“被引频次”高达103。

通过这门课程的学习,姜微具备了恰当运用数学方法解决通信工程的理论问题的能力,为他今后的科研之路打下了坚实的基础。在后续的科研工作中,他熟练运用课程中所学到的知识,发表SCI期刊论文7篇,国际A类会议论文5篇,受权国家发明专利3项,其中以第一作者或唯一通讯作者发表SCI期刊论文4篇,国际A类会议论文2篇。相关研究成果已经发表在IEEE Transaction on Wireless Communications 和 IEEE Transaction on Mobile Computing等国际知名期刊上。

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图4:曹蔚在信息论旗舰会议ISIT上介绍自己的研究成果

2016级博士生曹蔚在硕士期间就选修该门课程,受到冯钢教授的影响和启发,对现代通信网络里的业务流控制机制、数学建模方法、问题求解步骤等产生浓厚兴趣,决定转换自己的研究方向,师从冯钢教授攻读博士。她坚持通信网络领域重大基础问题的研究,取得了一系列突破,在通信领域国际顶级期刊和国际旗舰会议发表14篇论文,有关海量接入信道容量限的研究成果被著名科学家Vincent Poor教授在旗舰会议ICC 2019开幕式大会报告中介绍,引起了学界的广泛关注。2019年,曹蔚荣获“成电杰出研究生”称号。

从2007年至今,冯钢教授每年都开设“先进计算机网络技术”课程,对莘莘学子的成长成才提供了重要的引导和帮助。但是,学无止境,教无止境。多年来,冯刚一直坚持与时俱进,不断打磨这门课程的内容。随着计算机网络相关技术的快速发展,他也不断根据学术界和工业界的研究发展方向来更新课程内容,并不断地将自己的项目经验融汇其中,潜移默化地传递给学生。

近年来,冯钢教授陆续将网络编码、网络经济学及博弈论、网络功能虚拟化、软件定义网络技术,以及当前十分热门的智能网络技术等内容加入到了授课中,让课程紧跟计算机网络技术发展的前沿方向和热点问题。他说:“学生是我最好的朋友,我要把最新颖、最精彩的内容分享给他们!”


编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布:陈伟