基于创新人才培养的计算机网络原理问题点断式微翻转教学方法设计与应用
时间：2023-02-18 20:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
卢 慧，李 华，马学彬
（内蒙古大学 计算机学院，内蒙古 呼和浩特 010021）
新工科建设[1]的目标是培养既具创新能力，又具动手能力，且具持久学习能力的人才，这就需要高等学校重新考虑自己的教学方法，且不乏探索者已走在路上[2]。当然,全方位推进新工科建设也给出了要创新教学组织模式和教学服务模式的一些新思路、指导方法和指导意见[3]。在慕课、微课、维基百科、百度百科等基于互联网、纵向知识等多种渠道获取知识的现状下，教育内容与形式呈现多样化。在互联网+、新工科、新时代这个新的背景下，高校的人才培养模式面临巨大挑战，在这个挑战中，最关键的是人才培养模式的改革与创新，这就要求高校教师在授人以渔的方式和方法等方面动脑筋，引导学生掌握解决问题的思维方法，尤其是从历史思维、辩证思维、综合思维和创新思维的角度考虑解决方法，就成为当前高等教育行业急需研究的热点问题。
翻转课堂教学模式[4]以学生为主体，将教师、课堂、学生以更好的方式组织起来，把课堂上的时间更多地交给学生，使教师可以充分发挥任务驱动教学法、案例教学法等各种教学方法的优势，更好地组织和管理课堂。对于计算机网络原理，把课堂交给学生的纯粹翻转课堂可能并不适合。也有教师根据课程特点在翻转教学模型的基础上，结合慕课、微课资源和教师的教学经验，改进Robert Talbert 教授提出的翻转课堂模型[5-6]，利用慕课、微课在课前环节传递重要知识点，通过翻转课堂在课中环节推进知识内化，通过作业在课后环节加强知识巩固和提升。微翻转的“微”是指相比于当前翻转课堂的满课堂翻转模式，采用“授课+翻转+授课”迭代课堂模式，缩小满课堂翻转的规模。
类似的教学改革工作还在进行，不能照搬照抄别人的方法，必须结合计算机网络原理课程特点在教学过程中不断摸索改进。在分析了学生教师及课程特点后，目前计算机网络原理采用的是问题点断式微翻转方式交心设计，既体现微翻转的点，又有教师的预定内容，也有学生即兴产生的问题点，其特点是与学生的诉求更接近，更容易引导学生学习思考，并引导其进一步探索，达到培养其创新性思维的目的。
总体而言，在互联网+和移动设备普及的今天，学生获取资源的途径更加丰富，学习方式也不再局限于固定的时间和地点，教授者也不再是固定的教师。
对学生而言，接受新事物能力强、学习目的性强，习惯了随时随地在线搜索，他们与生俱来就能够适应智能时代，因此他们对学校的教学要求越来越高。
对教师而言，多数教师不仅承担着人才培养的教学任务，还有繁重的科研工作，对于计算机类课程的教师，还面临着知识更新快的问题，需要不断自我学习提升。计算机网络原理的教师更是如此，网络内容之纷繁、协议之众多（目前RFC 文档已8 000 多个[7]），无论是教学还是科研，任务都很繁重。
计算机网络原理课是面向本学院各专业学生开设的专业核心课，教学内容传授的边界灵活、深度也灵活的特点，既包括基本网络原理知识，又涉及晦涩难懂的协议说明和协议实现方法，还包括网络新应用的原理分析等。课程内容整体呈现基本知识点多、协议繁多、逻辑性弱的特点。理论上来说，课程需要足够的教学及实验学时才能达到较好的学习效果。然而，在实际教学中该课程教学只有5 学分（4+1）、96 学时（其中理论64 学时，实验32 学时），教学学时相对不足。因此，抓住以上现状及特点，在教学内容不减、教学学时不增的前提下加强学生的创新能力培养，成为本课程摆在任课教师面前的问题。
在分析了计算机网络原理的内容及特点之后，纯慕课或纯翻转课堂并不适合。在分析了教学大纲、教学内容、学生专业特点的基础上，又充分考虑课程由于知识点多、部分内容间逻辑性弱、新应用更迭快等特点导致问题多这一特性，设计基于创新人才培养的计算机网络原理问题点断式微翻转教学方法，分别从教师和学生层面出发，按照课前、课中、课后3 个阶段设计教师的教学任务和部署学生的学习任务。
学生通过课外在线学习能够获得更优质的资源，通过学习提高自学能力的同时也扩展视野，并提前预习课堂内容，寻找即将学习内容包含的问题，课后随时可以复习等，学生的思考、自学、创新等多方面能力也得到了提升，他们从传统课堂的0 起点变成了当前的X 起点。由此也对教师提出了更高的要求，教师需要不仅重构教学过程，还要能够根据学生实际情况随时调整优化教学内容、改进教学方法。因此教师不仅需要比传统教学更熟悉教学内容，还要更宽泛地了解内容外延。对于学生课外线下已经预习自学过的知识性内容，在课堂教学的比例可以适当下降，教师更应注重知识的重点、难点的讲授和关键问题的抛出，还要依需点断式的增加讨论式教学、交互式学习环节检测学生对于必备知识的掌握情况和问题解决能力，通过典型案例的分析讨论使学生明白所学知识的用途，并增加一定的研究性学习来探讨学科前沿和发展前景，引发学生深入思考，激发学生的创新能力。
教学过程中一个非常重要的内容是问题。教师负责定主题、定内容、定深度，做法是传递、引导、启发和提问，学生则围绕主题和问题进行资料查找、实验验证、科学计算等。在这些过程中，还会产生新问题，有些问题是学生自主产生的。还有一些更重要和关键的问题需要教师结合教学内容、相关研究、应用领域等重点设计，在恰当的时机抛给学生。教师在设置问题时可以结合布鲁姆教育分类法中认知领域的六个层次理论[8]，除了考查记忆、理解、应用能力的低阶问题外，还应包含提升学生分析、综合、评价能力的高阶问题，逐步引导学生参与思考、批评思考到挑战问题直至解决问题或者产生解决思路，使学生从一个知识被动接受者变成参与者、创造者，从而实现创新能力培养。因此针对教学过程中适当的问题，在恰当的时机点，通过讨论式、互动式、报告式等灵活方式进行课堂微翻转更能吸引学生，达到较好的效果。
另外，调整制订有效的考核办法，将学生学习的全过程都纳入考核与评价，使用合理的教学评价和反馈机制，对于促进教学优化都是很有用的。计算机网络原理问题点断式教学方法的设计思路见图1。
图1 问题点断式微翻转教学设计
教学实践分为课前、课堂和课后3 大阶段，课前将微课、慕课等资源推送给学生，要求学生带着问题来课堂；
课堂的理论教学部分采用基于问题的微翻转实现问题的求解，实验教学部分也是布置布鲁姆递进式实验，训练学生对知识的认识达到较高层次，同时加大实验的自学、自治和同伴教学法的方式帮助学生理解具体协议及其工作；
课后学生完成作业后可根据自身情况复习课前推送的资源，并给教师反馈意见便于教学的持续改进。
3.1 课前预习、课后复习的微课资源设计
基于计算机网络原理的教学大纲要求和教学内容的重点、难点，可以选择微课教案，辅助学生的课前、课后学习，并布置与新应用相关的问题，供学生运用原理解决问题或者给出解决问题的方案思路，加强理论的应用，并使学生对教学内容达到布鲁姆六层次中一到三层次即记忆、理解、应用。
3.2 课堂基于问题点断式的点的选择
学生在课前预习后已对未来课堂知识全貌有了了解，并带着问题来到课堂。课堂教学前20分钟，教师讲授重点难点；
接下来的15 分钟，教师适时提一些应用性的问题，通过问题解决方法的探讨，引导其探索性思维；
最后15 分钟，教师抛出更高层次的分析、综合或评价类的问题，在整个教学过程中基于问题点断实现课堂的微翻转，使学生在活跃的氛围下引发思考促进教学。
基于问题点断式的选择是教师面临的挑战，在哪个点断教师要控制，可以在重点和难点的地方，也可以在难理解的地方或者学生容易产生错误的地方，还可以与当时流行问题密切相关或与创新有关的地方。总体选择更贴近实际、涉及内容新颖的问题，引导学生从中挖掘好的思路，鼓励学生研发，培养创新、创业能力。
计算机网络原理课在网络体系结构框架下，以教授网络协议原理为主，由于涉及协议并非均匀分布在每一堂课上，因此本课选择点断式的点并非均匀分布。以第一章为例给出一种可能的点断式的点：例如第一部分概述部分（6 学时）包含重点内容因特网的组成（含C/S、P2P 访问方式介绍）、交换方式介绍、计算机网络的定义、计算机网络的性能、计算机网络体系结构，其中交换方式（如分组交换等）属于难理解的内容，可以微翻转，而其他比较重要的内容就不适合做翻转。另外在实验教学中，也可以设置合适的问题点断点。
在实验教学中，按照布鲁姆的六层次原理，实验的设计逐步从易到难，从低阶到高阶，从单机版的独立完成到综合实验的合作实现。首先安排一些考查记忆的单机微试验让学生做，并迅速看到一些结果；
然后利用实验平台，基于课程内容，对一些协议的学习设置理解性的实验，帮助学生加深掌握这些协议，并使其学会协作；
最后设计基于TCP/IP 辅助的计算机网络综合实验，包含对协议族（以TCP/IP 为例）的综合应用、分析和评价，可以使学生对计算机网络的原理和架构从宏观上达到认识领域的较高层次，也更体现团队协作的重要性。当然，在整个实验教学各阶段完全由教师掌握，可以在简单的实验中加入高阶层次的应用分析内容，也可以在综合实验里安排低阶层次的记忆理解内容。这些实验的设计使学生跳出抽象协议栈的束缚，对整个计算机网络有完整的认识，也进一步引发其思考，培养团队协作和创新能力。
1）单机版微实验。
这部分微试验主要是一些网络常用命令、典型工具的验证实验，要求学生通过教师提供的资源或自己查资料自学使用WireShark 工具等命令。实际教学时，教师还要求学生解释这些工具的工作原理并自行设计一个应用工具的实验，把对知识的认识理解推向高层次的应用和分析，引导学生对网络学习产生更大兴趣。
2）小组配合完成的实验室实验。
学生有了兴趣，就可以安排其走入实验室。采用中软吉大的计算机网络实验平台，主要针对各典型协议三要素的验证式实验，进一步考查学生对协议的理解，同时培养学生间的协作能力。实际教学时，教师会要求小组设计一个协议，然后在课堂教学中汇报分享，其他学生分析并评价。
3）团队协作的综合实验。
为了让学生对于整个网络有一个总体把握，并知道课程所学到底如何应用或者用到了哪里，设计了一个全员参与的综合实验。
图2 是计算机网络原理实验的一个拓扑示意图，教师依照学生能力的强弱和数量多少设计实验，人数多可以分组并增加需要理解的协议数目。完成该实验既可以在课堂教学模拟，师生共同完成，也可以和实验教学结合起来，学生分组完成。
通过该实验，要求每个人都必须会用WireShark 分析IP、TCP、UDP、HTTP 等协议的包头内容，学会网络地址的规划、分配，学会协议的配置和应用等内容。通过教师点将的方式进行小组汇报，其他学生也可以通过问题点断式参与评价。由于学生的参与度更强了，他们自己产生问题、考虑问题、解答问题，对知识的理解做到了从低阶到高阶的升华，教学达到了授人以渔的效果，还能激发其创新能力，教学效果较好。
3.3 全过程回馈式调整
为了更灵活地调整教学方法与学生的水平、能力相契合，达到更好的教学效果，计算机网络原理在教学环节设计了回馈式机制，通过线上线下调查问卷的方式，及时接收学生的真实想法、看法的回馈，然后教师及时调整方法甚至内容，以解决学生的学习困扰。
3.4 教学方法持续的评估
1）教师自评、互评及团队评估。
图2 计算机网络原理实验拓扑示意图
教师可以通过观看优秀MOOC、开放资源等实现自评，不断完善教学。课程负责人组织团队定期通过互相看课件、听课（不宜多）、上课遇到的问题及其解决方法进行交流，从教师的角度互相点评，并做好效果问题的文档资料，可以实现一次建设持久利用。对于课程团队的评估可以邀请学校或学院的教学督导、经验丰富的老教师看课件、听课实现，也可通过查看学生对学习内容掌握程度实现，具体从作业完成的质量、期中、期末、实验完成的程度等各环节抽查评估。
2）师生互评。
学生对教师教学的评估一般依照学校学期末组织的评估开展，但对当前教学无用，结合前面提到的全过程回馈实现学生对教师的评估。教师对学生的评估方法采用持续性评估，即在一个学期内按照教师的课程设计及点断式的难易程度对学生多次评估。每章还可对评估结果的前n 名问题和后m 名问题单独点评，使学生及时知道该保持的优点在哪里、改进的空间在哪里，这样可以提高学生的学习积极性，从而更有利于课程的教学。
针对计算机网络原理课的特点设计并实现的一种问题点断式微翻转教学方法，既考虑了理论部分，又考虑了实验部分。该教学模式的优势有两方面：一方面是问题点断式微翻转，灵活；
另一方面是及时反馈进行模式微调整，使课程教学模式总体是一个固定的状态，细部局部可以灵活调整，可执行性强。除了计算机网络原理课以外，还在Web 开发技术等网络课程中进行了问题点断式微翻转的教学尝试，也得到了比较好的教学效果。由此可见，虽然本文方法针对理论研究较浓郁的计算机网络原理课程，但是也可以推广到其他的课程。
