基于協作學習的網絡技術與應用實驗課程教學模式

　　摘要：網絡技術與應用實驗教學中一個嚴重的問題是缺乏適合課程特征的教學模式。針對這一問題，本文提出一種適合網絡技術課程特征的基于協作學習的實驗課程教學模式，并以路由器相關實驗為例，從實驗項目設計、實驗環境配置、實驗過程組織以及實驗結果評價等方面進行了詳細闡述。
　　關鍵詞：協作學習；計算機網絡；實驗教學；教學模式
　　
　　1　研究背景
　　
　　隨著計算機網絡技術及其應用的迅猛發展和普及，網絡技術與應用已成為計算機科學與技術、計算機應用、網絡工程等專業的重要專業課程，也成為了很多非計算機專業的必修或選修課程。網絡技術與應用是一門理論與實踐緊密聯系的課程，在教學過程中不僅要讓學生掌握計算機網絡理論方面的知識，更要把理論和實踐結合起來，通過實驗培養學生的動手能力和創新能力。
　　在目前的網絡技術與應用課程教學中，各高校普遍偏向于理論知識的學習，而實驗教學方面不能充分開展起來，學習質量不高，學生不能真正理解和掌握計算機網絡技術，從而減少了學習的興趣，更不用說培養能力。究其原因，一是計算機網絡實驗教學要求的投入太大，使得網絡實驗室設備不足，網絡實驗運行費用較高，更加制約了學生的實驗時間。二是實驗教學模式單一，以實驗教材為主，學生被動的接受知識，實驗只需參照實驗教材執行，制約了學生對網絡技術的理解以及能力的培養。
　　對于第一個問題，隨著經費的增加，實驗設備的缺少會得到一定程度的緩解，而且仿真實驗的應用可以更進一步解決這一問題，因此目前更加緊迫的是對第二個問題的研究。
　　要解決第二個問題，首先要了解網絡實驗的特征，網絡實驗面對的是系統集成性問題而非元器件級問題，本質上需要多人合作來完成實驗，網絡實驗也適合設計成一個個單獨的項目。而協作學習就是學生以小組形式完成預先設置好的任務的一種方式，適合網絡技術與應用實驗教學。本文根據網絡技術實驗課程的特性，從實驗項目設計、實驗環境配置、實驗過程組織以及實驗結果評價等方面對基于協作學習的實驗教學模式進行了研究。
　　
　　2　網絡技術與應用實驗課程教學現狀與特征
　　
　　實驗課程是網絡技術與應用教學中非常重要的組成部分，其重要程度甚至超過了理論知識的學習，因為這關系到能否培養學生的動手能力和創新能力，關系到學生能否具備解決實際網絡問題的能力。
　　
　　2.1　網絡技術與應用實驗教學現狀
　　在原來的網絡技術與應用實驗教學中，實驗的內容主要依賴于理論教學，實驗教學的內容和學時比較分散，導致學生重理論輕實踐。這使得培養出來的人才不符合社會和企業的需要，形成一方面企業招不到符合要求的相關專業人才，另一方面大批相關專業的學生找不到工作的尷尬局面。
　　為解決這一問題，很多高校建立了網絡實驗室，也編輯了一些實驗教材，增加了實驗課時，這使得學生學習網絡技術的時間和環境得到了很大的改善，但這并沒有完全解決問題。目前的網絡實驗教學效果較差，教學質量不高，實驗以驗證性實驗為主，學生實驗時參照實驗教材的步驟，在教師的指導下做出實驗結果，嚴格地說這種實驗不能叫做實驗，而是上卡機甚至變成了打字練習。
　　究其原因，主要是因為現在的實驗內容設計、實驗環境設置以及實驗過程的組織等方面沒有考慮網絡技術與應用實驗課程的特征。
　　
　　2.2　網絡技術與應用實驗教學特征
　　1)網絡實驗適合設計成單獨的項目。
　　網絡技術與應用實驗課程內容可以根據教學要求分成一個個獨立的任務，每個任務可以設置成一個項目，每次實驗可以完成一個項目，項目之間存在一定的順序關系。比如以太網組網、交換機配置、VLAN配置、子網規劃、地址解析協議、路由器配置以及域名系統等都可以設計成一個項目。
　　2)網絡實驗項目需要多人合作。
　　大多數網絡實驗項目需要多人合作，因為從實驗時間和設備資源上不允許每個學生單獨完成系統性的項目，而且多人合作方式完成項目也能達到相應的教學效果。比如虛擬局域網VLAN的配置中，涉及到多個端口多臺主機的配置，每個同學可以負責一臺主機，相互之間配合來共同完成項目。其他交換機相關實驗、路由器相關實驗以及子網規劃、域名系統等實驗中同樣需要多人合作。
　　3)網絡實驗環境需要多人合作。
　　網絡實驗的資源是有限的，尤其是路由器、交換機等較為昂貴的設備不可能每人一臺，需要多人共用設備，當然就需要多人合作完成實驗項目。
　　
　　3　協作學習及協作學習模式
　　
　　協作學習(Cooperative Leaming，簡稱CL)是學生以小組形式參與，為達到共同的學習目標，在一定的激勵機制下最大化個人和他人習得成果，而合作互助的一切相關行為。協作學習至少包含5個要素：積極互賴、面對面的促進性交互作用、個人責任、社交技能以及小組自加工。協作學習以小組活動為主體，強調小組成員的合作互助，以特定任務目標為導向，強調按總體成績進行激勵。
　　協作學習模式是指采用協作學習組織形式促進學生對知識的理解與掌握的過程，通常由4個基本要素組成，即協作小組、成員、輔導教師和協作學習環境。在學習過程中，首先將教學內容設置成各個任務，然后根據教學任務按學生的學習成績、知識結構、認知能力、認知風格、認知方式等不同因素分成多個小組，每個小組3～5人，以小組為單位完成任務。成員是指分派到小組中的學習者，成員在小組中扮演一定的角色，有自己單獨的任務，成員之間通過協作互助來共同完成任務。輔導教師在任務的設置，小組的分派，學習中的指導以及學習結果的評價等方面具有非常重要的作用。協作學習環境包括組織環境、空間環境、硬件環境和資源環境等方面內容。協作學習的基本模式主要有競爭、辯論、合作、問題解決、伙伴、設計和角色扮演。
　　協作學習模式剛好符合網絡技術與應用實驗教學的特征，在協作學習過程中，可以共享實驗設備和學習資料，通過相互協作、相互幫助以及相互督促，充分發揮學習者的自主性、創造性和互動性。
　　
　　4　基于協作學習的實驗課程教學模式
　　
　　協作學習模式適合網絡技術與應用實驗課程教學要求，下面從實驗項目設計、實驗環境配置、教學過程實施以及教學結果評價等方面分別加以討論。
　　
　　4.1　實驗項目設計
　　網絡實驗可以設置成單獨的任務，每一個任務都可以設計為一個項目，下面以路由器相關實驗為例來說叫實驗項目的設計。
　　1)實驗項目的總體設置。
　　實驗的總體內容根據教學要求來安排，具體設置時應考慮實驗時間，一個實驗項目應能在2個課時內完成。按此原則將路由器相關實驗具體分為主機路由實驗、路由器基本配置、靜態路由配置、RIP協議配置、OSPF協議配置、BGP協議配置以及NAT實驗7個實驗項目。
　　2)實驗項目的任務安排。
　　首先根據每個實驗的具體要求分配小組，明確規定小組任務、小組成員的角色以及各自的任務，確定組內成員間的協作以及組間的協作，從而設置協作環境。
　　表1是以路由器相關實驗為例來說明網絡實驗協作學習任務的安排，其中“一”表示不需要或者“無”。其中成員角色的劃分按任務性質分主要是路由器配置和網絡主機配置，但因為在實驗過程的需求不同，因此將不同網絡的主機配置看成是不同角色。
　　
　　下面以RIP協議配置實驗為例來說明具體任務的安排。RIP協議配置實驗通過3臺路由器來連通3個網絡，如圖l所示。其中A1～A8為8臺主機，S1～S3為3臺交換機，R1～R3為3臺路由器，每個路由器有兩個以太網接口。整個項目可有一個小組來完成，小組成員4～8人，最少4人，1個配置路由器，3個配置不同網絡。小組的任務是配置RIP協議將3個網絡互聯，掌握RIP協議的配置方法，觀察RIP的運行過程，從而加深對RIP原理的理解。實驗第1步是按拓撲結構圖連線，其中一臺主機通過配置線連到路由器；第2步配置主機IP地址；第3步配置Rl的RIP協議：第4步配置R2的RIP協議；第5步配置R3的RIP協議；第6步模擬網絡故障將R1的LAN0口拔掉。除了第1步之外其他各步都要測試各網絡之間的連通性，查看路由表并將其記錄下來。每個成員至少負責一臺主機的配置和連通性測試，某個成員的延誤會導致其他成員的測試，而且不同主機測試出來的結果是不同的，因而每個成員都有單獨的任務要完成，但又需要相互協作才能完成整個目標。
　　
　　
　　4.2　實驗環境設置
　　根據實驗課程的特性以及協作學習模式的要求，我們重新設計了網絡實驗室。網絡實驗室由8個工作臺組成，每個工作臺包括8臺主機和一個機柜，8臺主機圍成一個圓形，機柜內配置集線器、二層交換機、三層交換機、路由器以及防火墻、語音網關等設備，適合大多數實驗。平常主機和二層交換機相連，二層交換機則通過三層交換機連到實驗室中心交換機，中心交換機連到Internet，可以做與Internet有關的實驗。機柜內部備有多根交叉線和直通線，以便實驗時設備之間的連接：還有一根Console配置線，用于配置交換機和路由器等設備；機柜之間預留通信線路，在做BGP等需要較多路由設備時連接。每臺主機安裝多個操作+DeetaahXJV/yMLqe4vY3g==系統以及各種需要的網絡軟件。
　　
　　4.3　教學過程實施
　　實驗教學過程中的關鍵問題是分組，將全體學生按工作臺分成多個組，每組6～8位同學，分組的策略是按學生的能力、興趣、基礎、性別等因素相互搭配，以便于各展所長、協助互補。每組配備組長一名，負責實驗設備領取與分派以及組共同任務目標的監管和匯總。組成員具體負責任務通過相互協商來確定，組成員之間相互合作、相互幫助、也相互督促。這種分組比較固定，方便教學管理，但是在部分實驗不需要這么多人合作時，可以在組內部臨時再分小組，靈活方便。部分實驗需要組間合作的由各組組長進行協商解決。
　　分好組后，以組為單位安排實驗項目，分配實驗設備，組織實驗過程。教師也以組為單位進行輔導。
　　
　　4.4　教學結果評價
　　教學模式是否有效，是否確實提高了教學質量，必須對教學結果進行評價。采用本文教學模式的實驗結果評價可按兩個方面來進行評價，一是以小組為單位，二是以成員為單位。
　　以小組為單位進行評價首先是檢查小組任務的完成情況，要求完成一份項目總結報告，說明項目中采用的策略以及具體實施過程，最終的成果以及存在的問題。教師以小組為單位評分，可按各組成果和報告的優異程度排列登記來促進組間的競爭，如果某個小組不能按時完成任務，則考慮調整小組成員的組成。其次，可以在項目基礎上布置相關任務測試小組的學習效果，檢測其協作能力和解決問題的能力。
　　以小組為單位考核可以促進成員之間的相互合作、幫助和促進，但也難免有些學生濫竽充數，所有事情由同學代勞。因此還必須對成員進行評價，每個成員必須完成一份任務總結報告，說明在項目中所具體負責的任務，如何實施，如何協作，最后的結果以及存在的問題，由于不同成員的任務之間有一定的順序關系，存在的問題中可以指出其他成員的不足。教師可以對各組完成相同任務的學生一起評價，以促進學生的競爭意識。其次，也可以制定某個任務或操作來考核學生，評價其學習效果。
　　
　　5　結語
　　
　　本文針對網絡技術與應用實驗課程的本質特征，采用基于協作學習的實驗教學模式，從實驗項目的設計、實驗環境的配置、教學過程的組織以及教學結果的評價等方面進行了探討。
　　近兩年來，我們在多個班級嘗試了這種教學模式，并對協作學習模式和傳統教學模式進行了對比。結果表明，協作學習模式確實更加適合于網絡實驗教學。在采用協作學習模式的教學中，首先一部分學生脫穎而出，在組中起到組織、協調的作用，在同學相互幫助、相互討論過程中進一步加深了對網絡知識的理解，因而優秀者更加優秀，原本較為普通的同學也在競爭中越來越優秀。其次部分同學原本因基礎、興趣、能力等方面原因在實驗過程中表現較差，但在組內同學的幫助、促進下得到了很大程度的提高。同時因為采用同學之間的合作互助，完成一定任務而產生的成就感，極大提高了學生的學習興趣。總而言之，基于協作學習的實驗教學模式從整體上提高了教學效果，加深了學生對網絡知識的理解，也鍛煉了學生的各方面能力。
　　目前我們還只對實際實驗過程中采用這種模式進行了研究，對于采用網絡仿真實驗平臺以及基于CSCL的實驗教學模式是下一步的研究方向。
　　
　　
　　(編輯：姚彥