基于項目任務驅動的計算機網絡課程教學方法

　　摘要：在分析“計算機網絡”課程教學內容體系的基礎上，采用構建主義的教育思想，提出基于項目任務驅動的課堂教學與實踐教學方法。將任務驅動的教學模式引入課堂教學實踐中，設計四階段教學模式。將模擬項目驅動策略引入實踐教學過程中，通過不同層次的實驗訓練提高學生實踐能力。
　　關鍵詞：任務驅動；模擬項目驅動；計算機網絡；教學方法
　　
　　1研究背景
　　隨著國家信息化進程的不斷推進和信息技術的廣泛應用，計算機網絡技術已經成為信息化領域的核心理論基礎和工程技術基礎。作為計算機及網絡工程相關專業的專業基礎和核心課程，計算機網絡在信息技術人才培養中占有十分重要的地位。計算機網絡課程的教學目標，就是學生通過本課程的學習，掌握計算機網絡體系結構、網絡系統組成及工作原理、網絡設備組成及工作原理、網絡應用以及網絡管理和網絡安全知識[1]。具有一定的計算機網絡系統架構、設計、集成、維護、管理和應用開發能力，具備網絡協議分析與設計、計算機網絡系統分析與設計、網絡設備的設計與開發能力[2]。計算機網絡課程不僅具有較強的理論體系，而且具有明顯的工程技術應用特點，如何將理論教學與工程訓練有機地結合起來，達到課程學習的目標，已經成為計算機網絡教學方法與手段改革的核心問題。
　　建構主義學習理論是歷經對皮亞杰、布魯納、維果茨基、維特羅克(M.C.Wittrock)等人的早期建構主義思想的不斷發展，同時伴隨著對認知心理學的批判和發展，于20世紀90年代出現在心理學領域中的新型學習理論。建構主義學習理論認為，學習的過程是學習者主動建構知識的過程，學習活動不是由教師單純向學生傳遞知識，也不是學生被動地接受信息的過程，而是學生憑借原有的知識和經驗，通過與外界的互動，主動地生成信息的過程。任務驅動教學模式是問題—探究式教學模式的提升，它是一種吸收了當今構建主義教育思想而建立起來的、富有活力的教學模式[3]。基于項目任務驅動的教學模式，是在教學過程中針對不同知識領域和知識單元，由教師為學生設計一個完整的學習任務，使學生在設計的教學任務驅動下，通過分析、討論，利用所學知識進行自主探索和互動協作學習的教學方法。項目任務驅動教學模式特別適用于工程背景突出的計算機網絡課程的教學過程。該教學方法的應用，可以很好地培養學生的主動自學能力、嚴密的思維能力、獨立分析解決問題的能力以及團隊合作的能力。
　　2計算機網絡課程的層次化教學體系
　　作為信息技術領域的核心基礎課程，計算機網絡不僅在計算機及相關專業開設，而且在非計算機專業的選修課程體系中設置。針對不同的專業需求，我們將課程設置成多種方案，以適應不同學科和不同層次學生對課程深度和廣度的要求[4]。課程設置應當對計算機網絡的知識領域和知識單元進行合理的組合，分層次設置教學內容。我們根據授課對象的不同，將計算機網絡教學劃分為三個不同的層次：面向網絡工程專業的科學型教學層次、面向計算機專業的工程型教學層次和面向非計算機專業的應用型教學層次，如圖1所示。
　　1) 面向網絡工程專業的科學型教學層次定位，主要針對網絡工程專業的學生設計教學內容。課程的教學目標是培養基于理論研究的計算機網絡分析、設計與開發型網絡技術研究人才。重點培養學生掌握計算機網絡的體系結構設計、網絡協議分析與設計、網絡設備分析與設計、網絡信息安全技術的基礎理論和設計技術。為后續核心專業課程的開設奠定理論基礎。
　　2) 面向計算機專業的工程型教學層次定位，主要針對計算機科學與技術專業的學生設計教學內容。課程的教學目標是培養基于工程設計的計算機網絡架構、集成與管理型網絡技術工程人才。重點培養學生掌握計算機網絡的規劃、設計、集成、選型與管理的知識與技術，使學生具有一定的計算機網絡架構、設計與管理及網絡工程的實施能力，能夠完成計算機網絡工程的方案設計、設備選型、技術集成和項目管理。
　　3) 面向非計算機專業的應用型教學層次定位，主要針對非計算機專業的計算機基礎教學設計教學內容。課程的教學目標是培養基于技術應用的計算機網絡的應用、維護與組網型網絡技術應用人才。重點培養學生基本掌握計算機網絡的工作原理、網絡系統的組成、網絡設備的維護以及網絡管理方面的知識。使學生具有基于計算機網絡開展其他工程領域研究與開發所需的網絡技術信息化綜合能力。
　　針對網絡工程專業和計算機科學與技術專業的課程體系，計算機網絡的先修課程和后續課程如圖2所示。對于兩個不同的專業，可根據培養目標的不同開設不同的后續課程。
　　3基于任務驅動模式的理論教學方法
　　“計算機網絡”課程的教學內容具有概念繁多、原理復雜、協議與技術交疊的特點。它涉及眾多的概念、原理、協議和技術，這些內容以錯綜復雜的形式交織在一起，既有原理的復雜性，又有技術的時效性。所以，在該課程的教學過程中，學生普遍反映無法深入理解網絡的原理與技術，知識點的銜接也無法形成整體。在實驗過程中，知識的應用具有盲目性。現有的課堂教學模式無法很好地實現理論與實踐相結合、提升學生網絡技術能力的教學目的。
　　我校計算機網絡的教學內容按照網絡體系結構的層次，采用先整體后局部的教學方法進行內容組織。根據ISO/OSI體系結構，借助網絡分層模型和系統化的教學內容組織方法，將教學內容劃分為四個知識單元：計算機網絡體系結構及工作原理、計算機網絡的底層通信與數據傳輸、計算機網絡的網絡互聯與傳輸控制、計算機網絡的應用服務與信息安全。在課堂教學方法設計上，基于構建主義的任務驅動教學模式，進行各個知識單元的任務設置，以此為支撐點啟動各類知識點的教學。基于任務驅動教學模式的設計分4個階段，內容如下。
　　1) 基于知識單元的任務設計階段。根據每一知識單元的核心知識點，由授課教師進行學習任務設計。按照難易適中、問題明確、求解可行、激發興趣的原則選取任務事例，而且集中體現本單元的核心知識。使學生通過分析、討論、探究、自主學習和互助學習，達到教學目的。
　　2) 教師指導下的任務分析階段。通過教師課堂講授相關概念和原理，幫助學生建立問題求解的方法和策略，引導學生進行問題分析與方案設計，最終形成一個學習任務求解的方案。
　　3) 實驗環境下的任務求解階段。在實驗環境下實現學生自行設計的學習任務求解方案。在實驗過程中，教師要適時提出和歸納所包含的學習知識點，進一步講解其原理和技術。
　　4) 項目答辯式的任務評價階段。由學生匯報其學習任務完成情況，教師通過分析學生在分析問題、思維能力及實踐技巧等方面的情況，肯定學生好的思維方法和算法思想，同時對其他沒有涉及的理論進行補充，以達到完善認知結構、實現教學目標的目的。
　　任務驅動教學模式是問題探究式教學模式的提升。在計算機網絡的教學方法改革中，基于任務驅動的教學模式就是知識與實驗的結合，通過設計包含教學要求知識點的學習任務設計，在實驗過程中進行驗證和學習。計算機網絡課程所劃分的4個知識單元中，并不是所有的知識單元教學都適合于任務驅動的教學模式。對于計算機網絡體系結構及工作原理知識單元，強調的是計算機網絡的組成、網絡體系結構、網絡性能指標以及相關的概念和原理，適合于認知性和驗證性學習，采用傳統的課堂教學方式并加以相關的驗證性實驗進行教學是合適的。
　　對于計算機網絡的底層通信與數據傳輸知識單元，其核心知識點是有關信號與信道、編碼與調制、傳輸介質與物理層設備、差錯處理技術、HDLC和PPP協議，同時涉及計算機通信網部分的以太網、高速以太網、環形網、無線局域網以及局域網交換方面的內容。其工程性較強，可實施學習任務驅動的教學模式。
　　
　　對于計算機網絡的網絡互聯與傳輸控制知識單元，其核心知識點是網絡層和傳輸層所包含的知識內容，主要包括網絡服務模型及組網方式、IP/ICMP協議族、路由算法和路由協議、IP多播及移動IP、TCP/UDP協議族以及可靠傳輸的建立等。同樣適用于任務驅動模式的教學。
　　計算機網絡的應用服務與信息安全知識單元，主要包括HTTP服務、文件傳輸FTP、電子郵件SMTP、網絡管理SNMP、域名解析DNS以及socket應用編程接口和訪問控制、網絡檢測和加密機制等知識。可以通過多個學習任務進行任務驅動式教學。
　　當所有課程知識單元學習完成后，教師最后通過一個網絡項目實例，將計算機網絡系統的工作原理和不同層次協議之間的交互過程進行整體性教學案例逆向分析，不僅使學生學習和掌握每層協議的功能、特性、組成、報文格式和工作原理，而且讓學生從總體上分析各類協議在整個網絡體系結構中的地位、作用和功能。這就保證了教學內容的整體性和完整性，使學生透過復雜的局部知識看到其內部的不同協議和技術核心。
　　4基于項目驅動模式的實踐教學方法
　　計算機網絡不僅是一門理論性很強的專業課程，而且是一門實踐性很強的實驗課程。基于項目任務驅動的教學模式，很重要的實現途徑就是通過課程實驗和實習實訓實施。所以，實踐教學在整門課程的教學中占有十分重要的地位，在實驗學時分配上，以課堂教學與實驗教學達到3∶1的比例為宜。同時要在教學體系中設置計算機網絡工程綜合實驗周和計算機網絡綜合課程設計以及3周以上的逆向工程案例教學，整個課程的學習應當在一個學年內完成。
　　計算機網絡的實踐教學內容，要在分析課程知識單元和知識點教學目標的前提下，進行整合和優化。在內容設置上，要減少和改造驗證性實驗，調整并充實綜合性實驗，突出設計性和探究性實驗的數目和質量。建立驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和探究性實驗的分層實踐教學體系。實驗教學內容要體現由易到難、由簡單到綜合、由注重傳授基本方法和技能到注重創新能力培養的特點。實踐教學采用與任務驅動教學模式相統一的項目驅動策略，在課堂教學中所設計的學習任務，應當包含了相關的實驗內容。基于項目驅動的實驗教學適合于綜合性和設計性實驗教學過程。
　　綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識，學生通過運用綜合的實驗方法和技術來進行問題求解的實驗類型。開設這類實驗是通過實驗內容、方法、手段的綜合，培養學生綜合分析問題和解決問題的能力。在基于項目驅動的實驗內容安排上，要把握住綜合性、探索性的原則。綜合性實驗適合于計算機網絡的底層通信與數據傳輸知識單元和網絡互聯與傳輸控制知識單元的實驗設計。
　　設計性實驗是一種小型項目設計實施的工程實驗類型。它是指學生應用所掌握的知識，根據教師給定的實驗題目、要求和實驗條件，自主查閱參考資料、設計實驗方案、選擇實驗方法和實驗器材、擬定實驗步驟并獨立完成實驗全過程的實驗[5]。設計性實驗的本質就是一種基于項目驅動策略的實踐教學方法，其目的是使學生通過選定題目、查閱資料、設計方案、擬定實驗內容和步驟，進行實驗研究、實驗總結和論證、完成實驗報告等一系列過程，達到培養學生獨立完成實驗的能力和解決實際問題的能力。設計性實驗適合于計算機網絡的應用服務和信息安全知識單元的實驗設計。
　　探究性實驗是一種對學生要求更高的實驗類型，它不僅涉及計算機網絡一門課程的知識，而且涉及更多的專業基礎課程和專業課程。探究性實驗適合于部分優秀學生采取開放性實驗申請的方式，在相關教師的指導下完成。探究性實驗的本質就是項目驅動的實驗教學模式。
　　5結語
　　筆者針對計算機網絡課堂教學與實驗教學方法改革與實踐進行探討，在分析課程3個層次教學對象的基礎上，提出將“計算機網絡”課程教學內容劃分為四個知識單元，基于構建主義的項目任務驅動教學模式，進行不同知識單元的學習任務設計、分析、實施和評價，以達到學生主動學習的目的。基于項目任務驅動教學方法的改革核心是知識單元的任務構建、執行和評價，規范地設計知識任務和實驗項目是今后研究和探討的重點。我們將針對知識任務的規范化模板設計進行深入研究，以便更好地推進改革。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會．高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案[M]．北京:高等教育