基于微課程的計算機網絡課程混合式教學研究

陳 磊，張凱亮

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221008）

計算機網絡課程的教學中需要學生學習使用大量網絡工具并掌握大量網絡協議，大大超過課程的課時設計。因此，基于該課程教育的現實問題，通過對其課程內容進行微課程的設計與應用，解決課程教學中的不足，把一部分學習移到課堂之外。為了配合課程的使用，教學中還需要引入混合式教學模式，把課堂教學和微課程的使用結合起來。

一、計算機網絡課程教學面臨的挑戰

在新工科中，合理運用網絡技術成為一項必要能力。計算機網絡類課程需要適應這種要求，為學生的能力培養提供支持。如同其他課程一樣，計算機網絡課程在新工科教學中面臨諸多問題：學生學習過程被動、知識向能力轉化效率低、學生學習目的性差、學生實踐動手能力差、學生創新更多來自課外和缺少整體分析問題解決問題的訓練。有研究認為，需要通過集成式微課程體系將不同性質的課程有機融合為一體，發揮微課程體系協同作用，以有效解決上述問題[1]。微課程作為一種課程組織形式，具有特殊的技術屬性，例如微型化的體量、半開放的結構、序列化的內容、混合式的實施和高質量的體驗[2]。其技術屬性也決定了設計中的基本原則包括學生中心、化繁就簡、激活興趣和整體設計。與微課程相伴的是混合式教學模式，而混合式教學的具體設計中需遵循的原則包括以學習成果為導向的逆向設計思維、貫穿全過程的線上線下混合式設計和具有一定開放度的學習支架搭建。以混合式教學改進計算機網絡課程的教學質量已有很多例證[3]。有研究者發現，利用線上的碎片化學習擴展學生知識量，利用線下的系統學習連接各個知識點，最終可以有助于完成該類課程的知識系統化重構[4]。具體到計算機網絡課程，有課題組以計算機網絡與應用課程為例，進行了教學實驗和數據分析，數據分析結果顯示，翻轉課堂促進學生間的交流互動，提升了團隊協作技能；翻轉課堂增強了學生的責任感，提高了學習績效;而翻轉課堂的順利開展離不開良好的教學環境和教師素養[5]。本文采用微課程的教學模式，對計算機網絡原理課程的教學進行重新設計，驗證了以微課程為基礎的混合式教學方法在此類課程教學的作用。在教學設計中，本文考慮思政元素的融合，采用了把日常思政案例融入到各個教學目標中的做法[6]。在知識模塊的教學設計中，強調工程范式回歸，把知識作為工程實踐的工具而不是教學目的本身，強調解決工程問題的能力培養[7]。

二、計算機網絡課程概況和微課程設計思路

計算機網絡課程是計算機類相關專業學生的專業核心課程。教學目的是使學生掌握計算機網絡的基本工作原理和實現方法，培養學生運用計算機網絡原理分析解決實際應用問題的能力，為網絡應用系統的設計、開發和工程實踐打下基礎。課程遵循OBE 和工程教育認證理念，根據人才培養目標和畢業要求，設定課程目標為：（1）理解計算機網絡體系結構和網絡各層的主要功能，掌握網絡各層的主要協議和主流技術標準，理解標準化的作用，在工作學習中要“尊重標準，向標準看齊”，努力形成遵章守則的氛圍，能夠利用網絡分析工具分析網絡協議的工作狀態。（2）根據特定的網絡業務性能需求抽象出問題模型，利用模型選擇技術標準和網絡設備，設備選型引導學生在同等條件下支持國產設備，并能夠進行局域網拓撲結構的設計。能根據傳輸性能和安全性等具體需求，選擇合理的網絡協議。培養網絡安全規范意識，樹立網絡安全意識，認識網絡使用規范和有關倫理道德的基本內涵，增強自覺遵守網絡安全相關的法律法規的意識。提出一系列有關網絡安全和網絡強國的戰略思想，把網絡安全上升到“大安全”的高度，上升到與公民權益、國家利益的高度，激發學生成為網絡安全的維護者，構筑網絡安全防線，捍衛網絡安全的社會責任感和職業使命感。（3）能夠設計主要網絡協議的實驗環境，能夠利用網絡管理協議，獲取網絡性能指標。通過正確解讀指標數據，發現網絡運行中存在的問題。（4）能夠使用網絡連接設備和仿真平臺搭建特定業務運行的網絡環境，利用網絡分析工具分析業務運行效果，并對網絡結構和網絡協議提出優化設計方案。通過學生分組對復雜工程問題進行分析、設計和開發，理解良好團隊應具有團隊協作意識和能力。

經過長期建設，課題組在該課程上形成了3 點特色：（1）強化解決復雜問題的能力培養和工程思維。互聯網是網絡空間的基礎設施，課程內容以傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）體系結構為綱，擴展到物聯網、數據中心、工業互聯網、下一代互聯網和SDN 等網絡架構，將基本原理融入復雜工程問題。將網絡工程、網絡編程、網絡安全與網絡協議原理的運用有機結合起來，構建原理為基礎、應用為導向的課程內容體系。（2）鼓勵學生對經典算法的批判思維。引入對經典模型和算法的重新評價，如可靠傳輸、socket 管理和域名解析算法等，培養學生的批判思維，讓學生發現現有技術的局限性，敢于改進。（3）教學活動回歸工程范式。協議設計、網絡部署等實踐教學內容來均自教師科研項目中的工程問題。教學過程中，學生必須通過需求分析、方案設計、網絡設備部署和仿真測試等過程完成項目設計和實驗報告。

課程包含63 個微課學時，每個微課學時10～20 分鐘，課題組提供線上微課程資源包，學生可以學習這些資源包，也可以通過網上技術社區自學，教師負責評價學習結果。課程還包含40 個理論課堂學時和16 個實踐課堂學時。微課程以自學為主，包含基礎知識的學習和基本技能的訓練，以及部分驗證性實驗的講解；理論課時以教師講解為主，負責網絡協議底層邏輯梳理和知識點串聯；實踐課時以翻轉課堂為主，教師組織對設計類和創新類的大作業和實驗進行討論和成果展示。

在決定采用混合式教學之后，課程章節設置按照計算機網絡5 層結構設計，理論單元和實踐單位獨立設計，邏輯層次清晰，便于學生課外自學。該課程被課題組細分為63 個知識點和能力點。課題組自制微課視頻61個，包含各個知識點和實驗工具的使用說明，同時學習任務點增加至66 個，對于主要知識點提供了作業和思考題，便于統計和分析學生學習情況。微課程包括教學設計文檔、教學輔助資源及師生對課程各環節的反饋與評價等多種資源。這些文件共同構成了一個結構緊湊、類型豐富和主題突出的主題單元資源包。主要微知識點及其資源包的總體設計見表1。該資源包形成之后，基礎的知識點和技能點由線上的微課程資源包提供支持。課堂時間被用于知識點串聯，協議底層邏輯講解和設計性作業討論。

表1 微課程總體設計

結合課程內容，充分挖掘課程思政元素，將網絡安全國家戰略意義、工匠精神的培養等融入到具體知識點中。通過生成性學習資源構建，引導學生課后對實驗設備、案例和教學視頻自研，培養學生自信、共享和協作精神。自課程建設以來，每個知識模塊都加入了思政內容。課程思政設計見表2。

表2 課程思政教學設計架構

在課程設計中，課題組進行了明確分工，組長負責教學內容組織，2 位教師負責教案設計，1 位教師負責超星網絡教學平臺課程資源的發布、更新與維護，另1 位教師負責課程思政案例設計，1 位實驗師負責實驗項目設計、實驗指導書修訂。形成了包括教授1 人、副教授3人、講師1 人和實驗師1 人的固定教學團隊。明確的分工提高了微課程資源包的制作質量。

三、微課程設計使用情況分析

課題組向學生布置學習任務時，并不要求必須使用提供的微課程資源包，學生可以自選學習方法，發現其他資源可以在班級共享。全班學生共48 人，為大三計算機專業學生。課題組對微課程資源使用情況進行統計。圖1 是主要微課視頻的觀看人數，最高時到達43 人，所有視頻的觀看人數都超過35 人，可見學生對多媒體信息接受度較高。訪談發現，沒有觀看的同學并不是學習成績較差，而是基礎較好或者喜歡查閱技術社區的資料。微課視頻的存在，一定程度上拉齊了學生的基本水準，為課堂教學提供了保障。

圖1 理論教學部分微課視頻觀看人數

圖2 是部分關鍵微課程文檔的查看人數。查看率低于50%，學生對與文字性的教學資源的偏好較低。部分文字資料和教材有一定重疊，也是查看率低的原因。

圖2 理論教學部分文字資料查看人數

圖3 是線上測試題目的參與度。由于線上測試題和期末考試有一定相關度，所以參與度較高。可見學生對期末成績的關注度較高。

圖3 知識點線上測試參與人數

圖4 是累積參與網上微課的人數。在開課1 個月之后，100%的學生參與過該課程的線上微課學習。這是由于在接近1 個月的時候，課程的實操部分比例開始加大，需要使用網上學習工具，學生普遍還是偏好較為直觀的實際操作。

圖4 網上微課程累積參與人數

從微課程資源使用情況看，學生偏好多媒體資源，關注自身的成績，但對于枯燥的文字資源關注較少。上述結果，一方面鼓勵教師制作更多更好的多媒體資源，一方面要求教師注意提升學生的學習興趣。學術和技術資料雖然較為枯燥，然而研讀這些資料正是學生產生學習興趣的一種體現。而微課視頻和線上習題的高訪問率是多媒體動畫吸引和考試壓力等外部因素造成的。

四、微課程教學效果分析

在教學過程中，由于引入了微課程資源，團隊壓縮了直接講授的內容比例，強化了動手實踐能力培養，增加了技術方案的前沿追蹤和課堂討論，學生打破固定思維提出了許多創新的方案。通過上述課程建設和改革，學生對計算機網絡的感性認識增加，學習動機得到強化，實踐動手能力也大幅提升，課題組注重指導學生進行工程實踐。近年來組織學生參加網絡技術相關學科競賽，獲得中國高校計算機大賽（C4）網絡技術挑戰全國總決賽一等獎、二等獎、三等獎各1 項，華東區決賽二等獎3 項，三等獎13 項；中國大學生計算機設計大賽全國總決賽三等獎、江蘇省賽二等獎各1 項；“挑戰杯”江蘇省選拔賽三等獎1 項；中國大學生iCAN 物聯網創新創業大賽華東賽區三等獎1 項；“新華三杯”全國大學生數字技術競賽華東賽區一等獎1 項。江蘇省網絡安全技能競賽三等獎以上8 項，學生以第一作者發表和錄用計算機網絡方向EI 收錄的科研論文20 篇以上。

從學生的學術成果看，引入微課程之后，課后學習時間利用充分，課堂教學效率被激活，學生的學習興趣和自學能力有了顯著提升。由于微課程資源涵蓋了大多數知識點和技能點，使得學生可以合理運用這些資源進行更深度的設計，翻轉課堂上不再是學生按部就班的演示，而是出現想法的碰撞和許多有趣的創新點，學生提出了軟路由的設計和實現、被動重傳協議和語音云質量評價和域名解析（DNS）欺騙攻防等有趣的創新性案例。混合式教學的效果得到了體現。

五、結束語

計算機網絡從誕生開始，就不斷在解決應用中的問題，所有的協議都是開放文檔，自身不斷進化和發展。計算機網絡已成為信息社會的基礎設施，物聯網、云計算和大數據等新技術及應用都離不開計算機網絡技術的不斷進步，這就要求課程在教學內容上不斷更新，引導學生基于原理解決新問題。將思政內容有機融入網絡體系結構及各層協議的知識點中，以協議安全問題引導學生理解網絡安全為什么已成為國家戰略，以協議的開放性設計思想培養學生發現問題和不斷創新的意識。這一切都需要改變傳統的授課模式，采用混合式教學模式來提高學生運用知識解決實際工程問題的能力。本課程的實踐證明，微課程的合理設計是保障混合式教學效果的基礎。