計算機網絡線上實驗教學改革與實踐

謝劍剛　肖小紅　薛云蘭

關鍵詞：計算機網絡；線上教學；實驗教學；新一代信息技術

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

1概述

計算機網絡是工科類專業普遍開設的重要課程，對實踐教學有較高的要求。隨著線上教學的蓬勃發展，計算機網絡線上實驗教學的優勢得到了越來越多的教師的認可，線上實驗教學成果不斷涌現，線上線下混合式教學模式的實踐也取得了豐碩的成果…。線上線下教學正以多種形式相互聯合，優勢互補，達到了良好的教學效果。然而由于不確定因素的影響，純粹的線上實驗教學需求仍然強烈，針對線上實驗教學研究仍然存在較多不足，線上實驗教學模式創新研究還有很大的潛力。

云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術被廣泛應用到計算機網絡線上實驗教學中。楊昌堯等研究了大數據和人工智能技術在計算機網絡中的應用。李佩論證了計算機網絡實踐教學中的質量指標評價體系創新的重要性。王國琿等利用深度學習方法對學生學習專注度進行了分析，類似研究在線上教學中可以發揮比線下更大的作用。

教學中融入課程思政是為國家培養德才兼備人才的必要保障。唐欣等研究了計算機網絡知識點如何切入課程思政元素，并對教學效果進行了反思。丁琳等分析了計算機網絡課程專業內容與思想政治教育內容之間的融合點。劉金江等分析了計算機網絡課程思政對塑造大學生正確三觀，對維護國家安全和經濟穩定的重要意義。

2在線實驗教學面臨的問題

線上試驗教學有著與線下教學或線上線下混合式教學有較明顯的差異，線下或混合式教學的經驗無法照搬到線上教學中。受限于信息技術水平，在計算機網絡線上教育中，實驗教學一直是一個難點，面臨諸多問題的挑戰。

2.1教學場景分離

教學師生往往同時面臨學習時間不一致、學習地點不一致、實驗環境不一致等問題，對實驗教學帶來了很大的不確定性，學生和教師往往無所適從，教學質量難以把握。

2.2教師指導難度大，反饋不及時

在線實驗教學給教學反饋增加了很大難度。老師通常難以實時把握學生的學習進度，更難以即時對學生學習過程中遇到的各種問題給予反饋。即便采取線上線下交融的學習方式，也很難達到線下面對面教學的指導效果。

另外一方面，線上教育的生師比往往要比傳統的面授實驗教學大得多，即使沒有時間、地點、實驗環境同步的困難，教師往往也面臨更大的實驗指導工作壓力。

2.3學習記錄缺少過程性數據

過程性數據是線上實驗教學的重要補充。如果沒有過程性數據，教師就只能從學生的實驗結果或實驗報告來了解學生的學習效果。對于完成實驗任務有困難的學生，難以了解出現錯誤的具體原因，也就無法給予針對性指導，對于網上找答案等行為也很難進行判斷和監督。

2.4學習評價體系單一

傳統的以教師評分為主的單一評價方式，對于線上實驗教學而言是不夠完善的。對學生的學習情況進行評價，應該形成多角度全方位的系統評價標準，綜合考慮學生學習環節的參與程度、完成情況、完成速度、進步情況等多種因素。

學習評價體系還應當能給教師的教學活動、教學設置等給予合理的反饋和改進建議。例如，根據各個知識點的綜合掌握程度調整實驗難度，根據實驗平均完成時間調整實驗內容數量，根據實驗錯誤反饋動態調整講解的重難點等。

3引入新一代信息技術

借助云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，有效改善計算機網絡課程線上實驗教學中的眾多難點。

3.1云計算技術

云計算和虛擬化技術的發展，使得計算機網絡課程在線實驗教學成為可能，線上教學需求促使實驗教學逐步從實體實驗室往云平臺乃至于公有云平臺方向轉變，成為實體實驗室的有益補充。云實驗平臺能夠有效解決實體實驗室的制約，使學生能夠隨時隨地訪問實驗資源，使得課程實驗資源的利用率有大幅度的提高。然而由于實體實驗室和實驗云平臺先天上存在的差異性，基于云計算的課程實驗資源并不是直接把線下實驗資源遷移到云平臺就能完全適用的，還需要根據云平臺的特性，重新設計基于云計算平臺的虛擬化實驗方案。一方面，云計算給實驗教學帶來了很大的便利；但另一方面，云平臺實驗也存在一些缺陷，如師生教學場景割裂、監督反饋困難等，需要引入智能技術予以緩解。

3.2大數據技術

數據已成為國家基礎性戰略資源，大數據正日益對全球生產、流通、分配、消費活動以及經濟運行機制、社會生活方式和國家治理能力產生重要影響。國務院2015年印發《促進大數據發展行動綱要》，2016年將大數據戰略納入“十三五”規劃，充分表明了國家對大數據的重視程度。在計算機網絡課程線上實驗教學中引入大數據技術，對于建立科學高效、高質量、高精度的學習效果評價體系至關重要。傳統的實驗教學學習效果評估主要是通過對實驗結果進行評分，往往缺乏過程性評價指標，難以對學生的疑難進行必要的引導。引入大數據技術能極大提升在線實驗教學效果，大數據技術從源頭人手，采集過程性數據，并根據實時數據分析數據對學生進行針對性指導，對過程性錯誤及時進行反饋和糾正，實現幫助學生掌握關鍵知識點的教學目標。

3.3人工智能技術

隨著深度學習諸如計算機視覺、語音識別和自然語言處理等領域取得了突破性的進展，人工智能與學校教育的深度融合已經逐漸成為重要的發展趨勢。祝士明等從課前、課中、課后三個方面討論了深度融入智能技術的金課框架。趙沁平院士指出人工智能能從三個方面支持智能教育：一是虛擬對象智能化；二是交互方式智能化；三是虛擬現實內容研發與生產智能化。智能技術的應用范圍覆蓋了不同學段和不同學科，并體現出很強的針對性。在學段覆蓋上，智能技術的使用覆蓋了基礎教育、高等教育和職業教育在內的各個學段。在基礎教育階段，沉浸式媒體（包括虛擬現實技術、增強現實技術和仿真模擬技術）的應用得到了持續的關注；在高等教育階段，智能技術應用更為廣泛，智能跟蹤測評、智能教學評價反饋、基于自然語言處理的智能導學系統都是研究熱點；在教學使用場景方面，智能技術的使用涉及了教學中的各個環節，包括教學過程、教學評價以及教學管理。

4融入智能技術的意義

在計算機網絡課程實驗教學中融入智能技術，不僅能夠提升教學效果和學生的學習積極性，還能在很大程度上緩解線上實驗教學中存在的若干不足，具有重大意義。

4.1創新教學模式

基于云計算和虛擬化技術的線上實驗教學，使得學生能非常方便地在云端的統一實驗環境上隨時進行實驗，從根本上解決了教學場景分離帶來的學習時間不一致、學習地點不一致、實驗環境不一致等實驗難題。這種創新的教學模式帶來了極大的便利，但構建云實訓環境、使用云平臺也對教師提出了更多的要求，需要對線下教學的傳統模式進行大量改造。

4.2提升教學反饋效率

基于自動化腳本和大數據分析的教學反饋機制可以把學生的學習進度、重難點等數據反饋給教師，讓網絡兩端的師生能更好地交流；還能通過預設程序自動給予學生操作提示、錯誤反饋和實驗步驟方面的指導。這將大大改善線上實驗教學反饋途徑缺乏、不及時等問題，提升學習效率。

4.3建立科學的學習評價體系

對過程數據進行批量采集，結合大數據分析、人工智能等技術，能夠有效改變過去以教師評分為主的學習評價體系，把能反映學生的學習過程、學習態度、知識掌握程度等數據都納入學習評價中，建立科學高效的新型學習評價體系。

4.4促進教學改革

在線上實驗教學中引入云計算、大數據分析、人工智能等新一代信息技術，給線上實驗教學帶來便利性和更高的效率的同時，也必將引導更多教師參與其中，促進能發揮先進技術特點和優勢的新教學模式研究。

5計算機網絡課程實驗改革實踐

5.1教學內容改革

全面分析典型的計算機網絡實際應用案例，并結合計算機網絡課程的實驗教學內容與線上實驗云平臺的實驗條件和特性，對已有實驗教學內容進行適應性改造或重新設計新的實驗任務，形成一套合理科學、難度適中的線上實驗任務體系。對實驗文檔進行完善，把原來主要通過教師演示教學的內容轉變為詳細步驟說明，其中的重點或難點內容直接轉變成微課視頻的形式，嵌入實驗文檔中，作為教師無法現場演示的補充。主要開設的實驗內容如表1。

所開設實踐任務，既有基礎的常用網絡診斷命令，又有偏理論化的協議分析實驗，還有理論和實踐相結合的組網和網絡設備配置以及服務器配置實驗。總體難度系數適中，基本達到了計算機網絡課程理論和實踐相輔相成的目標。

5.2課程思政融入

學習計算機網絡課程的學生在理工科院校覆蓋面相當廣，因此，研究如何在計算機網絡課程中融入課程思政內容具有重要的意義。

以恰當的方式在計算機網絡實驗教學中引入課程思政內容尤為重要。課程思政選取的知識點，一方面應與課程內容密切相關，不僅能夠拓展學生的知識面，還能夠激發學生的學習興趣，鼓勵學生克服困難，培養工匠精神；另一方面還要具有先進性和代表性，在學習的同時還要能激發學生熱愛祖國、熱愛人民、熱愛生活等積極向上的精神面貌。

經過集思廣益，教研組共同制定了計算機網絡課程思政融入內容，具體見表2：

課程思政融入內容以國內計算機網絡相關產業的高精尖技術為紐帶，結合國際形勢和國內發展現狀，重點介紹各項國際領先水平網絡技術的發展歷程，根據選題不同有選擇地融入國家安全、中華民族偉大復興等內容。實踐表明，課程思政選題在達成培養學生國家、民族榮譽感、工匠精神等思政目標的同時，也達到較好的知識點拓展效果，提高了學生的學習興趣和學習積極性。

結語

云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術的引入是計算機網絡課程實驗教學的一次重大變革，新技術帶來進步的同時也迫使教學模式必須隨之而做出大幅改變，這給教師們帶來了新的挑戰。本文對計算機網絡線上實驗教學的改革探索取得了良好的教學效果，積累了一定的實踐經驗，但也存在一些不足。我們相信在線實驗教學仍有很大的潛力和發展空間，將繼續對教學模式進行改革和完善。

作者簡介：謝劍剛（1979— ），男，廣東韶關人，博士，講師，研究方向：并行計算、大數據。