通信網技術基礎課程線上線下混合實驗教學的探索與實踐

［摘 要］ 隨著信息技術和現代教育技術的蓬勃發展，虛擬仿真實驗和混合式教學成為實驗教學新的發展方向。為充分發揮學校信息化基礎設施優勢并推動實驗教學改革，在“通信網技術基礎”課程實驗教學中探索了線上線下混合實驗組織方式。通過介紹課程實驗教學體系與虛擬仿真實驗平臺，設計了混合式實驗教學組織實施過程與混合式實驗考核評價方法，并圍繞混合式實驗教學基礎支撐、混合式實驗教學與傳統實驗教學對比、混合式實驗教學實踐意義三方面對課程探索實踐進行了總結。

［關鍵詞］ 線上線下混合式學習；實驗教學；虛擬仿真實驗；網絡安全

［基金項目］ 2022年度教育部重點課題“軍隊精品課程、教材建設研究”（JYKYB2021007）；2022年度火箭軍工程大學重點教育教學研究課題“線上線下混合式實驗教學研究”（HJJKTK2022005）

［作者簡介］ 郭文普（1976—），男，河北河間人，工學博士，火箭軍工程大學作戰保障學院副教授，碩士生導師（通信作者），主要從事通信網技術基礎和通信網絡安全與防護研究；楊百龍（1968—），男，安徽潛山人，博士，火箭軍工程大學作戰保障學院教授，博士生導師，主要從事計算機網絡和通信網絡安全與防護研究。

［中圖分類號］ TP391.9 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］1674-9324（2024）14-0093-04 ［收稿日期］ 2023-02-23

當前，各高校在校園信息化建設上不斷加大投入，高校信息化基礎設施條件不斷完善?；鸺姽こ檀髮W（以下簡稱“我?！保⑿畔⒒ㄔO作為學?！傲蠊こ獭敝?，不斷加大投入逐步完善信息化基礎設施，開通覆蓋校園的無線教學網，建成實驗室無人值守系統，校園網上的網絡課程、網絡資源也日趨豐富。如何有效利用日益先進的教學基礎設施，借助信息化手段提升教學效果是高校和教師須要思考的重要問題之一。2020年以來，借助“雨課堂”“騰訊會議”等多種線上教學軟件，各高校線上教學或線上線下混合教學取得了很大進展。例如，遼寧大學在“無機化學”課程中采用了線上+線下+虛擬仿真的多元化實驗教學模式，通過在線學習+虛擬仿真+實踐訓練+知識測試+討論等過程完成在線課程教學的組織與實施［1］；佳木斯大學在醫學機能學實驗中采用了線上線下混合式的實驗教學設計，學生以小組為單位，完成教師在線上平臺預留的作業，提交完整的方案和預期結果，并進行虛擬仿真實驗操作，完成課前計劃和決策過程［2］；上海理工大學在計算機網絡課程實驗與考核中采用了虛擬仿真技術［3］；寧波大學在網絡安全實驗中搭建了虛擬化平臺［4］；軍隊院校裝備教學課程中也逐漸應用了虛擬仿真實驗技術等［5-6］。

綜合文獻看，虛擬仿真實驗系統是高校實驗室建設的一個增長點，基于虛擬仿真實驗開展線上線下混合實驗教學，對培養學生的創新精神發揮著越來越重要的作用。

一、通信網技術基礎課程實驗教學體系及虛擬仿真實驗平臺

“通信網技術基礎”課程是我校通信工程專業的核心課程，課程教學目標是使學生掌握網絡協議與網絡攻防知識，具備網絡設備及安全設備的初步運用能力。為達成上述教學目標，設計了課程的實驗體系，如表1所示（說明：表1中內容僅是基礎性實驗，一些課外拓展實驗項目未列入其中）。

通信網技術基礎實驗教學開展中存在以下難點：（1）真實實驗環境難構造。真實的網絡攻防環境需要數量較多的路由器、交換機等網絡設備，以及運行不同操作系統、開放不同服務、存在不同漏洞的計算機，其環境構建成本較高，且效費比低。（2）真實實驗環境難維護。采用真實環境開展實驗，一是實驗進行難以恢復原狀，下一批次學生開展實驗前須要花費時間進行恢復；二是引入新實驗項目時，部署實驗環境所需時間較長。（3）傳統的實驗教學依托實驗室，教師在實驗課堂進行講解示范后，學生分組完成并提交實驗報告，教師通過實驗報告進行評價。這種實驗教學模式能夠完成課程所需“普適性”的“規定動作”，但難以實現對不同學生進行差異化培養，也難以培養學生的創新能力。

針對上述情況，“通信網技術基礎”課程實驗教學中以虛擬仿真實驗代替真實實驗，開發了基于eNSP［7］的網絡配置實驗平臺，購置了網絡攻防演練平臺，采用線上線下混合式組織實驗教學，給實驗室減負，給學生加壓，通過豐富實驗內容進一步提高學生對知識的運用能力。

基于eNSP的網絡配置實驗平臺，以華為網絡仿真工具平臺eNSP為核心，通過PyQt5將路由器、交換機等網絡配置實驗的實驗指導書、實驗拓撲等集成到一個用戶界面上，學生可基于此平臺開展課程網絡配置實驗。網絡攻防實戰系統基于虛擬化技術，集教學、測試、實驗、實戰功能集成于一體，支持的實驗項目十分豐富且有擴展性。通信網技術基礎課程采用虛擬仿真實驗具有成本低、不受時空限制、操作性強、實驗效果直觀等諸多優點。

二、“通信網技術基礎”課程線上線下混合實驗教學實施與評價

（一）混合式實驗教學組織實施

“通信網技術基礎”課程線上線下混合式實驗教學將實驗教學劃分為三個階段。

1.第一階段：線下實驗教學。在實驗教學開始階段，通過4～6個學時在實驗室環境下完成線下實驗的教學。教學任務一是明確課程實驗教學目標、實驗內容與要求；二是使學生掌握實驗教學平臺的使用，并與真實環境形成映射；三是完成少量實驗項目，考查學生對實驗平臺的掌握情況。

2.第二階段：線上實驗教學。在這一階段，學生可依托校園網隨時隨地自主完成實驗，也可利用晚上或周末時間進入實驗室開展實驗，線上實驗平臺可記錄學生這一階段學習及實驗情況。為指導學生完成線上實驗，主要采用三種措施：（1）在教學平臺上設置班級，教師為班級設置培養方案，規定學生應完成的學習內容及實驗項目；（2）開通班級微信群，教師推送如華為HCIP關于實驗內容的講解視頻等優秀教學資源供學生自學，同時師生、生生之間遇有問題可隨時交流，教師的指導更加靈活、針對性更強。（3）基于騰訊會議在課表學時內，教師進行線上實驗講解及輔導，在一定程度上對學生起到跟進和督促作用。

3.第三階段：線下實驗考核。在實驗教學的最后階段通過2個學時完成，圍繞網絡配置和網絡攻防分別設計1個綜合性實驗，在實驗室環境中，在同等時間同等條件下考查學生對前期所學知識和實驗技能的掌握情況。網絡配置考核利用eNSP平臺的“試卷工程”功能，進行試卷的設計和自動評分。網絡攻防考核基于網絡攻防實戰系統教學平臺的“實驗考核”功能實現。

（二）混合式實驗考核評價

混合式實驗考核評價是對學生混合式實驗學習的情況進行評價，須要考慮學習過程中的各個方面。針對“通信網技術基礎”課程混合式實驗教學的組織過程，課程實驗考核評價由形成性考核（50%）與終結性考核（50%）兩部分構成，其中終結性考核通過線下實驗考核結果評判。形成性考核依據線上實驗教學階段學生綜合表現情況從知識發展、實驗技能、情感與素養三方面進行評價，其評價指標與評價方法如圖1所示。其中，情感與素養主要是考查學生交流合作的素質，激勵學生學會溝通、分工、協作，體驗團隊協作的意義。

三、課程線上線下混合實驗教學總結

通過兩個教學班次的課程線上線下混合實驗實施，總結以下三點供擬開展混合教學的課程參考。

（一）虛擬仿真實驗平臺是開展混合實驗教學的基礎支撐

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱要求的教學目的的教學活動［8］。

沒有虛擬仿真實驗平臺支撐，學生就不能脫離實驗室環境的限制，就難以開展線上實驗活動。因此，開展線上線下混合實驗教學，實驗教學條件的建設和實驗項目的設計是基礎，需要教師將大量的精力前移，在課程實驗教學設計時就從實驗項目、實驗組織、實驗考核角度針對“線上”特點進行專門設計。通過精心設計實驗項目、構建線上實驗教學環境，學生開展實驗不再受場地、時間的束縛，激發學生自主學習活力。

（二）混合式實驗教學與傳統實驗教學的對比

傳統實驗教學學生集中學習、便于管理，實驗內容與實驗要求明確，教師方便進行實驗技能的規范示教，但教學內容與教學過程比較固定，評價標準單一，學生實驗過程基本是按圖索驥，難以兼顧學生之間學習基礎的差異，不能促進學生個性化的發展和興趣的培養。

采用混合式實驗教學，實驗指導書、實驗環境均在線上，學生不依賴實驗室和教師就可以完成實驗。通過實驗平臺的記錄和班級微信群，教師可以引導、啟發、監控教學過程，充分調動學生作為學習過程主體的主動性與積極性。同時，通過實驗平臺的自主性、拓展性實驗，可實現以學生個性和興趣為基礎的拓展教學，體現因材施教。在2021年春季學期教學班次的40名學生中，在完成“通信網技術基礎”課程教學實驗后，學生通過自主學習，有3名學生通過了華為數據通信HCIP認證、2名學生通過了華為數據通信HCIA認證、1名學生通過了華為安全HCIA認證，在學生間營造出了奮發向上、挑戰自我的學習氛圍。

（三）混合式實驗教學的實踐意義

混合式實驗教學作為一種新的實驗組織方式，可以引導實踐教學條件建設向支持線上教學轉變，改變以往課程實踐教學須要固定的場地建設、昂貴的設備投入等傳統觀念。這種新的實驗模式與云計算技術相結合，可以大大減少對實驗場地和設備的投入。

混合式實驗教學作為一種新的實驗教學體系，可以引導課程實踐教學改革方向。以往的實踐教學受限于學時數，實踐內容偏基礎、偏簡單，教師的精力投入主要在課上。采用線上教學后，重構實踐體系時應增加高階性、創新性、挑戰度的實驗內容，教師的精力投入主要在課前。這些變化將對課程實踐教學改革方向起導向作用。

結語

“通信網技術基礎”課程線上線下混合式實驗教學的實踐表明，混合式學習［9］將傳統學習方式的優勢和數字化學習、網絡化學習的優勢結合起來，促進教學模式發展與創新，提升教學效率和學習效果?；旌鲜綄嶒灲虒W不僅可降低實驗教學成本，更重要的是對培養學生自主學習和探索能力，提高人才培養質量具有積極作用。

參考文獻

［1］姜曉慶，高敬群，孔玉霞，等.“線上+線下+虛擬仿真”的多元化實驗教學模式的探索與實踐［J］.化工設計通訊，2020，46（12）：99-100.

［2］梁衍鋒，劉蕾，王景濤，等.“行動導向”教學理念下進行線上線下混合式醫學機能學實驗教學設計［J］.廣東化工，2021，48（3）：240+250.

［3］趙庚升，劉磊，項培軍，等.虛擬仿真實驗項目設計與考核探究：以計算機網絡課程為例［J］.軟件導刊，2016，15（7）：215-217.

［4］吳輝宇，馬勇，孫頂峰.基于虛擬化的網絡安全實驗設計與實現［J］.無線通信技術，2018，27（2）：52-56.

［5］陳亮，李耕，葉志浩.船舶電力系統虛擬仿真實驗教學的探索與實踐［J］.教育教學論壇，2021（6）：117-120.

［6］代傳金，楊賓峰，來磊.基于“互聯網+3C”的裝備虛擬仿真實驗教學模式改革與實踐［J］.教育教學論壇，2020（21）：388-390.

［7］李鳳銀，禹繼國，鞠宏偉，等.基于eNSP的網絡工程實踐教學體系探索［J］.實驗技術與管理，2018，35（3）：209-212.

［8］熊宏齊.虛擬仿真實驗教學助推理論教學與實驗教學的融合改革與創新［J］.實驗技術與管理，2020，37（5）：1-4+16.

［9］孫曼麗.國外大學混合學習教學模式述評［J］.福建師范大學學報（哲學社會科學版），2015（3）：153-160+172.

Exploration and Practice of Online-offline Blended Experimental Teaching on Communication Network Technology Course

GUO Wen-pu， YANG Bai-long， SUN Xiao-yan， LIU Ai-guo

（Combat Support College， Rocket Force University of Engineering， Xi’an， Shaanxi 710025， China）

Abstract： With the vigorous development of information technology and modern educational technology， virtual simulation experiments and blended learning have become new directions for the development of experimental teaching. In order to give full play to the advantages of the school’s information infrastructure and promote the reform of experimental teaching， the online and offline blended experimental organization mode has been explored in the experimental teaching of the basic course of communication network technology. The course experimental teaching system and virtual simulation experimental platform are introduced in this paper and the" organization and implementation process of blended experimental teaching and the evaluation method of blended experimental teaching are designed. Moreover， this paper summarizes the exploration and practice of the course from three aspects： the basic support for blended experimental teaching， the comparison between blended experimental teaching and traditional experimental teaching， and the practical significance of mixed experimental teaching.

Key words： online-offline blended learning; experiment teaching; virtual simulation experiment; network security