基于多元协作的计算机网络课程教学改革与实践研究

关键词：多元协作；工程思维；虚拟仿真；多元评价；分层递进

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）18-0124-03

0 引言

网络技术的发展日新月异，网络已不再是传统的“懂、建、管、用”，而是涉及软件、硬件、安全、人工智能等诸多学科，对很多行业产生了颠覆性的影响。社会变迁推动教育形态的变革，以知识灌输、教师传授为主导的传统授课方式已不适应新工科的需要。当前，计算机网络课程面临着如何适应线上线下混合式教学、深化新工科建设[1-2]等新形势的严峻挑战。

传统的计算机网络课程，大多是为计算机专业开设的，概念繁多，并且都建立在抽象的理论模型基础上，内容晦涩难懂，不太适合电子信息工程等非计算机工科专业[3]。目前，计算机网络课程主要面临如下问题：①现有课程偏重理论知识的讲述，抽象晦涩，学生常迷失在各种协议中，提不起学习的兴趣。②线上的碎片化学习具有一定的盲目性，学生缺乏数字化学习的自我管理能力。面对线上学习的选择困难，目前比较有效的办法就是建立课程知识图谱[4]。③传统考核评价机制不能体现学生的工程能力。④受限于网络实验设备的规模和数量，还有实验地点和时间的限制[5]，学生的工程实践能力的培养受到诸多制约。⑤ 学科交叉成为当今高等教育发展的趋势，如何借助网络技术的实践，提升学生解决复杂工程问题的能力，让课程融入创新创业体系。

1 构建多元协作的教学模式

以互联网为核心的产业形态蓬勃发展，“互联网+”的创新方式，对传统行业产生了颠覆性的影响，也催生了很多岗位。围绕计算机网络课程教与学改革的重点问题，如何使“课程优起来”、突出“交叉融合再出新”，增加工程思维培养环节，满足学生多层次、多元化学习的需要，是计算机网络课程数字化转型必须完成的任务。实践中，我们采用了多元协作的教学模式，初步解决了学生网络工程实践能力的培养等问题。多元协作的教学模式如图1所示，主要包含了混合式教学、多元评价、多元实践体系、分层递进创新育人模式等要素。

1.1 融入“工程思维”，构建基于课程知识图谱的混合式教学体系

线上线下教学的融合已成为高等教育的新常态，改变了“教”和“学”。教师化身为课程知识图谱的新型教学资源建设者[6]，引导学生进行自组织学习，构建师生学习共同体，学生的创新成果纳入课程内容，促进教学的不断迭代优化，探索课程的智能数据治理。

线上线下混合式教学改变了“教”与“学”，学生随时随地可学，但资源碎片化的问题也带来了学习的盲目性和选择困境。学生学什么、学到什么程度，这对学习者的自我管理能力提出了极大的挑战。利用知识图谱建立知识体系导航教学模式，整合碎片知识，重构知识间的关联，加强学科知识的内在结构联系，从而解决学生线上学习的知识割裂、学习资源杂乱无序，课程知识点间缺乏关联等问题。图谱建设通过二次开发自编教材，提炼思政元素，突出价值引领，重构教学内容。

1.2 构建多元评价方式

“期末考试+实验”的传统评价方式，不能体现过程评价和能力评价，应将课程参与度、讨论交流、模块功能完成、团队合作等指标纳入考核指标，激发不同层次学生的学习热情和创新能力，引导学生由“被动学习”向主动探索转变。鼓励学生勇于探索，在实践中提升解决复杂工程问题的能力，将课程参与度、讨论交流、模块功能完成、思政表现等指标纳入考核指标，从传统的知识考核转变为“知识、能力、素质”并重的考核。

1.3 构建以虚拟仿真为主的多元实践体系

计算机网络的实践是一个“老大难”的问题，因为网络实验设备昂贵，且频繁升级换代，难以满足学生工程实践能力培养的需要。学生做实验受到时间和地点的诸多限制，学生离开了网络实验室就没有了实践的环境。虚拟技术的大量运用使多元化的实践体系成为可能，破解了实践依赖于实验室的制约。学生在虚拟仿真环境下可以不受硬件资源和时空限制，随时随地进行模拟调试。课题组把需要预习的视频、资料、讨论议题等提前推送给学生，教师只需聚焦于设计性实验。

1.4 构建分层递进的创新育人模式

弱化专业界项，强化学科交叉成为当今高等教育发展的趋势。计算机网络是一门融合了通信技术和计算机技术的综合性学科，因此，教学团队要为学生精心挑选和设计一些实践应用背景较强、软硬件技术相结合的项目，充分利用第二课堂和创新创业实践基地，引导学生主动去思考、质疑、讨论，完成工程应用，在实践中培养学生解决问题的能力。

2 教学方法和措施

2.1 重构教学内容，实施基于知识图谱的线上线下混合式教学

新工科的重点不在于学生的理论考试成绩，而在于学习过程结束后学生真正拥有的能力，即以能力培养为导向，尤其是对复杂问题的处理。因此必须强化课堂设计，构建“理论教学与实验、工程实践能力有机融合”的一体化教学模式，使学生的实践应用能力得到培养与训练。

传统的班级教学已经不能满足新工科的需要，所以必须以工程思维重构课程体系，打破传统分层模型的限制。重构后的内容由四部分组成：①网络概述和分层体系结构；②局域网技术与网络互联；③DIV+CSS网页设计初步；④因特网信息平台的构建。与传统计算机网络不同，这样更适合电子信息工程等非计算机专业，学生只要在了解计算机网络基础知识的之后，学会搭建计算机网络和信息平台，就可以从事后续专业课程的学习。

以局域网技术与网络互联模块为例：局域网技术、无线局域网、虚拟局域网、集线器、交换机、路由器这些基本知识以线下讲授为主；而简单局域网的组建、虚拟局域网的划分、子网规划与划分、静态路由与动态路由这些应用则以在线学习为主，辅之翻转课堂、讨论式学习等多种方法，提高学生参与度和学习效率。

在这个过程中，构建计算机网络课程知识图谱，从以教师讲授为主的单一模式向以网状的知识图谱为核心的多功能教学模式进行转变，突破传统的教学过程，将各个章节的知识点整理归纳，使学生能够系统性学习，避免因碎片化学习导致的低效率。基于知识图谱的线上线下混合式教学包括课前自主学习、课堂深化教学、课后内化应用三个阶段，强调师生在不同教学阶段的“协同增效作用”。

课前，教师布置学习任务，学生根据任务完成自学；接下来，教师根据反馈和学情诊断进行有的放矢的课堂教学；最后还可以借助线上平台进行网络工程技术的虚拟仿真训练，进行互动答疑。线上线下混合式教学的实施，打破“以教师、教材、教室为中心”的单一教学模式，在这个过程中，教师转变为新形态教学资源的建设者，教学活动的组织管理者，完成了角色转变 。

2.2 实施“五阶段，三层次”的过程化考核及成绩评定

计算机网络是一门实践性非常强的课程，传统的笔试已不能全面评价学生的实践能力， 工程问题解决能力。为了发挥学生的学习主观能动性，教学实践中，实施了实施“五阶段，三层次”的过程化考核，让学生充分参与教学互动。如图2所示，其中前四阶段对应课程模块，侧重基本知识和实验技能；第五阶段为网络工程设计模块，主要从基本功能、工程要求、探索创新三个层次进行。学生讲解设计方案并演示，通过自评、互评、教师点评相结合的方式评定成绩。主要考查学生的知识应用能力、创新能力以及解决复杂工程问题的能力。最终成绩评定由线上模块单元测评、工程设计、期末考试组成。

2.3 训练学生使用仿真技术进行网络设计

学生离开实验室，就没有工程实践环境，但虚拟技术的出现能很好地解决这个难题。以虚拟仿真为主的实践体系，只要有计算机就能进行实验。计算机网络课程中的概念非常抽象，很多内容需要以实验验证的方式才能理解和掌握。思科公司开发的Packettracer 模拟器是一个简单易用的计算机网络仿真平台，它为网络课程的学习者提供了网络设计的仿真环境，常被用于训练初学者的工程实践能力。

例如在介绍使用集线器构建共享式以太网这一知识时，就可以使用Packet tracer模拟器让学生观察共享式以太网的广播特性。首先构建网络拓扑并配置好TCP/IP参数，选择要监视的ICMP协议，切换到模拟工作模式如图4 所示。然后，使用“添加简单的PDU”工具，让PC0给PC1发送单播数据包，并进行单步模拟，可以看到非常直观的现象，如图5所示。

实践教学中，使用思科的Packet tracer模拟器开展局域网的组建、虚拟局域网的划分、路由协议等实验。计算机网络的工程思维，就是要培养学生设计与构建计算机网络系统的能力。除了在内容组织方面要与理论教学配套外，还要体现“点、线、面”的迭代式递进，在实践中训练学生的工程概念和工程意识，培养基本工程思维。

2.4 多课程互融共促，融入创新创业体系

打破课程藩篱，整合“电子综合设计、计算机网络”等课程，以网络工程问题牵引，使用分层递进的办法，推行基于案例、项目的综合性设计和应用，积极探索如何在课程中融入创新创业教育内容。

由于学生工程能力参差不齐，因此设置基础实验、校级大创、开放课题对实践内容分层、逐级递进。首先，借助基础实验，教师从基础技能方面帮助学生认识自己的优势；其次，引导学生申报校级大创项目，教师给予综合技能的思路，培养学生的独立思考能力；最后借助开放课题，教师应用工程实际问题对学生进行能力培养。依托大学生创新创业实践基地，在竞争考核中选拔团队，参加“挑战杯”和“互联网+”等赛事，逐步提升学生解决复杂工程问题的能力。

经过近几年的努力，我们采用多元协作育人模式，探索符合工科类学生的计算机网络教学体系，以“会不会解决实际工程问题”作为检查网络技术学习好坏的标准， 为“互联网+”的新经济形态和产业培养具有工程实践能力的应用型人才。

3 教学成果及成效

经过教学团队近几年的辛勤耕耘，多元协作的教学模式成效显著，获校级教学成果奖1项，出版教材1 本。在计算机网络课程的学习中，学生的工程思维和创新实践能力得到锻炼和培养。实施教学改革之前，学生评课得分为92.88～94.67，实施混合式教学之后，学生评课得分为96.72～97.11，学生满意度明显提升，认为“收获很大”，具体的情况如表1所示。

学完本课程之后，通过问卷调查得知，采用混合式教学的班级认为掌握初步网络工程实践能力达到了93.7%（选项A） ，而采用传统教法的班级仅为83.3% （选项A），具体情况如图7所示。

此后，经过大学生创新创业基地的选拔和训练，学生的创新能力得到明显提升。从2020至今，学生申请国家级、省级大学生创新创业训练计划和攀登计划共8项，在“挑战杯”和“互联网+”等赛事上共获奖9项，在分层递进创新模式的加持下，不断提升解决复杂工程问题的能力。

4小结

计算机网络是一门创新十分活跃的课程。基于知识图谱的混合式教学，改变了以教师为中心的传统单一模式。教学实践证明，在融入工程思维的课程学习中，辅之以多元协作教学模式，学生的工程实践能力快速成长。多元评价、多元实践、多课程互融共促等因素是高质量本科教育的有效手段，契合了新工科背景下创新人才培养的新趋势和新要求。