基于微课程的计算机网络课程混合式教学研究

陈 磊，张凯亮

（徐州工程学院，江苏 徐州 221008）

计算机网络课程的教学中需要学生学习使用大量网络工具并掌握大量网络协议，大大超过课程的课时设计。因此，基于该课程教育的现实问题，通过对其课程内容进行微课程的设计与应用，解决课程教学中的不足，把一部分学习移到课堂之外。为了配合课程的使用，教学中还需要引入混合式教学模式，把课堂教学和微课程的使用结合起来。

一、计算机网络课程教学面临的挑战

在新工科中，合理运用网络技术成为一项必要能力。计算机网络类课程需要适应这种要求，为学生的能力培养提供支持。如同其他课程一样，计算机网络课程在新工科教学中面临诸多问题：学生学习过程被动、知识向能力转化效率低、学生学习目的性差、学生实践动手能力差、学生创新更多来自课外和缺少整体分析问题解决问题的训练。有研究认为，需要通过集成式微课程体系将不同性质的课程有机融合为一体，发挥微课程体系协同作用，以有效解决上述问题[1]。微课程作为一种课程组织形式，具有特殊的技术属性，例如微型化的体量、半开放的结构、序列化的内容、混合式的实施和高质量的体验[2]。其技术属性也决定了设计中的基本原则包括学生中心、化繁就简、激活兴趣和整体设计。与微课程相伴的是混合式教学模式，而混合式教学的具体设计中需遵循的原则包括以学习成果为导向的逆向设计思维、贯穿全过程的线上线下混合式设计和具有一定开放度的学习支架搭建。以混合式教学改进计算机网络课程的教学质量已有很多例证[3]。有研究者发现，利用线上的碎片化学习扩展学生知识量，利用线下的系统学习连接各个知识点，最终可以有助于完成该类课程的知识系统化重构[4]。具体到计算机网络课程，有课题组以计算机网络与应用课程为例，进行了教学实验和数据分析，数据分析结果显示，翻转课堂促进学生间的交流互动，提升了团队协作技能；翻转课堂增强了学生的责任感，提高了学习绩效;而翻转课堂的顺利开展离不开良好的教学环境和教师素养[5]。本文采用微课程的教学模式，对计算机网络原理课程的教学进行重新设计，验证了以微课程为基础的混合式教学方法在此类课程教学的作用。在教学设计中，本文考虑思政元素的融合，采用了把日常思政案例融入到各个教学目标中的做法[6]。在知识模块的教学设计中，强调工程范式回归，把知识作为工程实践的工具而不是教学目的本身，强调解决工程问题的能力培养[7]。

二、计算机网络课程概况和微课程设计思路

计算机网络课程是计算机类相关专业学生的专业核心课程。教学目的是使学生掌握计算机网络的基本工作原理和实现方法，培养学生运用计算机网络原理分析解决实际应用问题的能力，为网络应用系统的设计、开发和工程实践打下基础。课程遵循OBE 和工程教育认证理念，根据人才培养目标和毕业要求，设定课程目标为：（1）理解计算机网络体系结构和网络各层的主要功能，掌握网络各层的主要协议和主流技术标准，理解标准化的作用，在工作学习中要“尊重标准，向标准看齐”，努力形成遵章守则的氛围，能够利用网络分析工具分析网络协议的工作状态。（2）根据特定的网络业务性能需求抽象出问题模型，利用模型选择技术标准和网络设备，设备选型引导学生在同等条件下支持国产设备，并能够进行局域网拓扑结构的设计。能根据传输性能和安全性等具体需求，选择合理的网络协议。培养网络安全规范意识，树立网络安全意识，认识网络使用规范和有关伦理道德的基本内涵，增强自觉遵守网络安全相关的法律法规的意识。提出一系列有关网络安全和网络强国的战略思想，把网络安全上升到“大安全”的高度，上升到与公民权益、国家利益的高度，激发学生成为网络安全的维护者，构筑网络安全防线，捍卫网络安全的社会责任感和职业使命感。（3）能够设计主要网络协议的实验环境，能够利用网络管理协议，获取网络性能指标。通过正确解读指标数据，发现网络运行中存在的问题。（4）能够使用网络连接设备和仿真平台搭建特定业务运行的网络环境，利用网络分析工具分析业务运行效果，并对网络结构和网络协议提出优化设计方案。通过学生分组对复杂工程问题进行分析、设计和开发，理解良好团队应具有团队协作意识和能力。

经过长期建设，课题组在该课程上形成了3 点特色：（1）强化解决复杂问题的能力培养和工程思维。互联网是网络空间的基础设施，课程内容以传输控制协议/网际协议（TCP/IP）体系结构为纲，扩展到物联网、数据中心、工业互联网、下一代互联网和SDN 等网络架构，将基本原理融入复杂工程问题。将网络工程、网络编程、网络安全与网络协议原理的运用有机结合起来，构建原理为基础、应用为导向的课程内容体系。（2）鼓励学生对经典算法的批判思维。引入对经典模型和算法的重新评价，如可靠传输、socket 管理和域名解析算法等，培养学生的批判思维，让学生发现现有技术的局限性，敢于改进。（3）教学活动回归工程范式。协议设计、网络部署等实践教学内容来均自教师科研项目中的工程问题。教学过程中，学生必须通过需求分析、方案设计、网络设备部署和仿真测试等过程完成项目设计和实验报告。

课程包含63 个微课学时，每个微课学时10～20 分钟，课题组提供线上微课程资源包，学生可以学习这些资源包，也可以通过网上技术社区自学，教师负责评价学习结果。课程还包含40 个理论课堂学时和16 个实践课堂学时。微课程以自学为主，包含基础知识的学习和基本技能的训练，以及部分验证性实验的讲解；理论课时以教师讲解为主，负责网络协议底层逻辑梳理和知识点串联；实践课时以翻转课堂为主，教师组织对设计类和创新类的大作业和实验进行讨论和成果展示。

在决定采用混合式教学之后，课程章节设置按照计算机网络5 层结构设计，理论单元和实践单位独立设计，逻辑层次清晰，便于学生课外自学。该课程被课题组细分为63 个知识点和能力点。课题组自制微课视频61个，包含各个知识点和实验工具的使用说明，同时学习任务点增加至66 个，对于主要知识点提供了作业和思考题，便于统计和分析学生学习情况。微课程包括教学设计文档、教学辅助资源及师生对课程各环节的反馈与评价等多种资源。这些文件共同构成了一个结构紧凑、类型丰富和主题突出的主题单元资源包。主要微知识点及其资源包的总体设计见表1。该资源包形成之后，基础的知识点和技能点由线上的微课程资源包提供支持。课堂时间被用于知识点串联，协议底层逻辑讲解和设计性作业讨论。

表1 微课程总体设计

结合课程内容，充分挖掘课程思政元素，将网络安全国家战略意义、工匠精神的培养等融入到具体知识点中。通过生成性学习资源构建，引导学生课后对实验设备、案例和教学视频自研，培养学生自信、共享和协作精神。自课程建设以来，每个知识模块都加入了思政内容。课程思政设计见表2。

表2 课程思政教学设计架构

在课程设计中，课题组进行了明确分工，组长负责教学内容组织，2 位教师负责教案设计，1 位教师负责超星网络教学平台课程资源的发布、更新与维护，另1 位教师负责课程思政案例设计，1 位实验师负责实验项目设计、实验指导书修订。形成了包括教授1 人、副教授3人、讲师1 人和实验师1 人的固定教学团队。明确的分工提高了微课程资源包的制作质量。

三、微课程设计使用情况分析

课题组向学生布置学习任务时，并不要求必须使用提供的微课程资源包，学生可以自选学习方法，发现其他资源可以在班级共享。全班学生共48 人，为大三计算机专业学生。课题组对微课程资源使用情况进行统计。图1 是主要微课视频的观看人数，最高时到达43 人，所有视频的观看人数都超过35 人，可见学生对多媒体信息接受度较高。访谈发现，没有观看的同学并不是学习成绩较差，而是基础较好或者喜欢查阅技术社区的资料。微课视频的存在，一定程度上拉齐了学生的基本水准，为课堂教学提供了保障。

图1 理论教学部分微课视频观看人数

图2 是部分关键微课程文档的查看人数。查看率低于50%，学生对与文字性的教学资源的偏好较低。部分文字资料和教材有一定重叠，也是查看率低的原因。

图2 理论教学部分文字资料查看人数

图3 是线上测试题目的参与度。由于线上测试题和期末考试有一定相关度，所以参与度较高。可见学生对期末成绩的关注度较高。

图3 知识点线上测试参与人数

图4 是累积参与网上微课的人数。在开课1 个月之后，100%的学生参与过该课程的线上微课学习。这是由于在接近1 个月的时候，课程的实操部分比例开始加大，需要使用网上学习工具，学生普遍还是偏好较为直观的实际操作。

图4 网上微课程累积参与人数

从微课程资源使用情况看，学生偏好多媒体资源，关注自身的成绩，但对于枯燥的文字资源关注较少。上述结果，一方面鼓励教师制作更多更好的多媒体资源，一方面要求教师注意提升学生的学习兴趣。学术和技术资料虽然较为枯燥，然而研读这些资料正是学生产生学习兴趣的一种体现。而微课视频和线上习题的高访问率是多媒体动画吸引和考试压力等外部因素造成的。

四、微课程教学效果分析

在教学过程中，由于引入了微课程资源，团队压缩了直接讲授的内容比例，强化了动手实践能力培养，增加了技术方案的前沿追踪和课堂讨论，学生打破固定思维提出了许多创新的方案。通过上述课程建设和改革，学生对计算机网络的感性认识增加，学习动机得到强化，实践动手能力也大幅提升，课题组注重指导学生进行工程实践。近年来组织学生参加网络技术相关学科竞赛，获得中国高校计算机大赛（C4）网络技术挑战全国总决赛一等奖、二等奖、三等奖各1 项，华东区决赛二等奖3 项，三等奖13 项；中国大学生计算机设计大赛全国总决赛三等奖、江苏省赛二等奖各1 项；“挑战杯”江苏省选拔赛三等奖1 项；中国大学生iCAN 物联网创新创业大赛华东赛区三等奖1 项；“新华三杯”全国大学生数字技术竞赛华东赛区一等奖1 项。江苏省网络安全技能竞赛三等奖以上8 项，学生以第一作者发表和录用计算机网络方向EI 收录的科研论文20 篇以上。

从学生的学术成果看，引入微课程之后，课后学习时间利用充分，课堂教学效率被激活，学生的学习兴趣和自学能力有了显著提升。由于微课程资源涵盖了大多数知识点和技能点，使得学生可以合理运用这些资源进行更深度的设计，翻转课堂上不再是学生按部就班的演示，而是出现想法的碰撞和许多有趣的创新点，学生提出了软路由的设计和实现、被动重传协议和语音云质量评价和域名解析（DNS）欺骗攻防等有趣的创新性案例。混合式教学的效果得到了体现。

五、结束语

计算机网络从诞生开始，就不断在解决应用中的问题，所有的协议都是开放文档，自身不断进化和发展。计算机网络已成为信息社会的基础设施，物联网、云计算和大数据等新技术及应用都离不开计算机网络技术的不断进步，这就要求课程在教学内容上不断更新，引导学生基于原理解决新问题。将思政内容有机融入网络体系结构及各层协议的知识点中，以协议安全问题引导学生理解网络安全为什么已成为国家战略，以协议的开放性设计思想培养学生发现问题和不断创新的意识。这一切都需要改变传统的授课模式，采用混合式教学模式来提高学生运用知识解决实际工程问题的能力。本课程的实践证明，微课程的合理设计是保障混合式教学效果的基础。