基于教具和雨課堂的計算機網絡混合式教學研究

余蘭蘭，譚濤，胥林，楊晗，余一帆

（西南石油大學 信息學院，四川 南充）

21世紀是數字化、網絡化和信息化的時代[1]，而網絡作為這個時代的核心特征，其相關技術也是未來科技發展的奠基石，對應課程——《計算機網絡》是高校通信和計算機相關專業的核心課程之一，同時也是網絡工程等部分專業的專業基礎課程之一。計算機網絡課程在計算機專業知識體系架構中的位置可見一斑。但同時，由于課程概念和理論繁多、知識復雜抽象、學生理解困難等課程特點[2]，研究如何提升計算機網絡課程的教學水平、完善教學手段、保證教學質量，以及培養高素質的網絡化人才，一直是一線專業教師們關注的焦點。

一 教學研究現狀

目前，計算機網絡的教學現狀可以從課程本身的現狀、所授學生的知識基礎和心理上的特點出發進行探討。

（一） 課程特點

計算機網絡課程是一門運用網絡原理分析和解決計算機網絡領域基本問題的專業基礎/核心課程之一。在課程學習中學生需要掌握計算機網絡相關理論的基本概念、基本原理、基本技術和基本方法，學習各類網絡協議和實用的網絡技術，了解不斷變化的網絡技術，提升分析和解決工程實際問題的能力，為后續課程打好基礎。

在課程教學中，教師普遍采用理論課和實踐課相結合的方式進行教學，教學具有以下特點：①教學內容所涉及的概念多且抽象；②采用理論教學和實驗實踐相結合的方式，但通常理論教學的學時比重較大；③涉及知識從TCP/IP五層模型的物理層開始，自下而上、逐層深入；④教學內容層次性很強，但連貫性較弱，各知識點之間比較零散，但又在結構上保持一致。

（二） 學生特點

計算機網絡課程通常在第二、三學期開始，學生普遍具備了程序設計、數據結構、算法設計與分析等課程的基礎，同時還具備有高等數學課程的數學基礎。因此學生一般具有以下特點：①具備一定的計算機與計算思維；②了解計算機的工作原理；③對計算機的應用有一定程度上的了解，可以快速掌握計算機網絡體系結構中應用層的知識；④對計算機的底層知識還存在一些空白，理解計算機網絡體系結構中下四層的知識存在一定困難；⑤初次接觸計算機網絡，對網絡協議等抽象的概念理解起來比較困難。

教學過程中，一線教師不僅會考慮學生掌握知識的特點，還會考慮學生學習心理的變化特點。計算機網絡課程一般開設在大一下學期或大二上學期，開設較晚的專業也一般在大二下學期或大三上學期進行，此時學生普遍存在以下心理特征：①已經擺脫高中教育的高壓，大學階段容易出現目標和學習動力的缺失；②仍舊保留著義務教育和高中教育期間養成的應試心理，學習不以掌握知識為目的，而是以“猜題為思路，掌握考試題型為方法，不掛科為目的”；③對教師依賴性強，缺乏思考和分析問題的習慣，缺乏獨立解決問題的思維方式；④時間觀念差，自我管理能力較弱，開始展現出“上課玩手機，課后抄作業，期末熬夜預習”的學習狀態；⑤沉迷互聯網，喜歡互聯網娛樂項目，樂于做“伸手黨”，缺乏對互聯網的正確對待。

二 計算機網絡教學設計

計算機網絡課程有著概念復雜抽象、教學內容層次結構明顯、知識點較零散的特點，對首次接觸計算機網絡的學生而言不太友好，容易打擊學生的學習信心，讓本就缺乏動力和目標的學生感到學習困難進而放任自己，課堂知識越欠越多，形成“聽不懂——不想聽——更聽不懂”的惡性循環。因此，教學設計中使用真實存在的物品（教具）將一些抽象的概念具象為學生手中實實在在的東西，讓學生通過真實的感受在大腦中形成影像映射，幫助學生理解計算機網絡中抽象的復雜概念。同時使用雨課堂信息化的教學手段豐富課堂，運用學生喜歡的互聯網幫助學生學習和掌握課堂所學知識，通過隨堂測試幫助學生在鞏固知識的同時檢驗知識，逐步培養學生在上課時為學習而看手機。課后有知識回顧幫助完成作業，期末有查漏補缺來復習，同時盡量讓課堂上的問題在課堂上得到解決，形成一個健康的學習狀態，其中雨課堂和教具在教學設計中的位置如圖1所示。

圖1 計算機網絡教學設計示意圖

（一） 教具設計

計算機網絡體系結構（Network Architecture）是使各種計算機在世界范圍內相互連接成計算機網絡的參考框架。網絡體系結構普遍使用分層的思想構建層次模型，模型中相同層使用同一套語法和語義規則（協議），不同層次之間的功能相互獨立，但上層能夠使用下層所提供的服務。國際網絡體系結構包括：早期著名的開放系統互連基本參考模型OSI/RM（Open SystemsInterconnection Reference Model），是應用最為廣泛的TCP/IP參考模型；以及綜合了OSI模型和TCP/IP模型各自優點的TCP/IP五層協議體系結構。其中，五層協議的體系結構是學習計算機網絡原理時最為常見的計算機網絡體系結構，計算機網絡課程在教學過程中通常采用的也是這種體系結構（如圖1右邊部分所示）。TCP/IP五層結構自底向上依次是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。某個主機的應用進程要實現網絡傳輸，其輸入的數據將經由應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層（封裝），即加載完整的TCP/IP參考模型完成網絡數據的發送。而在接收主機上，數據將經由物理媒介到達物理層，并經過物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層（解封裝），最后將由應用進程實現網絡數據的輸出和顯示。

正是如此，計算機網絡體系結構是整個課程的核心內容，貫穿了整個計算機網絡課程的知識點，但這種分層思想和層次的體系結構都非常抽象，很難在人腦中形成直接映射。同時，計算機體系結構的框架和網絡通信的消息封裝與解封裝密切相關。通常情況下，教師會使用PPT和舉例子的方式將整個過程比擬成郵件包裝和傳輸的過程，但是這仍然需要學生發揮自己的想象力去實現兩者間的對比映射。

本教學設計中設計并使用教具將這些貫穿課程的重要抽象知識實體化，如圖2所示。圖中上方是OSI參考模型，從左往右依次是：物理層（白色）、數據鏈路層（黃色）、網絡層（綠色）、運輸層（藍色）、會話層（紅色）、表示層（紅色）、應用層（紅色）的協議數據單元和灰色的應用數據。其中第二個黃色的數據鏈路層由于該層協議的封裝特點采用合蓋的方式，即表示封裝過程是在上層（網絡層）的協議數據單元（IP數據報）加上首部和尾部信息。

教學過程中將具象的教具展示在學生眼前，讓學生對計算機網絡體系結構有一個具體的認識，通過讓學生之間互相傳遞這些教具，使學生對通信數據的封裝、解封裝和消息的傳遞有更深刻的認知，以此幫助學生掌握計算機網絡課程的抽象概念。同時可以將教具中的數據部分更換為紙條，用幾分鐘的時間讓學生寫字條、傳遞教具，人工實現網絡通信，增加課堂趣味的同時增強學生對網絡體系結構和網絡通信的認識，加深學生對該抽象知識點的掌握。

（二） 課堂教學設計

計算機網絡課程內容的層次結構明顯，但知識點之間的連貫性較弱，同時學生在課下很少會去獨立思考和總結課堂上所學的內容，課堂教學設計應該考慮到這些課程特點和學生特點。因此，課堂教學過程設計為四部分：承上回顧——課堂教學內容——知識點總結——教學評估與反思（如圖3所示），以此幫助學生養成回顧和總結知識的習慣。其中，課堂教學內容和知識點總結都屬于課堂內容。同時，在課堂教學過程中應充分運用信息化的手段豐富課堂，調動學生積極性。

圖3 課堂教學設計流程圖

雨課堂由清華大學在線教育辦公室組織研發，通過技術手段將豐富的教學工具融入到演示文稿的制作和微信推送當中，使用混合式教學、多方面互動的方式豐富教學課堂。雨課堂同時提供靈活的課前學習、豐富的測驗題型、便捷的隨堂測驗、年輕化的互動方式和實時的教學數據可視化分析，幫助教師實時掌握學生的學習狀況，活躍課堂氛圍，最大程度上調動學生的積極性[4]。

本文以網絡層知識點為例。網絡層包含幾個重要協議：IP協議、ARP協議、ICMP協議和多個路由協議，其中IP協議是網絡層的核心協議。而IP地址作為IP協議的核心內容，包含多個重難點及抽象知識。接下來以網絡層的重難點知識——IP地址規劃的子網劃分為例，對課堂內容進行設計。

1.承上回顧。利用雨課堂提供的微信公眾號服務，提醒學生上課時間，同時實現課堂考勤。教學設計上，使用上次教學的課后作業作為本次教學內容的導入，通過雨課堂在PowerPoint中插入課后作業的題目，使用一鍵發送功能將習題發送到學生微信，督促和幫助學生回顧上次教學知識點。利用雨課堂提供全景的數據驅動，在學生完成承上回顧的作業后，雨課堂可以對學生作答數據進行可視化分析，教師可以實時掌握學生對上一次教學知識點的學習情況，并采取相應的措施，指引學生對作業中的問題進行梳理和回顧對應知識。具體流程如圖3所示。

有類IP地址和子網劃分均為IP地址規劃的方法，且子網劃分是在有類IP地址這樣的二級結構上進行進一步劃分的，因此以上次教學內容的有類IP地址知識可作為導入，實現教學內容邏輯上的連貫。圖4的左邊為上次教學內容的課后練習，同時將作為本次教學的導入練習，通過PowerPoint一鍵提交發送到學生的微信；右邊為雨課堂對本次教學導入練習的學生答題統計，可以看到76名同學均選擇了正確選項‘C’，正確率100%，這可以真實地反映學生對有類IP地址的掌握情況非常好。

圖4 子網劃分導入——有類IP地址

2.課堂內容。教學過程中，教師應該以學生喜歡的方式教學。當代大學生作為互聯網資深網民，“浪跡”于B站、微博、微信、QQ和抖音，喜歡在網絡上侃侃而談，喜歡發彈幕表達自己即刻的感受，但在生活中多是沉默寡言的課堂“小透明”。雨課堂提供彈幕、投稿、課堂紅包和隨機點名等功能，可以讓教學班上的每位同學在不影響教師講課的情況下實現自由發言，讓學生可以及時對教師課件上的內容和知識點進行反饋，教師也能及時了解到學生對每個知識點的把握情況。利用這種學生喜歡的“互聯網方式”讓學生積極加入課堂討論，引發學生對學習和教學內容的關注度與積極性，激發學生思考。

教學內容的總結通常以章或小節為單位進行，但學生課堂上的注意力保持時間無法持續太長時間。因此，對于教學內容的總結應該以知識點為單位，將一個個重難點拆分為若干個小的知識點，通過對知識點的講述和總結，讓學生在課堂上能掌握。同時在進行教學內容總結時應使用拋問題的方式，引導學生回顧、思考二十分鐘左右的時間以來所學到的知識，并進行自主總結，培養學生總結歸納知識的能力?？紤]到學生的心理，教師應對學生的回答給予積極肯定的回復，并對學生的歸納進行總結，激發學生的學習動力。

在學生總結知識點之后，為了鞏固相應知識，以課上測驗的方式為學生提供展現自己的機會，讓學生自主檢驗自己對知識的把握程度，讓學生可以在每一堂課上完成對教學內容的掌握。具體情況如圖5所示。

圖5 知識點子網掩碼的總結性測驗及答題情況

子網劃分本質上是將二級結構的有類IP地址進一步劃分為三級結構，所產生的子網需要子網掩碼進行記錄。因此利用有類IP地址的默認子網掩碼問題，可以將有類IP地址的知識點平滑過渡到子網劃分方法的知識點。如圖5的左圖所示，將子網劃分拆解為子網掩碼和子網劃分兩個小知識點，并對子網掩碼進行總結測驗；圖右可以看到正確率為57%，由此可知57%的學生真正掌握了子網掩碼，同時實現了知識的自主總結與遷移。在課堂上即時地得知學生作答情況后，有針對性地引導學生進行知識點的總結，實現知識點之間的關聯與遷移。

通過建立知識點之間的邏輯關系，用拋問題的方式引出新的知識點，引發同學的獨立思考。如圖6所示，在課堂教授完固定長度子網劃分知識后，通過思考題的計算，讓學生掌握該方法，感受到固定長度子網劃分的局限性，調動學生的求知欲和主動性，從而幫助學生更好地學習接下來的可變長度子網劃分方法。課堂最后，在雨課堂上給學生留一個課后練習，督促學生課下復習，該題又可作為下次教學的引入問題，實現課程課堂之間的連貫，幫助學生更好地掌握抽象的IP地址規劃內容。

圖6 課堂案例思考題和課后練習題

3.教學評估。雨課堂提供全周期的教學數據分析，包括課前、課堂和課后，學生每一階段的數據都能在雨課堂中被可視化展示。教師可以從課堂的第一題了解到學生對上次教學內容的掌握情況，并進行有針對性的知識點回顧，幫助學生掌握知識，培養學生課后復習的習慣。教師使用雨課堂進行PPT播放時，學生可以在沒聽懂的PPT頁面上標記“不懂”，提醒教師該知識點在下次教學時需要進行回顧。同時，學生還可以在教學過程中發送彈幕，實時表達自己對知識點的意見、建議和掌握情況，激發學生學習動力，調動學生積極性，活躍課堂氛圍，教師也可以從彈幕中了解到學生對某個知識點的態度，進行適當的著重講解。完成一個知識點的講解之后，利用問題進行總結，引發學生思考，引導學生回顧所學知識，并利用雨課堂的課堂測驗了解學生的真實掌握情況，通過對測驗的講解幫助學生梳理知識點。課堂最后，發放課后作業對教學內容進行檢驗，督促學生及時解決當堂問題。

教學過程中的所有彈幕、測驗結果都會在雨課堂中進行數據可視化，教師可以直觀地了解到每一個學生對知識點的把握情況，從學生角度了解到每個知識點的難易程度，幫助學生更好地學習。

三 結語

計算機網絡課程作為一門網絡基礎或通訊基礎類課程，其涵蓋知識面廣、概念多、內容抽象等特點是影響學生學習熱情的重要課程因素，在課程教學過程中，通過教具和雨課堂嵌入PowerPoint中的教學工具，實現化抽象為具象、化零散為連續，讓學生在雨課堂構造的互聯網世界中自由發表學習觀點，調動學生積極性，激發學生學習計算機網絡課程的熱情與動力。以此來提升教學水平、完善教學手段、保證教學質量，培養高素質的網絡化人才。