基于教具和雨课堂的计算机网络混合式教学研究

余兰兰，谭涛，胥林，杨晗，余一帆

（西南石油大学 信息学院，四川 南充）

21世纪是数字化、网络化和信息化的时代[1]，而网络作为这个时代的核心特征，其相关技术也是未来科技发展的奠基石，对应课程——《计算机网络》是高校通信和计算机相关专业的核心课程之一，同时也是网络工程等部分专业的专业基础课程之一。计算机网络课程在计算机专业知识体系架构中的位置可见一斑。但同时，由于课程概念和理论繁多、知识复杂抽象、学生理解困难等课程特点[2]，研究如何提升计算机网络课程的教学水平、完善教学手段、保证教学质量，以及培养高素质的网络化人才，一直是一线专业教师们关注的焦点。

目前，计算机网络的教学现状可以从课程本身的现状、所授学生的知识基础和心理上的特点出发进行探讨。

（一） 课程特点

计算机网络课程是一门运用网络原理分析和解决计算机网络领域基本问题的专业基础/核心课程之一。在课程学习中学生需要掌握计算机网络相关理论的基本概念、基本原理、基本技术和基本方法，学习各类网络协议和实用的网络技术，了解不断变化的网络技术，提升分析和解决工程实际问题的能力，为后续课程打好基础。

在课程教学中，教师普遍采用理论课和实践课相结合的方式进行教学，教学具有以下特点：①教学内容所涉及的概念多且抽象；
②采用理论教学和实验实践相结合的方式，但通常理论教学的学时比重较大；
③涉及知识从TCP/IP五层模型的物理层开始，自下而上、逐层深入；
④教学内容层次性很强，但连贯性较弱，各知识点之间比较零散，但又在结构上保持一致。

（二） 学生特点

计算机网络课程通常在第二、三学期开始，学生普遍具备了程序设计、数据结构、算法设计与分析等课程的基础，同时还具备有高等数学课程的数学基础。因此学生一般具有以下特点：①具备一定的计算机与计算思维；
②了解计算机的工作原理；
③对计算机的应用有一定程度上的了解，可以快速掌握计算机网络体系结构中应用层的知识；
④对计算机的底层知识还存在一些空白，理解计算机网络体系结构中下四层的知识存在一定困难；
⑤初次接触计算机网络，对网络协议等抽象的概念理解起来比较困难。

教学过程中，一线教师不仅会考虑学生掌握知识的特点，还会考虑学生学习心理的变化特点。计算机网络课程一般开设在大一下学期或大二上学期，开设较晚的专业也一般在大二下学期或大三上学期进行，此时学生普遍存在以下心理特征：①已经摆脱高中教育的高压，大学阶段容易出现目标和学习动力的缺失；
②仍旧保留着义务教育和高中教育期间养成的应试心理，学习不以掌握知识为目的，而是以“猜题为思路，掌握考试题型为方法，不挂科为目的”；
③对教师依赖性强，缺乏思考和分析问题的习惯，缺乏独立解决问题的思维方式；
④时间观念差，自我管理能力较弱，开始展现出“上课玩手机，课后抄作业，期末熬夜预习”的学习状态；
⑤沉迷互联网，喜欢互联网娱乐项目，乐于做“伸手党”，缺乏对互联网的正确对待。

计算机网络课程有着概念复杂抽象、教学内容层次结构明显、知识点较零散的特点，对首次接触计算机网络的学生而言不太友好，容易打击学生的学习信心，让本就缺乏动力和目标的学生感到学习困难进而放任自己，课堂知识越欠越多，形成“听不懂——不想听——更听不懂”的恶性循环。因此，教学设计中使用真实存在的物品（教具）将一些抽象的概念具象为学生手中实实在在的东西，让学生通过真实的感受在大脑中形成影像映射，帮助学生理解计算机网络中抽象的复杂概念。同时使用雨课堂信息化的教学手段丰富课堂，运用学生喜欢的互联网帮助学生学习和掌握课堂所学知识，通过随堂测试帮助学生在巩固知识的同时检验知识，逐步培养学生在上课时为学习而看手机。课后有知识回顾帮助完成作业，期末有查漏补缺来复习，同时尽量让课堂上的问题在课堂上得到解决，形成一个健康的学习状态，其中雨课堂和教具在教学设计中的位置如图1所示。

图1 计算机网络教学设计示意图

（一） 教具设计

计算机网络体系结构（Network Architecture）是使各种计算机在世界范围内相互连接成计算机网络的参考框架。网络体系结构普遍使用分层的思想构建层次模型，模型中相同层使用同一套语法和语义规则（协议），不同层次之间的功能相互独立，但上层能够使用下层所提供的服务。国际网络体系结构包括：早期著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open SystemsInterconnection Reference Model），是应用最为广泛的TCP/IP参考模型；
以及综合了OSI模型和TCP/IP模型各自优点的TCP/IP五层协议体系结构。其中，五层协议的体系结构是学习计算机网络原理时最为常见的计算机网络体系结构，计算机网络课程在教学过程中通常采用的也是这种体系结构（如图1右边部分所示）。TCP/IP五层结构自底向上依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。某个主机的应用进程要实现网络传输，其输入的数据将经由应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层（封装），即加载完整的TCP/IP参考模型完成网络数据的发送。而在接收主机上，数据将经由物理媒介到达物理层，并经过物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层（解封装），最后将由应用进程实现网络数据的输出和显示。

正是如此，计算机网络体系结构是整个课程的核心内容，贯穿了整个计算机网络课程的知识点，但这种分层思想和层次的体系结构都非常抽象，很难在人脑中形成直接映射。同时，计算机体系结构的框架和网络通信的消息封装与解封装密切相关。通常情况下，教师会使用PPT和举例子的方式将整个过程比拟成邮件包装和传输的过程，但是这仍然需要学生发挥自己的想象力去实现两者间的对比映射。

本教学设计中设计并使用教具将这些贯穿课程的重要抽象知识实体化，如图2所示。图中上方是OSI参考模型，从左往右依次是：物理层（白色）、数据链路层（黄色）、网络层（绿色）、运输层（蓝色）、会话层（红色）、表示层（红色）、应用层（红色）的协议数据单元和灰色的应用数据。其中第二个黄色的数据链路层由于该层协议的封装特点采用合盖的方式，即表示封装过程是在上层（网络层）的协议数据单元（IP数据报）加上首部和尾部信息。

教学过程中将具象的教具展示在学生眼前，让学生对计算机网络体系结构有一个具体的认识，通过让学生之间互相传递这些教具，使学生对通信数据的封装、解封装和消息的传递有更深刻的认知，以此帮助学生掌握计算机网络课程的抽象概念。同时可以将教具中的数据部分更换为纸条，用几分钟的时间让学生写字条、传递教具，人工实现网络通信，增加课堂趣味的同时增强学生对网络体系结构和网络通信的认识，加深学生对该抽象知识点的掌握。

（二） 课堂教学设计

计算机网络课程内容的层次结构明显，但知识点之间的连贯性较弱，同时学生在课下很少会去独立思考和总结课堂上所学的内容，课堂教学设计应该考虑到这些课程特点和学生特点。因此，课堂教学过程设计为四部分：承上回顾——课堂教学内容——知识点总结——教学评估与反思（如图3所示），以此帮助学生养成回顾和总结知识的习惯。其中，课堂教学内容和知识点总结都属于课堂内容。同时，在课堂教学过程中应充分运用信息化的手段丰富课堂，调动学生积极性。

图3 课堂教学设计流程图

雨课堂由清华大学在线教育办公室组织研发，通过技术手段将丰富的教学工具融入到演示文稿的制作和微信推送当中，使用混合式教学、多方面互动的方式丰富教学课堂。雨课堂同时提供灵活的课前学习、丰富的测验题型、便捷的随堂测验、年轻化的互动方式和实时的教学数据可视化分析，帮助教师实时掌握学生的学习状况，活跃课堂氛围，最大程度上调动学生的积极性[4]。

本文以网络层知识点为例。网络层包含几个重要协议：IP协议、ARP协议、ICMP协议和多个路由协议，其中IP协议是网络层的核心协议。而IP地址作为IP协议的核心内容，包含多个重难点及抽象知识。接下来以网络层的重难点知识——IP地址规划的子网划分为例，对课堂内容进行设计。

1.承上回顾。利用雨课堂提供的微信公众号服务，提醒学生上课时间，同时实现课堂考勤。教学设计上，使用上次教学的课后作业作为本次教学内容的导入，通过雨课堂在PowerPoint中插入课后作业的题目，使用一键发送功能将习题发送到学生微信，督促和帮助学生回顾上次教学知识点。利用雨课堂提供全景的数据驱动，在学生完成承上回顾的作业后，雨课堂可以对学生作答数据进行可视化分析，教师可以实时掌握学生对上一次教学知识点的学习情况，并采取相应的措施，指引学生对作业中的问题进行梳理和回顾对应知识。具体流程如图3所示。

有类IP地址和子网划分均为IP地址规划的方法，且子网划分是在有类IP地址这样的二级结构上进行进一步划分的，因此以上次教学内容的有类IP地址知识可作为导入，实现教学内容逻辑上的连贯。图4的左边为上次教学内容的课后练习，同时将作为本次教学的导入练习，通过PowerPoint一键提交发送到学生的微信；
右边为雨课堂对本次教学导入练习的学生答题统计，可以看到76名同学均选择了正确选项‘C’，正确率100%，这可以真实地反映学生对有类IP地址的掌握情况非常好。

图4 子网划分导入——有类IP地址

2.课堂内容。教学过程中，教师应该以学生喜欢的方式教学。当代大学生作为互联网资深网民，“浪迹”于B站、微博、微信、QQ和抖音，喜欢在网络上侃侃而谈，喜欢发弹幕表达自己即刻的感受，但在生活中多是沉默寡言的课堂“小透明”。雨课堂提供弹幕、投稿、课堂红包和随机点名等功能，可以让教学班上的每位同学在不影响教师讲课的情况下实现自由发言，让学生可以及时对教师课件上的内容和知识点进行反馈，教师也能及时了解到学生对每个知识点的把握情况。利用这种学生喜欢的“互联网方式”让学生积极加入课堂讨论，引发学生对学习和教学内容的关注度与积极性，激发学生思考。

教学内容的总结通常以章或小节为单位进行，但学生课堂上的注意力保持时间无法持续太长时间。因此，对于教学内容的总结应该以知识点为单位，将一个个重难点拆分为若干个小的知识点，通过对知识点的讲述和总结，让学生在课堂上能掌握。同时在进行教学内容总结时应使用抛问题的方式，引导学生回顾、思考二十分钟左右的时间以来所学到的知识，并进行自主总结，培养学生总结归纳知识的能力。考虑到学生的心理，教师应对学生的回答给予积极肯定的回复，并对学生的归纳进行总结，激发学生的学习动力。

在学生总结知识点之后，为了巩固相应知识，以课上测验的方式为学生提供展现自己的机会，让学生自主检验自己对知识的把握程度，让学生可以在每一堂课上完成对教学内容的掌握。具体情况如图5所示。

图5 知识点子网掩码的总结性测验及答题情况

子网划分本质上是将二级结构的有类IP地址进一步划分为三级结构，所产生的子网需要子网掩码进行记录。因此利用有类IP地址的默认子网掩码问题，可以将有类IP地址的知识点平滑过渡到子网划分方法的知识点。如图5的左图所示，将子网划分拆解为子网掩码和子网划分两个小知识点，并对子网掩码进行总结测验；
图右可以看到正确率为57%，由此可知57%的学生真正掌握了子网掩码，同时实现了知识的自主总结与迁移。在课堂上即时地得知学生作答情况后，有针对性地引导学生进行知识点的总结，实现知识点之间的关联与迁移。

通过建立知识点之间的逻辑关系，用抛问题的方式引出新的知识点，引发同学的独立思考。如图6所示，在课堂教授完固定长度子网划分知识后，通过思考题的计算，让学生掌握该方法，感受到固定长度子网划分的局限性，调动学生的求知欲和主动性，从而帮助学生更好地学习接下来的可变长度子网划分方法。课堂最后，在雨课堂上给学生留一个课后练习，督促学生课下复习，该题又可作为下次教学的引入问题，实现课程课堂之间的连贯，帮助学生更好地掌握抽象的IP地址规划内容。

图6 课堂案例思考题和课后练习题

3.教学评估。雨课堂提供全周期的教学数据分析，包括课前、课堂和课后，学生每一阶段的数据都能在雨课堂中被可视化展示。教师可以从课堂的第一题了解到学生对上次教学内容的掌握情况，并进行有针对性的知识点回顾，帮助学生掌握知识，培养学生课后复习的习惯。教师使用雨课堂进行PPT播放时，学生可以在没听懂的PPT页面上标记“不懂”，提醒教师该知识点在下次教学时需要进行回顾。同时，学生还可以在教学过程中发送弹幕，实时表达自己对知识点的意见、建议和掌握情况，激发学生学习动力，调动学生积极性，活跃课堂氛围，教师也可以从弹幕中了解到学生对某个知识点的态度，进行适当的着重讲解。完成一个知识点的讲解之后，利用问题进行总结，引发学生思考，引导学生回顾所学知识，并利用雨课堂的课堂测验了解学生的真实掌握情况，通过对测验的讲解帮助学生梳理知识点。课堂最后，发放课后作业对教学内容进行检验，督促学生及时解决当堂问题。

教学过程中的所有弹幕、测验结果都会在雨课堂中进行数据可视化，教师可以直观地了解到每一个学生对知识点的把握情况，从学生角度了解到每个知识点的难易程度，帮助学生更好地学习。

计算机网络课程作为一门网络基础或通讯基础类课程，其涵盖知识面广、概念多、内容抽象等特点是影响学生学习热情的重要课程因素，在课程教学过程中，通过教具和雨课堂嵌入PowerPoint中的教学工具，实现化抽象为具象、化零散为连续，让学生在雨课堂构造的互联网世界中自由发表学习观点，调动学生积极性，激发学生学习计算机网络课程的热情与动力。以此来提升教学水平、完善教学手段、保证教学质量，培养高素质的网络化人才。

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