基于协作学习的网络技术与应用实验课程教学模式

　　摘要：网络技术与应用实验教学中一个严重的问题是缺乏适合课程特征的教学模式。针对这一问题，本文提出一种适合网络技术课程特征的基于协作学习的实验课程教学模式，并以路由器相关实验为例，从实验项目设计、实验环境配置、实验过程组织以及实验结果评价等方面进行了详细阐述。
　　关键词：协作学习；计算机网络；实验教学；教学模式
　　
　　1　研究背景
　　
　　随着计算机网络技术及其应用的迅猛发展和普及，网络技术与应用已成为计算机科学与技术、计算机应用、网络工程等专业的重要专业课程，也成为了很多非计算机专业的必修或选修课程。网络技术与应用是一门理论与实践紧密联系的课程，在教学过程中不仅要让学生掌握计算机网络理论方面的知识，更要把理论和实践结合起来，通过实验培养学生的动手能力和创新能力。
　　在目前的网络技术与应用课程教学中，各高校普遍偏向于理论知识的学习，而实验教学方面不能充分开展起来，学习质量不高，学生不能真正理解和掌握计算机网络技术，从而减少了学习的兴趣，更不用说培养能力。究其原因，一是计算机网络实验教学要求的投入太大，使得网络实验室设备不足，网络实验运行费用较高，更加制约了学生的实验时间。二是实验教学模式单一，以实验教材为主，学生被动的接受知识，实验只需参照实验教材执行，制约了学生对网络技术的理解以及能力的培养。
　　对于第一个问题，随着经费的增加，实验设备的缺少会得到一定程度的缓解，而且仿真实验的应用可以更进一步解决这一问题，因此目前更加紧迫的是对第二个问题的研究。
　　要解决第二个问题，首先要了解网络实验的特征，网络实验面对的是系统集成性问题而非元器件级问题，本质上需要多人合作来完成实验，网络实验也适合设计成一个个单独的项目。而协作学习就是学生以小组形式完成预先设置好的任务的一种方式，适合网络技术与应用实验教学。本文根据网络技术实验课程的特性，从实验项目设计、实验环境配置、实验过程组织以及实验结果评价等方面对基于协作学习的实验教学模式进行了研究。
　　
　　2　网络技术与应用实验课程教学现状与特征
　　
　　实验课程是网络技术与应用教学中非常重要的组成部分，其重要程度甚至超过了理论知识的学习，因为这关系到能否培养学生的动手能力和创新能力，关系到学生能否具备解决实际网络问题的能力。
　　
　　2.1　网络技术与应用实验教学现状
　　在原来的网络技术与应用实验教学中，实验的内容主要依赖于理论教学，实验教学的内容和学时比较分散，导致学生重理论轻实践。这使得培养出来的人才不符合社会和企业的需要，形成一方面企业招不到符合要求的相关专业人才，另一方面大批相关专业的学生找不到工作的尴尬局面。
　　为解决这一问题，很多高校建立了网络实验室，也编辑了一些实验教材，增加了实验课时，这使得学生学习网络技术的时间和环境得到了很大的改善，但这并没有完全解决问题。目前的网络实验教学效果较差，教学质量不高，实验以验证性实验为主，学生实验时参照实验教材的步骤，在教师的指导下做出实验结果，严格地说这种实验不能叫做实验，而是上卡机甚至变成了打字练习。
　　究其原因，主要是因为现在的实验内容设计、实验环境设置以及实验过程的组织等方面没有考虑网络技术与应用实验课程的特征。
　　
　　2.2　网络技术与应用实验教学特征
　　1)网络实验适合设计成单独的项目。
　　网络技术与应用实验课程内容可以根据教学要求分成一个个独立的任务，每个任务可以设置成一个项目，每次实验可以完成一个项目，项目之间存在一定的顺序关系。比如以太网组网、交换机配置、VLAN配置、子网规划、地址解析协议、路由器配置以及域名系统等都可以设计成一个项目。
　　2)网络实验项目需要多人合作。
　　大多数网络实验项目需要多人合作，因为从实验时间和设备资源上不允许每个学生单独完成系统性的项目，而且多人合作方式完成项目也能达到相应的教学效果。比如虚拟局域网VLAN的配置中，涉及到多个端口多台主机的配置，每个同学可以负责一台主机，相互之间配合来共同完成项目。其他交换机相关实验、路由器相关实验以及子网规划、域名系统等实验中同样需要多人合作。
　　3)网络实验环境需要多人合作。
　　网络实验的资源是有限的，尤其是路由器、交换机等较为昂贵的设备不可能每人一台，需要多人共用设备，当然就需要多人合作完成实验项目。
　　
　　3　协作学习及协作学习模式
　　
　　协作学习(Cooperative Leaming，简称CL)是学生以小组形式参与，为达到共同的学习目标，在一定的激励机制下最大化个人和他人习得成果，而合作互助的一切相关行为。协作学习至少包含5个要素：积极互赖、面对面的促进性交互作用、个人责任、社交技能以及小组自加工。协作学习以小组活动为主体，强调小组成员的合作互助，以特定任务目标为导向，强调按总体成绩进行激励。
　　协作学习模式是指采用协作学习组织形式促进学生对知识的理解与掌握的过程，通常由4个基本要素组成，即协作小组、成员、辅导教师和协作学习环境。在学习过程中，首先将教学内容设置成各个任务，然后根据教学任务按学生的学习成绩、知识结构、认知能力、认知风格、认知方式等不同因素分成多个小组，每个小组3～5人，以小组为单位完成任务。成员是指分派到小组中的学习者，成员在小组中扮演一定的角色，有自己单独的任务，成员之间通过协作互助来共同完成任务。辅导教师在任务的设置，小组的分派，学习中的指导以及学习结果的评价等方面具有非常重要的作用。协作学习环境包括组织环境、空间环境、硬件环境和资源环境等方面内容。协作学习的基本模式主要有竞争、辩论、合作、问题解决、伙伴、设计和角色扮演。
　　协作学习模式刚好符合网络技术与应用实验教学的特征，在协作学习过程中，可以共享实验设备和学习资料，通过相互协作、相互帮助以及相互督促，充分发挥学习者的自主性、创造性和互动性。
　　
　　4　基于协作学习的实验课程教学模式
　　
　　协作学习模式适合网络技术与应用实验课程教学要求，下面从实验项目设计、实验环境配置、教学过程实施以及教学结果评价等方面分别加以讨论。
　　
　　4.1　实验项目设计
　　网络实验可以设置成单独的任务，每一个任务都可以设计为一个项目，下面以路由器相关实验为例来说叫实验项目的设计。
　　1)实验项目的总体设置。
　　实验的总体内容根据教学要求来安排，具体设置时应考虑实验时间，一个实验项目应能在2个课时内完成。按此原则将路由器相关实验具体分为主机路由实验、路由器基本配置、静态路由配置、RIP协议配置、OSPF协议配置、BGP协议配置以及NAT实验7个实验项目。
　　2)实验项目的任务安排。
　　首先根据每个实验的具体要求分配小组，明确规定小组任务、小组成员的角色以及各自的任务，确定组内成员间的协作以及组间的协作，从而设置协作环境。
　　表1是以路由器相关实验为例来说明网络实验协作学习任务的安排，其中“一”表示不需要或者“无”。其中成员角色的划分按任务性质分主要是路由器配置和网络主机配置，但因为在实验过程的需求不同，因此将不同网络的主机配置看成是不同角色。
　　
　　下面以RIP协议配置实验为例来说明具体任务的安排。RIP协议配置实验通过3台路由器来连通3个网络，如图l所示。其中A1～A8为8台主机，S1～S3为3台交换机，R1～R3为3台路由器，每个路由器有两个以太网接口。整个项目可有一个小组来完成，小组成员4～8人，最少4人，1个配置路由器，3个配置不同网络。小组的任务是配置RIP协议将3个网络互联，掌握RIP协议的配置方法，观察RIP的运行过程，从而加深对RIP原理的理解。实验第1步是按拓扑结构图连线，其中一台主机通过配置线连到路由器；第2步配置主机IP地址；第3步配置Rl的RIP协议：第4步配置R2的RIP协议；第5步配置R3的RIP协议；第6步模拟网络故障将R1的LAN0口拔掉。除了第1步之外其他各步都要测试各网络之间的连通性，查看路由表并将其记录下来。每个成员至少负责一台主机的配置和连通性测试，某个成员的延误会导致其他成员的测试，而且不同主机测试出来的结果是不同的，因而每个成员都有单独的任务要完成，但又需要相互协作才能完成整个目标。
　　
　　
　　4.2　实验环境设置
　　根据实验课程的特性以及协作学习模式的要求，我们重新设计了网络实验室。网络实验室由8个工作台组成，每个工作台包括8台主机和一个机柜，8台主机围成一个圆形，机柜内配置集线器、二层交换机、三层交换机、路由器以及防火墙、语音网关等设备，适合大多数实验。平常主机和二层交换机相连，二层交换机则通过三层交换机连到实验室中心交换机，中心交换机连到Internet，可以做与Internet有关的实验。机柜内部备有多根交叉线和直通线，以便实验时设备之间的连接：还有一根Console配置线，用于配置交换机和路由器等设备；机柜之间预留通信线路，在做BGP等需要较多路由设备时连接。每台主机安装多个操作+DeetaahXJV/yMLqe4vY3g==系统以及各种需要的网络软件。
　　
　　4.3　教学过程实施
　　实验教学过程中的关键问题是分组，将全体学生按工作台分成多个组，每组6～8位同学，分组的策略是按学生的能力、兴趣、基础、性别等因素相互搭配，以便于各展所长、协助互补。每组配备组长一名，负责实验设备领取与分派以及组共同任务目标的监管和汇总。组成员具体负责任务通过相互协商来确定，组成员之间相互合作、相互帮助、也相互督促。这种分组比较固定，方便教学管理，但是在部分实验不需要这么多人合作时，可以在组内部临时再分小组，灵活方便。部分实验需要组间合作的由各组组长进行协商解决。
　　分好组后，以组为单位安排实验项目，分配实验设备，组织实验过程。教师也以组为单位进行辅导。
　　
　　4.4　教学结果评价
　　教学模式是否有效，是否确实提高了教学质量，必须对教学结果进行评价。采用本文教学模式的实验结果评价可按两个方面来进行评价，一是以小组为单位，二是以成员为单位。
　　以小组为单位进行评价首先是检查小组任务的完成情况，要求完成一份项目总结报告，说明项目中采用的策略以及具体实施过程，最终的成果以及存在的问题。教师以小组为单位评分，可按各组成果和报告的优异程度排列登记来促进组间的竞争，如果某个小组不能按时完成任务，则考虑调整小组成员的组成。其次，可以在项目基础上布置相关任务测试小组的学习效果，检测其协作能力和解决问题的能力。
　　以小组为单位考核可以促进成员之间的相互合作、帮助和促进，但也难免有些学生滥竽充数，所有事情由同学代劳。因此还必须对成员进行评价，每个成员必须完成一份任务总结报告，说明在项目中所具体负责的任务，如何实施，如何协作，最后的结果以及存在的问题，由于不同成员的任务之间有一定的顺序关系，存在的问题中可以指出其他成员的不足。教师可以对各组完成相同任务的学生一起评价，以促进学生的竞争意识。其次，也可以制定某个任务或操作来考核学生，评价其学习效果。
　　
　　5　结语
　　
　　本文针对网络技术与应用实验课程的本质特征，采用基于协作学习的实验教学模式，从实验项目的设计、实验环境的配置、教学过程的组织以及教学结果的评价等方面进行了探讨。
　　近两年来，我们在多个班级尝试了这种教学模式，并对协作学习模式和传统教学模式进行了对比。结果表明，协作学习模式确实更加适合于网络实验教学。在采用协作学习模式的教学中，首先一部分学生脱颖而出，在组中起到组织、协调的作用，在同学相互帮助、相互讨论过程中进一步加深了对网络知识的理解，因而优秀者更加优秀，原本较为普通的同学也在竞争中越来越优秀。其次部分同学原本因基础、兴趣、能力等方面原因在实验过程中表现较差，但在组内同学的帮助、促进下得到了很大程度的提高。同时因为采用同学之间的合作互助，完成一定任务而产生的成就感，极大提高了学生的学习兴趣。总而言之，基于协作学习的实验教学模式从整体上提高了教学效果，加深了学生对网络知识的理解，也锻炼了学生的各方面能力。
　　目前我们还只对实际实验过程中采用这种模式进行了研究，对于采用网络仿真实验平台以及基于CSCL的实验教学模式是下一步的研究方向。
　　
　　
　　(编辑：姚彦