计算机网络专题实验中的创新能力培养

魏恒义

(西安交通大学电子与信息过程学院，陕西西安710049)

0 引言

探索、挖掘和开发学生的潜在能力，激励个人的创造精神是高等学校的办学指导思想［1］，更是实践教学的主要目标。国家和学校采取了很多实施措施，但国家大学生创新性实验计划、各种国际和国内的设计大赛等仅能容纳少部分本科生的参与。在本科生的实践教学中努力实现理论与实践的协调、科学原理与实验技术综合应用以及循序渐进与研究探索创新的引导是培养本科生创新思维和技能的重要环节。具有创新引导的实践课程可以使绝大部分的本科生得到创新意识、创新思维和基本技能的培养。通过与指导教师就实验过程中具体问题和实验结果的讨论可以拓展思维，激发创新意识，得到创思维启发。为了落实西安交通大学“2+4+X”模式中将创新意识、创新能力培养贯穿于人才培养的全过程和每个教学环节的特点，本文针对“计算机网络专题实验”课程在实验内容设计、实验指导过程中师生互动交流和实验结果的评价等方面进行了有益的探索。

1 怎样在课程中进行创新活动

“计算机网络专题实验”是一门独立设置的实践课程，该课程是学生深入理解计算机网络工作机制、协议控制流程以及网络功能实现的有效途径，是对所学计算机网络知识全面总结和巩固提高的一项实践活动。该实验覆盖计算机网络原理的全部内容和知识点，突出通过实验使学生系统深入地分析和理解网络协议的原理和实现过程，并面向工程实践，通过实际操作网络设备进行网络设计，提高学生的工程实践能力。

“计算机网络专题实验”课程教学内容的分层设计、指导过程的个性化互动以及精准合理的效果评价是提高学生创新实践思维和能力的关键。课程的内容设计分为基础引导、自主综合设计和师生互动讨论主题三部分。对基础引导阶段的内容尽可能简练、快速，使学生能在实验指导书的引导下快速完成基础内容;在自主设计阶段学生基于刚刚完成的基础实验，在比较、分析、改进的基础上完成自主综合设计。师生互动讨论主题的设计主要有两个层次:覆盖全部同学的是实验结果质询、分析与讨论。每位同学的反应结果反映了该同学对实验原理、过程和结果的理解。能完成自主设计实验内容的一般是基础较好的同学，与这部分同学的交互内容会涉及更高层次的实验方法设计、实验结果的获得方法和结果分析，挖掘学生个体潜在能力，循序渐进的拓展学生的创新思维。

2 实验课程内容的分层次设计

大学生的创造性发展建立在扎实、充分的基础知识基础上，并通过实践才能真正实现［1］。要在一门独立实践课程中培养本科生创新意识、创新思维和基本技能，实验内容的设计是核心和基础。高年级本科生对专业知识的渴求、对独立解决问题的能力的期盼是其创新的动因。内容的设计需要全面考虑全体同学对基础内容的熟练掌握，并在基础内容的环境、步骤和结果基础上，延伸学生的认知和思维过程，引导和开发个人的想象力来完成自主设计实验内容。引导学生在实验方法和步骤设计以及结果分析中迸发出智慧的火花，促进创新意识、创新思维和基本技能的培养。整个实验体系的内容设计、指导书撰写、指导教师在熟练实验环境和内容的基础上与学生进行现场互动等方面完美的结合才能真正实现本门课程的“有教无类”，使每位同学都在基础实验内容完全掌握的情况下得到创新意识、创新思维和技能的引导。

2.1 基础实验内容的设计

基础实验使学生对课堂知识的认知和思维过程得以保持，让他们能体验到这个科学结论是怎么得出的，应该采取什么方法去寻求科学结论［2］。基础实验包含了原理验证和以原理和方法为基础的设计性实验，主要为后续的自主设计综合实验打下基础［3］。本层次内容主要通过师生的互动讨论主题，激发学生的创新思维，使学生要摆脱思维标准化与知识非活力化的束缚，大力开发个人的想象力和直觉思维，并能质疑、批判和超越教师和书本［4］。

表1给出了“计算机网络专题实验”基础引导实验项目、内容、目标及创新实践引导的师生互动讨论部分主题［5］。在配套的实验指导书中，对基础引导内容给出了主要的步骤。本部分内容所有学生必须完成，并对其结果进行分析。实验结果现场验收过程中的师生互动讨论可以分辨其掌握的程度，扩展学生的进一步思考。人的认识是摹写和创造的统一，创造是以摹写为基础的［6］。通过对基础实验结果的讨论，使学生能活化基础知识和实验技能，以摹写为基础进行自主设计实验的网络拓扑和实验方法设计。

2.2 自主设计实验内容设计

知识首先表现为一种行为能力，是把一件事情做成的能力，这种能力只有在实践中才能获得，在做中才能实现，只有在应用中才能体验到知识的作用与能力的提高［7］。自主设计实验是课程的进阶部分，目的是在对基础实验的硬软件环境和实验结果的深入理解的基础上，启发学生采用模仿、延伸等发散思维。自主设计实验方案、实验步骤、实验结果分析都是培养学生创新意识、创新思维和实验技能的切入点。指导教师在此过程扮演辅助角色，在针对实验结果讨论的现场互动讨论中启发和引导学生的创新思维。

表2给出了自主设计实验的内容要求、依赖的基础实验、创新实践引导点以及师生现场互动讨论的部分主题。在实验指导书中只有提出的设计内容简要描述，实验方案、设备选用、实验步骤、设备配置和组网全部由学生自主完成，教师提供相应的参考资料和咨询。创新始于实践，创新终于实践［9］。基础引导实验层次的创新培养重点是通过师生互动讨论，使学生活化基础知识，提高创新思维。自主设计实验重点是培养学生的创新技能。

3 实验的指导与考核

“计算机网络专题实验”课程的实验环境是由企业级网络设备和控制平台构建的。自设计的设备箱和配线架设施可方便学生进行组网连接和配置。在8个大组和16小组的配套环境下，学生可以方便地根据实验内容进行大小组配合。在有限的实验学时中要达到在基础实验内容水平上通过师生互动，启发和引导学生的创新意识、创新思维和实验技能，对指导教师提出了很高的要求。

表1 基础引导实验内容设计

3.1 实验的指导

培养学生的创新意识、创新精神和创新能力的目标对实验室提出了更高的要求［11］。要在在普通实验中进行本科生创新思维和技能的培养，实验环境和资源、指导教师的知识熟练程度及指导艺术同样是必不可少的。

基础引导实验部分要求学生尽可能快速、顺利按照实验指导书的引导完成实验内容。指导教师需要提前精心撰写好实验指导书，学生人手一册可以在实验前预习。实验前的设备环境准备也非常重要，实验环境的初始化测试、实验内容和过程的备课都需要指导教师投入大量的时间。该阶段的目标及创新实践引导，一方面是检查学生是否认真经历了实验过程的训练，另一方面检验学生对实验中强调的知识点的理解与思维扩展。教师要利用反思性实验教学的思想，在实验过程中，要根据效果反馈信息不断地反思并解决实验教学中出现的问题［12］。指导教师要熟悉实验内容，对出现的各种结果能做出合理的解释，对不同的同学和实验结果变化选择合适的现场互动讨论主题，观察学生的反应和收获。

自主设计实验在实验指导书中没有详细的实验设计和步骤，学生的自主设计和实验是一个创新过程。指导教师要判断学生的新想法、新设计是否可行，并给予引导。自主设计实验在有限的时间内可能结果不够理想，也可能没有实验结果，但其实验的设计、过程以及不理想的结果都是学生在基础实验水平上的创新结果。师生对实验设计、结果的现场讨论非常重要，分析结果、寻找问题、解释疑点都可能是点燃学生创新智慧的星星之火。

3.2 实验的考核

CDIO工程教育模式中主张不同的能力用不同的方式进行考核，建立多样化的考核方式［13］。本专题实验的考核体系中主要包含如下因素:①基础实验任务的完成情况及结果;②基础实验现场互动中对问题的理解和回答情况;③该同学在实验小组中的角色和作用;④自主设计实验的完成情况及结果分析;⑤ 综合报告的规范性、对实验整体内容和过程的总结和反思。

考核内容①-④是在实验现场完成，为每一个实验专门设计的“实验现场检查单”作为学生实验过程记录和教师评价的基础。考核内容⑤在实验课程全部完成后提交，由老师评阅。同学在完成每个实验后，在相应的现场检查单上有设计方案、设备拓扑图和实验结果要点。指导教师在现场检查单的基础上核实实验结果、与学生进行现场互动讨论并简要记录互动内容和学生反应。

实验综合报告的目的是希望学生在完成整个实验课程后，通过回顾与整理实验过程和结果反思整个课程、强化收获。报告中用到的实验结果要求学生在实验过程中保存成电子文件备用。报告的主要内容有实验关键步骤简述;实验结果及分析;遇到的问题及处理。在总结体会及建议部分学生也为课程内容的改进提出了非常好的建议。

表2 自主设计实验内容设计

4 结语

培养学生的创新精神与实践能力是全面推进素质教育的着力点，是当前教学和课程改革的一个核心问题［14］。在实践教学过程中教师能够给学生营造一个自由度很高、思维空间较大的课堂环境，留出足够的时间让学生阅读、思考和提问，鼓励学生提出对权威理论的批评性意见，并就此意见与学生进行讨论［15］，这是学生创新思维能力和技能培养的必由之路。

在本科生的主要专业实践课程中培养学生的创新思维、创新方法和技能可以惠及众多的本科生。虽然没有耀眼的创新成果出现，但如果能引导学生在基础实验水平上多想一步，便会对他们的创新能力训练大有益处。经过5年的课程实践，本课程得到了很多同学的肯定，有一位同学在他的报告中写到“这些实验我觉得都很精美，实验的安排上能看到实验设置是非常好的。一步一步，循序渐进，而且老师的很多问题也经常把我难住。这些东西都只有在实际的情况下我们才能看到，是在书本上很难体会到的。”

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