网络工程专业实践必修课程协同教学模式

韩 强， 陈德光， 李 娟， 李 强

(北方民族大学 计算机科学与工程学院， 宁夏 银川 750021)

0 引言

当前，我国许多高校开设了网络工程专业，并逐渐形成了一定的特色。本科专业的建设需要遵循专业建设的基本科学规律和方法，其包含了专业培养方案及培养模式、课程大纲、教材、师资队伍建设以及企业实践基地等诸多方面的因素，而符合相关职业和行业标准的课程教学方法是其中非常重要的内容之一[1～3]。一般而言，在网络工程专业核心理论课程的教学过程中，主要是由校内教师自始至终讲授完成，如果受师资所限而聘用校外教师，也可以外聘教师独立完成为主。然而，随着当今计算机类专业在信息及计算科学理论与技术领域深入地发展，每门专业课程的建设和教学需要由多名教师相互协作才能完成，这种授课方法越来越普遍的在“企业命题,双师指导,协作完成,市场检验”的人才培养新模式中应用和推广[4]。同时，这种人才培养新模式在专业实践类课程的教学过程中普遍存在。本文即在以上背景下，针对我院网络工程专业(“十三五”宁夏回族自治区重点建设专业之一)，从实践必修类课程入手，选择“专业实训II”课程为研究对象，在遵循专业培养方案和课程大纲的前提下，由校内外相关教师共同商定并综合考虑学生整体及个体水平，将课程的知识体系按照课程知识点进行分解，以此作为基本组成结构，结合网络工程专业67名待授课学生信息，共同组成课程单元，基于课程单元深入研究该课程的校内教师与企业外聘教师之间的协同工作教学模式，这一模式就是通过校内外教师之间的协作，发挥各自在课程知识体系完整性方面、理论前沿知识及实践动手能力方面的优势，促进学生之间以小组形式完成学习任务，并针对学习日志记录，挖掘提炼出科学有效的协同教学方案，最终形成统一完整的综合教学优势，从而带动提高网络工程专业课程的教学质量，为逐步形成本专业的特色，建立一定的基础。

1 协同教学模式的基本框架

1.1 协同教学模式

当前，我院网络工程专业执行2014版培养方案，划分为三个教学平台，即人格养成与通识教育平台、专业教育平台、创新创业与职业规划教育平台。其中人格养成与通识教育平台主要以面向校内教师教学方式为主；创新创业与职业规划教育平台主要以学生走出课堂到本专业实际应用环境中，通过自身主持或参与创新创业教育项目为主；而专业教育平台是核心平台，该平台设有专业理论课、专业选修课、实践必修课和实践选修课，其中实践必修课需要学生在本科学制年限内完成31.5个学分的学习任务，该课程主要以专业理论课与专业选修课知识体系为依托，以提高学生实践动手环节的能力为目标。

在当前我院师资有限的情况下，采用了教学小组协同教学方式，在有效地节约师资资源的同时，使学生学到更多的专业知识与技能[5]。每名教师可以在完成学校规定的年度教学工作量的前提下，将更多的精力投入到教学研究和科学研究工作中，从而更好地提高自身能力，提高教学和专业水平，同时参考职技高师学校的实践教学方法，逐步构建适合于普通高等院校的网络工程专业实践教学体系。

1.2 网络工程专业课程位置/变迁网

为了支持基于协同教学模式的授课任务有序开展，需要利用先进的信息化技术手段，支撑教学过程按照预定的课程大纲和计划合理进行。由于这些教学过程是一组发生在授课周期内的并发教学活动，故可参照描述并发系统行为的PETRI网概念，基于PETRI网的一个种类，即位置/变迁网(P/T Net),进而扩展为具有规范合理语义的工作流网(Workflow Net) ,即WF-net[6]。借助其重要的理论和关键技术支撑作用，并根据P/T Net的定义，可对网络工程专业实践必修课程授课过程给出以下定义：

定义1：网络工程专业课程位置/变迁网NEMC_P/T-net(Network Engineering Major Course Place/Transition net) 是由三元组(P，T，F)组成，其中：

(1)P是位置的集合，每个位置中最多包含一个由课程单元知识和待授课学生信息共同组成的资源；

(2)T是发生条件的集合，每个发生条件代表一位教师信息的授课任务，且位置的集合P与发生条件的集合T互不相同，即P∩T=Ø；

(3)F是位置与发生条件之间关系的集合，其是位置集合与发生条件集合的笛卡尔积，即F⊆(P×T)∪(T×P)。它代表了教师对学生完成了课程单元知识的授课任务，并将完成授课任务后的后续课程单元知识及相应的学生信息放置到后续相应的位置集合中。

2 协同教学模式的设计

2.1 实践必修类课程协同教学模式

课程单元主要指根据课程内容的系统性和相对独立性，把一门课程科学的分解为若干个独立模块，这些独立模块与相应的待授课学生的集合称为课程单元，课程所属的学院可根据自身师资现状，安排校内教师讲授有理论基础要求的课程单元，同时可安排企业外聘教师或有一定工程实践经验的校内教师讲授有前沿知识要求或实践动手能力要求的课程单元，双方协同工作，完成该课程教学任务。

通过上述方法可构建网络工程专业实践类课程的小组协同教学模式，并基于上一节提出网络工程专业课程位置/变迁网(NEMC_P/T-net)，建立相应的实践必修类课程工作流网模型来模拟分析授课任务完成过程的特征属性，为该专业同类课程的小组协同教学任务提供指导方法，并为该专业培养方案中的其他平台模块课程，包括专业必修课程和专业选修课程的小组协同教学任务提供一定的参考。以下基于NEMC_P/T-net，给出合理的实践必修类课程工作流网的定义。

2.2 合理的实践必修类课程工作流网

(1)N有一个开始位置i∈P；

(2)N有一个结束位置o∈P；

(4) 具有合理性，即：①N具有安全性，即任何时刻，N的所有位置中至多包含一个教学资源；②N恰当完成，即从开始位置i开始，当某个时刻的状态s包含结束位置o时，即o∈s；则状态s仅包含结束位置o，即s={o}；③N可以完成，即从开始位置i到达的任何一个状态s，N均可运行，直至达到结束状态s={o}；④N不包含无法执行的死任务，即从开始位置{i}开始，任何一个发生条件 都是可以被激活并完成执行的。

3“专业实训II”教学过程设计与分析

3.1 “专业实训II”协同教学模式

基于SCCP_WF-net，可将其应用到具体实践必修课程的教学过程中，例如以我院网络工程专业实践必修课“专业实训II”为例，该课程拟采用的协同教学模式是指在合理划分课程单元基础上，将校内教师和企业外聘教师视为目标课程教学资源系统中的主要师资要素或教学子系统，开展一系列的协同教学研究、备课、辅导以及学业评价等教学活动。根据网络工程专业培养方案，认真梳理“专业实训II”课程所包含的知识单元之间的相互关系，明确教学小组协同工作中需要解决的五个方面的问题，即确定共同教学任务、构建共享教学环境、建立教学通信机制、培养合作教学意识、协调小组内教师人际关系。

3.2 “专业实训II”结构化工作流网

根据上节提出的“专业实训II”协同教学模式，在规划具体实施方案时，应采用可靠的信息化技术保证实施方案的严格规划和执行，在这方面，可基于SCCP_WF-net，给出具有更加严格规范语义的合理的结构化工作流网定义，即：

定义3:合理的结构化实践必修类课程工作流网SSCCP_WF-net(Sound Structured Compulsory Course of Practice Workflow net)N=(P,T,F)是一个SCCP_WF-net，并满足以下条件：

(1)对所有位置p∈P和发生条件t∈T，若(p,t)∈F且p后面连接的边大于1，即|p·|>1，则有：到达t的边数必定为1，即|·t|=1；

(2)对所有位置p∈P和发生条件t∈T，若(p,t)∈F且t前面连接的边大于1，即|·t|>1，则有：到达p的边数必定为1，即|·p|=1；

(3)N不含有任何隐含位置。所谓隐含位置是指：假设N的初始标识状态为s，若存在一个位置p∈P，对于所有从s开始的可达状态s′∈[N,s>和发生条件t∈p·，满足以下条件：(s′≥·t{p}⟹(s′≥·t)，则p是N的一个隐含位置。

从定义3可以看出，SSCCP_WF-net是一种比SCCP_WF-net更具备严格语义规范的工作流网，以应用在“专业实训II”课程中为例，它的第一个条件规定：对于某个教学资源，若授课过程中存在多位教学任务执行者，即校内教师或校外指导教师，根据其自身授课条件，当竞争获得包含了课程知识单元和学生信息的教学资源时，则该校内教师或校外指导教师不得再对其他教学资源提出申请要求，从而避免出现多个教学资源的同步教学任务与对单个教学资源的竞争选择教学任务以混合出现的形式存在于该课程的教学过程中。这种严格规范的定义，有助于在设计该课程协同教学模式时，保证所有教学任务均可以清晰地反映它的预定行为特征，从而在整体上保证基于SSCCP_WF-net的“专业实训II”课程的教学过程是可以通过对其实际执行的行为日志进行过程挖掘，来分析验证该课程是否按照预定的教学模式开展实施教学活动的。

同样，它的第二个条件规定：若该课程授课过程中存在多个待授课的教学资源，需要某位教学任务执行者，即校内教师或校外指导教师，进行同步合并教学时，则所有这些教学资源均应来自于一位教学任务执行者，即消除了其来自于多位教学任务执行者的可能性。当然，不同的待授课的教学资源可以来自于不同的教学任务执行者。与第一个条件的目的类似，第二个条件也是为保证所有教学任务均可以清晰地反映它的预定行为特征。

第三个条件规定：该课程授课过程中不存在隐含位置。同样以应用在“专业实训II”课程中为例，在该课程任何时刻的教学过程中，通过观察发现以下现象：即某位教学任务执行者(以发生条件t为代表)为完成其教学任务，需要若干个的待授课的教学资源，如果此时观察到存在一个课程教学任务完成的状态，在不考虑该执行者要求的某个位置p中的教学资源的情况下，该状态仍然可以满足执行者完成其教学任务，那么我们将认定该位置p是该课程工作流网中的一个隐含位置。

对于隐含位置，要在课程教学结构化工作流网中避免出现，因为该类位置不能在该实践必修课程教学过程的行为日志记录中被显性地挖掘并体现出来，所以不利于验证课程实际教学过程是否完全符合预定的协同教学模式。

3.3 “专业实训II”教学过程挖掘

基于上述SSCCP_WF-net的定义，首先给出合理的“专业实训II”结构化工作流网，如图1所示。

图1基于SSCCP_WF-net的“专业实训II”结构化工作流网

图中，A,H,N教学任务由校内教师和校外企业指导教师共同完成，B,C,D,E,F,G,I,J,K,L,M十一个教学任务由“XX网络培训中心”与“北京XX Linux运维实战培训机构”校外指导教师完成。其中，i为开始位置，o为结束位置；A代表对当前班级学生完成预分配任务，根据开始位置i中的学生综合情况以及该课程整体知识划分方案，将学生划分为两组，第一组参加该课程有关“网络工程普通班”实训学习任务，第二组参加该课程有关“网络工程试点班”实训学习任务；B代表对第一组学生的HCNA网络基础模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务由负责“网络工程普通班”的校外教师I完成；在完成相关检验后，对第一组学生进行二次任务分配，将学生进一步划分为两个小组，第一小组参加该课程有关的HCNA基础路由实训(由负责C任务的校外教师I完成)，第二小组参加该课程有关的HCNA基础交换实训(由负责D任务的校外教师I完成)，由于HCNA基础路由与HCNA基础交换是俩个并行的模块，掌握其一即可下一阶段任务的学习；E代表对第一组学生的HCNP深度路由或交换模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务由负责“网络工程普通班”的校外教师II完成；F代表对第一组学生的HCNP综合能力扩展模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务由负责“网络工程普通班”的校外教师II完成；H代表对第一组学生的HCNP项目检验及最终考核，这项任务由负责“网络工程普通班”的校外教师I、II以及校内教师共同完成；在H完成以后，则“网络工程普通班”教学任务大体完成，进而等待发生条件N的发生。G代表对第二组学生的Linux基础模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务由负责“网络工程试点班”的校外教师III完成；I代表对第二组学生的Web集群架构模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务由负责“网络工程试点班”的校外教师III完成；在完成相关检验后，对第二组学生进行二次分配任务，将学生进一步划分为两个小组，第一小组参加该课程有关Mysql数据库实训学习任务(由负责J教学任务的校外教师完成)，第二小组参加该课程有关Shell编程实训学习任务(由负责K教学任务的校外教师完成)，由于Mysql数据库和Shell编程两个知识单元彼此的知识侧重点不同，但都需要具备对方知识单元的部分基础知识，因此对于本小组中缺乏对方知识单元基础的个别学生，负责J和K教学任务的校外教师可将这部分知识匮乏的个别学生交换给对方教师进行基础知识的补充学习，待学习结束后，再接收回来继续完成本知识单元的学习；L代表对第一组学生进行Mysql数据库或者Shell编程学习评价，给出平时实训成绩，这项任务也由校外教师III完成；M代表对第二组学生进行云计算模块进行相关检验并给出平时实训成绩，这项任务也由校外教师III完成；N代表校内教师和校外教师III共同对参加“专业实训II”的第二组学生进行课程结业答辩，共同给出每位学生的课程总成绩，至此所有学生完成了该课程的学习任务，完成学习任务的学生信息和该课程的授课过程性文档资料组成综合教学资源，进入结束位置o中，标志着该课程的教学活动结束。

为验证上述实际教学活动是否反映了图1中预定设计的“专业实训II”课程的教学计划，可以利用基本的过程挖掘算法，对图1中所示的“专业实训II”课程教学工作流网所产生的日志(如表1所示)进行过程挖掘，挖掘后产生的实际工作流网(WF-net)如图2所示[6]。

表1 基于SSCCP_WF-net的“专业实训II”任务执行日志

图2 过程挖掘得到的“专业实训II”工作流网(WF-net)

根据合理的结构化工作流网相关理论，如果该课程按照图1的预定协同教学模式完成教学活动，则图2应该与图1完全吻合，所不同的是图1与图2中相对应的位置名称是不同的，因为位置名称不出现在表1中，因此是不可能通过过程挖掘再现的，所以在图1和图2中没有标明任何位置的名称。

但是对比分析图1与图2的区别，仍然可以看到，相对于图1，图2缺少了J、K两个发生条件之间相关联的位置。具体分析原因，可以发现产生区别的原因是当前的过程挖掘算法属于基础算法，尚不能发现1步或2步的短循环任务之间的关系[6]。因此总结来看，应该查找该课程教学过程中是否完成了J、K发生条件相互交互的教学任务，如果完成了而没有记录到日志里，说明当前的挖掘算法依赖于完备的日志记录，且对短循环任务没有发现的能力。

4 结语

针对网络工程专业实践必修课程教学模式的设计及验证问题，本文以校内外教师协同教学模式为研究重点，采用合理的结构化工作流网理论模型，建立了符合实际情况的我院“专业实训II”的SSCCP_WF-net网模型，并根据日志记录采用过程挖掘方法产生的工作流网(WF-net)，对比分析了实际执行情况与预定的协同教学模式的差异和原因，可以得出如下结论：

(1)协同教学模式具有较高的执行度。图1是基于理想条件下的结构化工作流网，图2是基于教学日志产生的工作流网，通过两者对比，可看到图2相对于图1具有较好的拟合度，能较为准确的描述图1的工作流，因而具有较高的执行度。

(2)有效地提升了学生的学习兴趣以及综合能力。该“专业实训II”课程采用两个大的方向以及在大的方向内又细化为具体小目标。让学生有了更大的自由选择空间，并在完成每个小目标后都能切身感受到实实在在的提高。从而能从根本上激发学生的学习兴趣与学习热情，让学生主动学习、爱上学习。

(3)有效地减轻了校内教师的工作量，促进了教学科研工作的良性发展。从“专业实训II”开始到结束前这段时间内，校内教师处于相对轻松的教学任务状态，教师们可以总结以往的教学工作并投入更多的时间到科学研究工作中，从而更好地提高自身能力，提高理论教学水平和专业水平，进而从整体上促进学校教学科研工作的良性发展。

基于上述结论，后续我们将面向学生信息与课程知识单元，进行综合教学资源的数据结构设计，并采用高级过程挖掘算法,对信息技术在协同教学模式方面的应用，进行更深入的研究。