“自顶向下”教学模式的创新性应用<br/>——以《计算机网络》教学理念在智慧农业专业实践为例

“自顶向下”教学模式的创新性应用
——以《计算机网络》教学理念在智慧农业专业实践为例

2021-03-11王辉

智慧农业导刊 2021年2期

王辉

（北京交通大学清河职业学院，北京 100085）

美国著名教育家杜威认为最成功的教学方法就是“让学生去做事情，从做中学”。将“从做中学、从实践应用中学”的理念运用到计算机网络教学中，实际上就是遵循“自顶向下”的原则，就是以学生为中心、以问题为主导，将原本复杂问题细化分解为多个小问题，在解决问题的过程中自主学习，帮助学生更好地领会知识细节，引导学生全面梳理知识框架。[1]因此将“自顶向下”的教学思路贯穿于整个课程实践尤显必要。本研究试图探讨“自顶向下”教学模式是否能在课程实践中提高教学质量和学习效果，以及如何在智慧农业专业等教学实践中创新性地应用“自顶向下”教学模式。

全文的整体篇章结构具体安排如下：第一部分剖析了传统教学模式存在的瓶颈问题；第二部分廓清研究框架并梳理研究思路，界定了“自顶向下”的教学模式，假设“自顶向下”教学模式是否显著提高了教学质量和学习效果；第三部分通过传统教学模式与“自顶向下”教学模式间的对比，得出研究结论：“自顶向下”教学模式不仅激发了学生的学习兴趣，而且提高了《计算机网络》的教学质量；第四部分针对“如何充分运用计算机与网络集成技术、将‘自顶向下’教学模式的理念创新性地应用到智慧农业专业等教学实践中去”，提出了有价值的富于针对性的方案和建议，促使农业专业等传统教学更具有“智慧”。

1 问题的提出

随着互联网技术、产业应用以及跨界融合等方面日新月异的发展，传统教学模式的瓶颈也愈来愈突显。首先，传统的教学模式忽视了开展网络教学需秉持理论密切联系实践、原理密切联系应用的理念。应用实践性是计算机网络原理课区别于其它理论性课程的重要标志，而且TCP/IP协议等基础理论只有在实践中才能得以验证。目前，计算机网络技术的应用环境基本来源于Internet，Internet已成为一切计算机网络技术的实践背景和应用基础。实际上，传统的教学模式某种程度上并未能避免理论和Internet应用实践之间的脱节。比如，包括Andrew S.Tanenbaum所编著的《Computer Networks》[2]在内的很多教材皆将“可靠性传输”这一计算机网络教学中最重要的理论编排在数据链路层中进行讨论，可当讲授到运输层TCP的可靠性传输时，却由于理论的相似性被一带而过。以Internet实践环境中被广泛应用的Ethernet为例，其数据链路层并不提供可靠性传输，可靠性传输仅在运输层的TCP中才提供。这一个典型实例充分说明了传统教学模式忽视了Internet的应用环境。其二，传统的教学模式过分局限于底层实现的具体细节。尤其在高职阶段现有课时的安排下，过分局限于底层实现的具体细节势必造成重点内容不够突出等一系列问题。其三，传统的教学模式过于强调通信原理等基础类理论的高储备，而在教学计划中计算机专业的学生却大多不开设通信原理类课程，这无形中过度提升了学生需储备基础类理论的要求。[3]最后，由于现代计算机网络体系结构的迅速演进，高度集成的计算机硬件体系对于学生来说并不直观，传统的教学模式并不能帮助学生快速地从网络底层向高层建构起知识图谱。[4]而且，传统的计算机网络教学先从原理讲起的模式导致学生感觉所学内容晦涩难懂，不易调动学生自主学习的积极性。

2 研究思路与设计

2.1 何谓“自顶向下”教学模式

传统教学模式一般是从网络体系结构的最底层即物理层开始向上，最后讨论应用层。而“自顶向下”教学模式是以自顶向下的方式来讲授网络，也就是按照OSI参考模型的自上而下的顺序，先从应用层开始向下到表示层→会话层→运输层→网络层→链路层一直到物理层，层层解析，逐步探讨网络应用系统的设计方法和实现技术（如图 1）。[3，5]

图1 “自顶向下”教学法

在教学内容的规划安排上，“自顶向下”教学模式意味着将课程的重点明确在以应用层与传输层为基础的网络高层，注重基于应用层的编程和案例，促使学生在网络应用系统环境中学习、重构与创新。在教学实践中，教师运用“应用驱动”方法来构建整个教学过程，讲授核心网络概念，即通过讲解计算机网络应用体系的主要功能和概念，完成具体的设计任务。[5]在学习过程中，学生按具体的任务要求去自主设计与实现网络应用体系的主要内容，以此来培养学生提出问题、依据网络应用的原理分析问题并解决问题的能力。[6]

2.2 研究假设

H0：“自顶向下”教学模式显著提高了教学质量和学习效果

对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生兴趣与主动学习愿望的影响，对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生考试成绩的影响。如果“自顶向下”教学模式将常用的网络实践与其背后的原理相结合，拓展延伸了学生知识的广度和深度，强化了学生应用技巧和维护技能，说明“自顶向下”教学模式进一步提高了教学质量和学习效果。

H1：“自顶向下”教学模式没有显著提高教学质量和学习效果

对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生兴趣与主动学习愿望的影响，对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生考试成绩的影响。如果“自顶向下”教学模式将常用的网络实践与其背后的原理相结合，没有拓展延伸学生知识的广度和深度，没有强化学生应用技巧和维护技能，说明“自顶向下”教学模式没有进一步提高教学质量和学习效果。

2.3 数据来源

本研究面向北京交通大学清河职业学院计算机应用技术系的专业（1）班和专业（2）班（两个班级授课老师相同、考试试卷相同、学生总体情况相似，即两个班级仅采用的教学方法不同）分别发放调查问卷，有效问卷回收率为98%。

3 实证得出研究结论

调查问卷以课堂上是否积极思考回答问题，是否积极复习、预习，是否积极阅读课外参考书等来衡量主动学习愿望的程度。由图2可见，采用“自顶向下”教学模式的学生学习计算机网络的兴趣更浓、主动性更强、积极性更高，主动学习愿望强烈，占比15%，是采取传统教学法的5倍；采用“自顶向下”教学模式，使58%的学生能在课上积极回答问题或能积极复习、预习或阅读计算机网络方面的参考书，比采用传统教学模式提高了25%；而64%的学生由于采用传统教学模式，主动学习的愿望不高，基本处于一种被检查、被督促的被动学习状态下，尤其随着教学的深入，被动学习的学生比例越来越高。

图2 对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生兴趣与主动学习愿望的影响

由图3可见，采取传统教学模式的班级的考试成绩优秀率为4%，仅是采用“自顶向下”教学模式的班级考试成绩优秀率（10%）的2/5；在考试成绩优良率方面，采取传统教学模式的班级为38%，也仅是采用“自顶向下”教学模式班级的60%；而在对比及格率和不及格率方面，运用传统教学模式的班级分别为40%和18%，而采取“自顶向下”教学模式的班级分别为29%和1%，均远低于采用传统教学模式的班级，即采取传统教学模式的班级里中等以下成绩的学生占到将近60%，而采用“自顶向下”教学模式的班级里成绩在中等以下的学生占比30%，仅是采取传统教学模式的50%。可见，采用“自顶向下”教学模式提高了学生考试成绩，说明“自顶向下”教学模式有益于学生熟练掌握计算机网络的基本知识和技能。

图3 对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生考试成绩的影响

研究发现：对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生兴趣与主动学习愿望的影响，对比传统教学模式与“自顶向下”教学模式对学生考试成绩的影响。经过统计分析数据，发现采用“自顶向下”教学模式的学生学习计算机与网络集成技术的兴趣度更高而且主动学习的愿望也更强烈。这是由于大多数学生已经对网上冲浪、收发电子邮件、上传与下载等应用层有了感性认知，如果从这些日常熟悉的应用领域着手，学生为了更熟练掌握其使用技巧，会对现象背后的技术实现产生浓厚的兴趣并自主探索、比对、辨析以及归纳，学生通过感性认知串联情境脉络与社会实践，从经验中提炼总结操作技巧，整合凝练相关概念并领会网络专业术语，逐步探索并理解其内部原理，并在练习过程中产生强烈的成就感，继而提高了学习的积极性，激发了学生自主学习的内在潜力，从而取得了良好的自学效果，因此学业考试成绩也表现得更优秀。

验证假设H0：“自顶向下”教学模式显著提高了教学质量和学习效果

研究结论：由此可见，“自顶向下”教学模式将日常的网络应用、常用的网络实践与其背后的理论、原理有机地结合起来，在很大程度上激发了学生的学习兴趣和主动学习的积极性，拓宽了视野与知识面，延伸了学生知识的广度和深度，强化了学生应用技巧和维护技能，提高了学习效果，从而拓展了综合素养，获得了良好的教学效果，对于提高计算机网络课程教学质量具有重要意义。

4 创新性应用“自顶向下”教学模式的若干探讨

4.1 遵循认知规律，贯彻逐层分解的教学思路

首先，从项目案例入手，结合应用场景，自上而下逐级分析、环环相扣、步步推进、层层深入，有针对性的逐层延伸细化到每一知识点并探究其内部基本原理，再将与各层有关联的概念串接整合起来，通过加深学生对于各部分间关系的理解，从而建构起为达到教学目标所需的知识框架和理论体系。这种“自顶向下”的方法遵循了提出问题-分析问题-解决问题的规律，符合先熟练应用再分析原理的思路。比如，在讲授应用层时，从可适用于应用程序的运输服务以及因特网提供的搜索引擎等服务入手，可以增设教师和学生间的互动环节，之后再关注应用层协议的规范、运行机理以及相关原理。

4.2 注重自主开发应用，提高解决问题的能力以及动手实践技能

情感态度、职业技能、理念模式等皆可归为缄默知识，与显性知识相比，缄默知识常常隐匿于社会生活和实践应用中，是一种集自我体会、经验提炼、感性顿悟、诀窍归纳于一体的隐性知识。教师在教学中应不断激励学生自主感知，获取显性知识和缄默知识，引导学生在练中求学、学中求练、边练边学，力求学得会、用得上，即学以致用，以达到较好的实践效果，确实做到理论与实践相结合，用实践验证理论，用理论指导实践。比如，以学生解决校园网络冲突、网速慢、经常掉线的问题为例，首先分析现象存在的原因，然后提出可行方案，最后设计网络布局，优化网络线路。在这一实践过程中，学生能积极查找有关文献、参考书，开展分析讨论，进一步找到问题的症结，确定实施方案所需的条件，提高了动手动脑协同解决问题的能力。

4.3 树立基于“互联网+”的创新思维，培养新时代创新型人才

李克强总理在政府工作报告中提到了“互联网+”战略，“互联网+”不仅深刻影响着经济、社会与人们生活，更意味着思维方式的全新变革。有关研究认为，创新思维是产生前所未有的新成果、达到新认知水平的思维，是对一般思维的更高要求。[7]在计算机网络应用教学中，“自顶向下”教学模式以学生需求为圆心、以应用为半径，通过引导学生主动查找资料，利用计算机与网络集成技术获取、表示、存储及传输知识，实现多层次处理并解决现实问题，有益于学生培养互联网多维思维，有益于培养学生的自主学习和网络应用能力，有益于提升学生的信息素养和创新能力。

4.4 创新教学模式，将“自顶向下”理念融入智慧农业专业

深刻领悟近些年中共中央一号文件精神和习近平总书记“以科技为支撑走内涵式现代农业发展道路”讲话的时代精神，牢牢抓紧“互联网+”现代智慧农业战略转型的机遇期，可以说，重中之重是要努力实践“互联网+”思维，积极通过创新教学模式，大力培养智慧农业领域的专业人才。本文分析认为，真正的信息化教学应该是润物细无声的、潜移默化的，无需枯燥繁难的教学过程，而需一见即懂、一用即高效，这可以认为是发展智慧农业教学的最初设想，也可以认为是实现“自顶向下”教学理念融入智慧农业等领域的最佳效果。

4.5 依据学生特点，因材施教

由于计算机专业的本科生和高职生自身具有的特点不同，本科生理论基础更扎实些，而高职学生动手操作的能力更强一些，而且本科生和高职生培养目标也不尽相同，因此在教学内容的选择和教学形式的运用方面更需要有针对性。例如，对于高职生，更应该淡化对网络底层中难以理解的专业术语和原理的关注，重点在于如何运用计算机网络的基础理论和核心技术指导设计实验。因此，采用“自顶向下”的教学模式，有助于引导学生自主选择适合其特点的教学内容，促使整个教学过程更个性化。