计算机网络线上实验教学改革与实践

谢剑刚　肖小红　薛云兰

关键词：计算机网络；线上教学；实验教学；新一代信息技术

中图分类号：G642 文献标识码：A

1概述

计算机网络是工科类专业普遍开设的重要课程，对实践教学有较高的要求。随着线上教学的蓬勃发展，计算机网络线上实验教学的优势得到了越来越多的教师的认可，线上实验教学成果不断涌现，线上线下混合式教学模式的实践也取得了丰硕的成果…。线上线下教学正以多种形式相互联合，优势互补，达到了良好的教学效果。然而由于不确定因素的影响，纯粹的线上实验教学需求仍然强烈，针对线上实验教学研究仍然存在较多不足，线上实验教学模式创新研究还有很大的潜力。

云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术被广泛应用到计算机网络线上实验教学中。杨昌尧等研究了大数据和人工智能技术在计算机网络中的应用。李佩论证了计算机网络实践教学中的质量指标评价体系创新的重要性。王国珲等利用深度学习方法对学生学习专注度进行了分析，类似研究在线上教学中可以发挥比线下更大的作用。

教学中融入课程思政是为国家培养德才兼备人才的必要保障。唐欣等研究了计算机网络知识点如何切入课程思政元素，并对教学效果进行了反思。丁琳等分析了计算机网络课程专业内容与思想政治教育内容之间的融合点。刘金江等分析了计算机网络课程思政对塑造大学生正确三观，对维护国家安全和经济稳定的重要意义。

2在线实验教学面临的问题

线上试验教学有着与线下教学或线上线下混合式教学有较明显的差异，线下或混合式教学的经验无法照搬到线上教学中。受限于信息技术水平，在计算机网络线上教育中，实验教学一直是一个难点，面临诸多问题的挑战。

2.1教学场景分离

教学师生往往同时面临学习时间不一致、学习地点不一致、实验环境不一致等问题，对实验教学带来了很大的不确定性，学生和教师往往无所适从，教学质量难以把握。

2.2教师指导难度大，反馈不及时

在线实验教学给教学反馈增加了很大难度。老师通常难以实时把握学生的学习进度，更难以即时对学生学习过程中遇到的各种问题给予反馈。即便采取线上线下交融的学习方式，也很难达到线下面对面教学的指导效果。

另外一方面，线上教育的生师比往往要比传统的面授实验教学大得多，即使没有时间、地点、实验环境同步的困难，教师往往也面临更大的实验指导工作压力。

2.3学习记录缺少过程性数据

过程性数据是线上实验教学的重要补充。如果没有过程性数据，教师就只能从学生的实验结果或实验报告来了解学生的学习效果。对于完成实验任务有困难的学生，难以了解出现错误的具体原因，也就无法给予针对性指导，对于网上找答案等行为也很难进行判断和监督。

2.4学习评价体系单一

传统的以教师评分为主的单一评价方式，对于线上实验教学而言是不够完善的。对学生的学习情况进行评价，应该形成多角度全方位的系统评价标准，综合考虑学生学习环节的参与程度、完成情况、完成速度、进步情况等多种因素。

学习评价体系还应当能给教师的教学活动、教学设置等给予合理的反馈和改进建议。例如，根据各个知识点的综合掌握程度调整实验难度，根据实验平均完成时间调整实验内容数量，根据实验错误反馈动态调整讲解的重难点等。

3引入新一代信息技术

借助云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，有效改善计算机网络课程线上实验教学中的众多难点。

3.1云计算技术

云计算和虚拟化技术的发展，使得计算机网络课程在线实验教学成为可能，线上教学需求促使实验教学逐步从实体实验室往云平台乃至于公有云平台方向转变，成为实体实验室的有益补充。云实验平台能够有效解决实体实验室的制约，使学生能够随时随地访问实验资源，使得课程实验资源的利用率有大幅度的提高。然而由于实体实验室和实验云平台先天上存在的差异性，基于云计算的课程实验资源并不是直接把线下实验资源迁移到云平台就能完全适用的，还需要根据云平台的特性，重新设计基于云计算平台的虚拟化实验方案。一方面，云计算给实验教学带来了很大的便利；但另一方面，云平台实验也存在一些缺陷，如师生教学场景割裂、监督反馈困难等，需要引入智能技术予以缓解。

3.2大数据技术

数据已成为国家基础性战略资源，大数据正日益对全球生产、流通、分配、消费活动以及经济运行机制、社会生活方式和国家治理能力产生重要影响。国务院2015年印发《促进大数据发展行动纲要》，2016年将大数据战略纳入“十三五”规划，充分表明了国家对大数据的重视程度。在计算机网络课程线上实验教學中引入大数据技术，对于建立科学高效、高质量、高精度的学习效果评价体系至关重要。传统的实验教学学习效果评估主要是通过对实验结果进行评分，往往缺乏过程性评价指标，难以对学生的疑难进行必要的引导。引入大数据技术能极大提升在线实验教学效果，大数据技术从源头人手，采集过程性数据，并根据实时数据分析数据对学生进行针对性指导，对过程性错误及时进行反馈和纠正，实现帮助学生掌握关键知识点的教学目标。

3.3人工智能技术

随着深度学习诸如计算机视觉、语音识别和自然语言处理等领域取得了突破性的进展，人工智能与学校教育的深度融合已经逐渐成为重要的发展趋势。祝士明等从课前、课中、课后三个方面讨论了深度融入智能技术的金课框架。赵沁平院士指出人工智能能从三个方面支持智能教育：一是虚拟对象智能化；二是交互方式智能化；三是虚拟现实内容研发与生产智能化。智能技术的应用范围覆盖了不同学段和不同学科，并体现出很强的针对性。在学段覆盖上，智能技术的使用覆盖了基础教育、高等教育和职业教育在内的各个学段。在基础教育阶段，沉浸式媒体（包括虚拟现实技术、增强现实技术和仿真模拟技术）的应用得到了持续的关注；在高等教育阶段，智能技术应用更为广泛，智能跟踪测评、智能教学评价反馈、基于自然语言处理的智能导学系统都是研究热点；在教学使用场景方面，智能技术的使用涉及了教学中的各个环节，包括教学过程、教学评价以及教学管理。

4融入智能技术的意义

在计算机网络课程实验教学中融入智能技术，不仅能够提升教学效果和学生的学习积极性，还能在很大程度上缓解线上实验教学中存在的若干不足，具有重大意义。

4.1创新教学模式

基于云计算和虚拟化技术的线上实验教学，使得学生能非常方便地在云端的统一实验环境上随时进行实验，从根本上解决了教学场景分离带来的学习时间不一致、学习地点不一致、实验环境不一致等实验难题。这种创新的教学模式带来了极大的便利，但构建云实训环境、使用云平台也对教师提出了更多的要求，需要对线下教学的传统模式进行大量改造。

4.2提升教学反馈效率

基于自动化脚本和大数据分析的教学反馈机制可以把学生的学习进度、重难点等数据反馈给教师，让网络两端的师生能更好地交流；还能通过预设程序自动给予学生操作提示、错误反馈和实验步骤方面的指导。这将大大改善线上实验教学反馈途径缺乏、不及时等问题，提升学习效率。

4.3建立科学的学习评价体系

对过程数据进行批量采集，结合大数据分析、人工智能等技术，能够有效改变过去以教师评分为主的学习评价体系，把能反映学生的学习过程、学习态度、知识掌握程度等数据都纳入学习评价中，建立科学高效的新型学习评价体系。

4.4促进教学改革

在线上实验教学中引入云计算、大数据分析、人工智能等新一代信息技术，给线上实验教学带来便利性和更高的效率的同时，也必将引导更多教师参与其中，促进能发挥先进技术特点和优势的新教学模式研究。

5计算机网络课程实验改革实践

5.1教學内容改革

全面分析典型的计算机网络实际应用案例，并结合计算机网络课程的实验教学内容与线上实验云平台的实验条件和特性，对已有实验教学内容进行适应性改造或重新设计新的实验任务，形成一套合理科学、难度适中的线上实验任务体系。对实验文档进行完善，把原来主要通过教师演示教学的内容转变为详细步骤说明，其中的重点或难点内容直接转变成微课视频的形式，嵌入实验文档中，作为教师无法现场演示的补充。主要开设的实验内容如表1。

所开设实践任务，既有基础的常用网络诊断命令，又有偏理论化的协议分析实验，还有理论和实践相结合的组网和网络设备配置以及服务器配置实验。总体难度系数适中，基本达到了计算机网络课程理论和实践相辅相成的目标。

5.2课程思政融入

学习计算机网络课程的学生在理工科院校覆盖面相当广，因此，研究如何在计算机网络课程中融入课程思政内容具有重要的意义。

以恰当的方式在计算机网络实验教学中引入课程思政内容尤为重要。课程思政选取的知识点，一方面应与课程内容密切相关，不仅能够拓展学生的知识面，还能够激发学生的学习兴趣，鼓励学生克服困难，培养工匠精神；另一方面还要具有先进性和代表性，在学习的同时还要能激发学生热爱祖国、热爱人民、热爱生活等积极向上的精神面貌。

经过集思广益，教研组共同制定了计算机网络课程思政融入内容，具体见表2：

课程思政融入内容以国内计算机网络相关产业的高精尖技术为纽带，结合国际形势和国内发展现状，重点介绍各项国际领先水平网络技术的发展历程，根据选题不同有选择地融入国家安全、中华民族伟大复兴等内容。实践表明，课程思政选题在达成培养学生国家、民族荣誉感、工匠精神等思政目标的同时，也达到较好的知识点拓展效果，提高了学生的学习兴趣和学习积极性。

结语

云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的引入是计算机网络课程实验教学的一次重大变革，新技术带来进步的同时也迫使教学模式必须随之而做出大幅改变，这给教师们带来了新的挑战。本文对计算机网络线上实验教学的改革探索取得了良好的教学效果，积累了一定的实践经验，但也存在一些不足。我们相信在线实验教学仍有很大的潜力和发展空间，将继续对教学模式进行改革和完善。

作者简介：谢剑刚（1979— ），男，广东韶关人，博士，讲师，研究方向：并行计算、大数据。