基于计算机网络课程的分层模块化教学模式的研究

姜珊，胡潇云

摘 要：在数字技术和信息交换主导的时代，计算机网络已成为一个重要的研究领域。随着网络系统的复杂性不断增长，用于教授计算机网络课程的教学方法必须不断发展，以满足不断变化的环境的需求。本文深入研究了计算机网络课程教学中的分层模块领域，着重探讨了分层模块化教学设计的实现方式，旨在评估其在提高学习成果和学生参与度方面的有效性。研究主要目的是调查基于分层模块的方法对计算机网络课程学习效果的影响。 这种方法旨在将复杂的网络概念和主题分解为可管理的模块，使每个模块都建立在前一个模块的基础上，再通过层次结构组织课程内容，为学生提供清晰且结构化的路径来掌握计算机网络的复杂性。

关键词：计算机网络；高等教育；分层模块化教学

引言

计算机网络（ComputerNetworking）课程分层模块化教学在近年来越来越受到关注和重视，它意味着将复杂的计算机网络课程分成多个模块，分别进行教学、评估、反馈和提高。模块化教学的优点在于它能够将庞大的计算机网络课程教学体系，划分为小型的层级和模块，在更易于教师设计教学和实验的同时，还可以适应不同学生的学习能力和学习兴趣。不同的教学模块也能够使学习更加灵活、高效、个性化和全面。在本文中将从需求、方法、效果等几个方面来阐述计算机网络课程分层模块化教学的重要性和优势。

1 分层模块化教学简介

本文中的分层模块化教学是从教育学理论角度而言的，这种分层教学的思想最早萌芽于春秋时期，由孔子的教学思想“因材施教”而来。直到进入19世纪60年代，以美国教育学家威廉·哈利斯（William T. Harris）为代表，提出了活动分团制（Banding），才有了分层教学的雏形。随后前苏联、美国等世界各地教育家、心理学家从不同的角度对分层教学进行了分析和研究，分层教学蓬勃发展，教学模式日益多样化。我国的分层教学理论和实践探索源于20世纪90年代，经过学者们的努力取得了一定的成效。但是在理论研究领域，国内学者多以隐性分层教学作为研究方向，即仍以班级授课为基础，综合把握学生的学习基础、学习兴趣和思维特点来划分层次，而在课程内容上的分层模块教学研究上较为薄弱。

从知识空间构成来看，分层化、模块化的教学加强了计算机相关专业学生的实践能力，构建了从网络协议到安全分析、从路由交换到云计算、从传统数据中心架构到软件定义数据中心模型的全方位、立体化的网络空间知识体系，它体现了专业发展的新趋势、新方向和新要求，将传统技术与专业领域前沿技术进行了适度结合，这类知识空间可将各个部分逻辑联系起来，使学生获得整体与连续的经验，强调将知识与技能、理解与能力、态度与价值观三个维度进行融合与统一，符合课程体系建构的整体性要求。此外，知识空间的核心知识体系有机联系，具有“高内聚、低耦合”的特性，重组后容易形成分层模块化课程体系。结合分层模块化的教学设计和教学质量评价机制的建立，可以为高校更好地培养计算机专业人才筑基铺路。

2 分层模块化教学研究设计和方法

2.1 针对计算机网络的模块化划分

在实际使用的计算机网络设计中，计算机网络的分层分模块化是非常普遍的，如图1-1所示。它的主要好处之一是它能使网络管理员能够更轻松地管理和维护大型网络。使用分层模块化方法，可以将网络划分为更小的部分，每个部分都有自己的一组网络设备，这使得识别和排除网络问题以及添加新设备或升级现有设备变得更加容易，而无需中断整个网络此外，如果网络的特定网段出现问题，可以将其隔离和修复，而不会影响网络的其余部分。

图1 计算机网络的模块化划分示例

Fig.1 Examples of modular pision of computer networks

在计算机网络教育方面，模块化教学可以作为一种有效的教学方法。通过将计算机网络概念和原理分成更小的模块，可以使学生更容易理解复杂的网络主题。在分层模块化教学方法下，学生可以利用他们掌握的每个模块的知识来了解模块之间如何相互作用以形成更大的网络，为构建更深层次的网络技能提供坚实的基础。

同时，分层模块化教学还可以满足不同学习者的需求和特点。在计算机网络领域，学生的知识水平和背景以及兴趣爱好存在较大差异，有些学生可能更喜欢理论知识，而有些学生则更擅长实践操作。模块化教学可以根据不同的学生特点和需求来设计各种模块，让每个学生都能够在自己擅长的方面得到更好的学习体验和成果。此外，模块化教学还能为不同类型学生间的学习交流提供更好的机会和平台，让每个学生都能够从不同的角度来理解和评价同一门课程。

2.2 针对计算机网络的分层划分

设计计算机网络课程架构是面临多项挑战的工作，特别是在时间、实用性、拓展性均至关重要的情况下。而计算机网络本身即有多种根据不同使用场景和要求的国际公认分层方法，如图1-

2为常见的三种计算机网络分层方法，（a）OSI体系、（b）TCP/IP体系以及（c）五层分层体系。通过参考计算机网络的分层方法，如从OSI模型底部的物理层或顶部的应用程序层开始设计过程，对于计算机网络课程的正常运行至关重要。在此本文以OSI模型为例，分析分层教学的两种方法。

图2 计算机网络通用分层方法

Fig.2 General layered method of computer network

方法一：自顶向下的方法，即从应用层开始，逐步下降层级，通过这种教学方法，学生将从组织的需求、所需的技术开始，然后自上而下地进行学习计算机网络的结构。由于应用层是起点，学生会首先分析在平时生活中能够碰到的应用和服务，从身边的软件和应用开始了解计算机网络，不但有助于激发学生学习兴趣，也有利于教师在教学过程中使用例如举例、论证等教学手段。

方法二：自下而上，即从 OSI 模型的物理层开始，然后向上一层一层进行教学活动。从计算机网络的根基——链路开始，逐步向上学习路由器、交换机、防火墙等等计算机网络的组成部件、支撑设备，更快速地了解计算机网络的专业知识，从下层能够提供的服务中，了解各层级之间的联系，并对计算机网络的架构有更深层级的理解。

通过将教学中的内容分层，可以设计协议以实现互操作性教学。而在分层教学中，“使用第n层的软件可以与运行在支持第n层的另一台计算机上的软件进行通信，而不管第n-1层、第n-2层等的详细信息”这样的条件，可以使学生在学习中，更简要地理解到各层级之间的主要知识，也更利于学生串联各层级之间地知识。例如，可以替换较低级别的层的设备，而无需修改或重新设计较高级别的层的结构，或者重新编译顶层所使用的应用软件。选择最适合学生需求的教学方法，对提高学生的学习兴趣和学习效果尤为重要，认识到每种方法的优缺点可以帮助教师选择满足学生需求的教学方法，辅以与之相匹配的教学手段，从而构建出完整的“以学生为中心”的教学体系。

3 分层模块化在计算机网络课程中的应用

在计算机网络课程的背景下，分层模块化的研究可以探索如何将这一原则应用于计算机网络的教学和学习。 教师可以将计算机网络庞杂的课程体系划分为更小的模块，如协议、路由算法、安全性和性能，进行分别教学后，再串联各模块的知识形成更大的相互作用的网络。

3.1  采用分层模块化教学的对比研究

此部分的研究主要分为调查分层模块化作为一种教学方法的有效性、构建模块的最佳方法以及如何评估学生的学习。另外，探索分层模块化方法如何适应不同级别的学习者和不同类型的网络也是一种研究方向。在研究阶段，研究选取了不同年级但学习同一门课程的计算机科学与技术专业学生175名，对计算机网络课程的两个中间章节做了分层模块化教学设计，并在结束时设计了相应的笔试试卷。试卷分为四个大题，闭卷考试后统计了学生笔试章节测试成绩以及学生对于此部分教学的反馈。其中本年采用分层式模块化教学学生86名，前一年内未采用模块化教学学生89名。以下为本次教学设计笔试结果与之前一年未采用分层模块化教学时的结果对比，其中，1班、2班为本年计算机网络课程学习学生，3班、4班为去年同课程同专业学生：

图3 分层模块化教学的对比研究笔试成绩结果图

Fig.3 Results of the written test of the hierarchical modularization teaching

3.2  学生反馈及结果分析

根据笔试成绩中的各大题得分率分析可知，同学们第一大题选择题上得分率相对比较高，第二大题判断题的得分率相对较低。1班、2班、3班和4班，卷面得分率分别为81.1%、87.2%、77.6%和76.9%。各班有一定的差异性，具体分析如下：

第一大题共20道小题，重点考核计算机网络基础知识点，专业术语及专业基本技能的掌握情况，为选择题，满分为40分，根据考试情况分析可知，分层分模块化教学在学生的基础性知识点方面有一定帮助，学生掌握较好。

第二大题共10道小题，重点考核计算机网络各种协议的不同特点及相关对比等方面的知识，为判断题目，满分为10分，平均得分在6分左右。根据考试情况可以看出，分层分模块化教学在需要通过进一步分析才能得出正确答案的题目或需要计算的题目的帮助并不显著，原因为此类部分题目的判断不仅依赖于学生对基础概念有很强的理解，还有是否大量练习以及考试时的沉着冷静等因素的影响。

第三大题共5道小题，重点考核计算机网络基本概念、基本协议的作用、网络地址等相关基础知识，满分为30分。分层模块化教学的1、2班表现优于未进行分层模块化教学的3、4班，3、4班对相关知识点掌握尚有欠缺，解决问题的能力还有待提高。

第四大题共2道小题，重点考核计算机网络技术中IP地址和子网划分的相关技巧以及TCP拥塞控制知识，满分为20分。得分情况各班具有差异性，基本所有采用分层式模块化

教学的同学都对这部分知识有了理解和认识，从卷面最后的计算题可以看出，学生存在“会计算方式，但仍然粗心大意”等不同原因导致出错的情况。

总体而言，分层分模块化教学在学生的基础性知识点掌握和知识点串联方面有一定帮助，基于计算机网络课程的分层模块化研究具有提高计算机网络教学效果和效率的潜力。

3.3  研究的局限性和对未来研究的建议

网络教学需要平衡理论概念和实践活动，帮助学习者从系统层过渡到实施层。支持计算机网络的理论过于抽象，如果没有实际例子就无法理解，但仅靠实践活动无法更深入地理解支持功能齐全的网络的原理和协议。这种分类需要提供了一系列可以在课堂环境中尝试的方法，支持教学工作在理论与实践之间取得平衡：

使用网络模拟器：网络模拟器帮助学习者在无风险的虚拟环境中设计、配置和比较网络拓扑。然后可以测试网络设计的性能、带宽和延迟，并根据需要进行修改。网络模拟工具的示例包括Cisco的Packet Tracer和华为的eNSP。

使用多媒体和动画：使用高质量的视频内容为学习者提供网络活动的直观概述。例如，动画可以显示数据传输过程中所采取的一些路径，图像可以说明数据报的不同部分，包括页眉和页脚。

使用网络监控工具：网络监控工具提供有关现实世界网络的可见信息，帮助学习者更好地理解通过网络路由数据的过程。此信息可用作诊断工具，以批判性地思考数据传输中的错误或更好地理解网络层之间的数据包交换的行为。这些工具的使用取决于网络安全设置，但即使是基本的 Windows 命令也可以提供有关跨网络数据的速度和路由的有趣学习点。

4 结论及分析

首先，分层模块化教学可以满足不同学习者的需求和特点。模块化教学可以根据不同的学生特点和需求来设计各种模块，让每个学生都能够在自己擅长的方面得到更好的学习体验和成果。此外，模块化教学还能为不同类型学生间的学习交流提供更好的机会和平台，让每个学生都能够从不同的角度来理解和评价同一门课程。

其次，分层模块化教学有利于提高学生的学习效果和成就。通过将计算机网络课程分成不同的模块，教师可以更好地评估和反馈每个学生的学习进展和学习成果，及时发现并帮助解决学习中的问题和困难。同时，学生也可以根据自己的学习进度和兴趣来选择和完成不同的学习模块，从而提高自身的成就感和学习效果。此外，模块化教学还可以提供更多的实践机会和项目案例，帮助学生把知识应用到实践中，进一步巩固和提高自己的知识迁移能力和实际操作水平。

最后，分层模块化教学可以提高计算机网络课程的教学质量和教学效率。在传统的计算机网络课程教学中，学生经常面临的问题是时间分配不合理、学习进度慢或无法满足学习需求。通过采用分层模块化教学，教师和学生可以更加有效地规划和安排自己的学习时间和任务，避免了传统教学模式的时间浪费和效率低下问题。此外，分层模块化教学还鼓励学生主动探索和发现知识，激发学生的学习热情和主动性，从而进一步提高课程的教学质量和效率。

5 结束语

随着技术和社会的不断更新和发展，计算机网络课程的学习方式和教学模式也需要不断迭代创新，以适应社会行业发展的真实需求。通过分层模块化教学的方式，探索和优化计算机网络课程的教学内容和形式，可以更好地适应学生多样化的学习需求和社会日新月异的发展需求，为培养更优质的计算机类专业高水平人才添砖加瓦。希望教育界、科研界和社会各个方面能够共同关注和推动模块化教学的推广和发展，从而促进计算机网络知识普及、提高人才素质和推动社会繁荣发展。

参考文献

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