改進型翻轉課堂網絡安全技術游戲化教學研究

羅智勇, 唐遠新, 蘇 潔, 齊宏卓

(哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院, 黑龍江 哈爾濱 150080)

改進型翻轉課堂網絡安全技術游戲化教學研究

羅智勇, 唐遠新, 蘇 潔, 齊宏卓

(哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院, 黑龍江 哈爾濱 150080)

網絡安全技術相關原理及概念枯燥難懂,該文在以往研究的基礎上,設計了一個改進的“翻轉課堂”游戲化教學模型。該模型將傳統“翻轉課堂”教學環節優化為課前、課中、課后和假期復習4個階段,進一步加深了學生對重要知識點的理解。同時,新模型還引入了游戲化教學理念,進一步激發了學生的學習興趣。實踐表明,改進后的教學模型在提高學生解決實際問題的能力、學習成績和長期掌握相關原理及概念等方面都有一定的優勢。

翻轉課堂； 自主學習； 網絡安全技術； 游戲化教學

隨著“云計算”“互聯網+”等新技術的不斷出現,教育信息化也變得越來越引起廣大教育工作者的重視。科學地將新興網絡技術應用到目前的教學活動中,不僅能豐富現有的教學手段促進教學改革,而且還能推動我國的教學模式與世界接軌,朝著更有利于學生學習的方向發展。根據《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》[1]的文件精神,國內各高等院校紛紛將現代信息技術應用到各自的教學活動中,基本上都建立了以學生“自學為主,教師為輔”的教學體系結構,通過應用“微視頻”“翻轉課堂”等新的教學模式達到提高教學質量的目的。

“網絡安全技術”課程具備操作性和工程性強等特點[2]，因此,該門課程的教學既要讓學生驗證枯燥的理論知識,又要讓學生設計出富有創造性的網絡安全解決方案,這在傳統的授課方式中顯得有些力不從心,難以達到理想的教學目標。將改進后的“翻轉課堂”的教學模式應用到本門課程的教學環節中,不僅可以完善現有的教學方法,還可以提高學生自學能力,若再引入“游戲化”教學手段,則更可以激發學生的學習興趣。

1 改進型翻轉課堂

1.1 翻轉課堂的內涵及其研究現狀

翻轉課堂(flipped classroom)是2007年由美國教師喬納森·伯爾曼(Jonathan Bergmann)和亞倫·薩姆斯(Aaron Sams)最早提出的,它將整個教學環節分成了3個部分,即課前、課中和課后,其中課前教學主要讓學生通過觀看教師精心準備的微視頻來達到自學的目的；課中教學主要以學生為主,教師進行答疑解惑并精講知識點；課后教學用于總結,給出學生自學能力的科學評價。英特爾全球教育總監Brian Gonzalez曾指出:“翻轉課堂可以給予求學者更多的學習自由,將授課過程放在課余時間進行,可讓求學者以最適合自己的方式來接受知識點；在課上進行知識的內化更便于師生及生生間的交流,更便于知識的掌握。”[3]美國教育專家StaceyRoshan曾將翻轉課堂應用在大學預修課程的教學實踐中,進一步驗證了翻轉課堂開展的有效性[4]。

我國對翻轉課堂的研究是從2012年開始的[5],目前仍屬于新興事物,最具代表性的應用是重慶聚奎中學的翻轉課堂教學實驗。之后的幾年里,國內對翻轉課堂的研究快速增長,相關的研究文獻也逐漸增多,尤其是2014年成功舉辦的首屆全國高等院校“翻轉課堂”微視頻教學大賽,更是將“翻轉課堂”的教學理念推向了頂峰,極大地引起了國內各高校的重視。從目前統計的相關文獻可知,“翻轉課堂”的教學模式主要應用在基礎教育階段,在高等院校,尤其是工科院校專業課的應用還主要集中在操作系統[6]、電子政務[7]、化學[8]和現代教育技術[9-11]等課程。隨著上海高校共享課程平臺的建設,多門跨高校的MOOCs課程被陸續推出,為各院校學生互選該地區高校的優秀課程提供了方便,打破了高校間學習的界限[12]。經研究,在操作性和實踐性強的專業課教學環節中開展翻轉課堂教學能有效地激發學生的學習興趣,提高其自學能力、組織能力和實踐能力[13]。

1.2 傳統翻轉課堂存在的問題

我國有關“翻轉課堂”的研究文獻是從2012年開始的,綜合現有的研究,發現傳統“翻轉課堂”的實施存在如下的問題[14]:

(1) 翻轉課堂需要消耗學生大量的業余時間,所以每個學年開設的翻轉課堂門數不易過多。如果再沒有一個合理的激發學生學習興趣的機制,將難以保證課前的準備效果。

(2) 翻轉課堂需要使用計算機網絡教學平臺,增加了計算機操作水平不高的學生熟悉軟件的工作量,影響了他們的積極性。

(3) 翻轉課堂對教師的教學能力提出了更高的要求,改變了以往傳統教學的組織模式,這對于部分老教師或經驗不足的新教師都是新的挑戰。

(4) 翻轉課堂需要新的教學改革與評價機制,現有評價機制不能滿足這方面的要求。評價機制的改革包括2方面,一方面是評價教師教學能力及獎勵的改革,另一方面是評價學生學習能力的改革。前者將影響教師駕馭課堂的能力及積極性,后者將影響學生參與教學的熱情。如果這2方面的評價機制不健全,將直接影響翻轉課堂的實施效果。

2 網絡安全技術教學的現狀

2.1 教學存在的問題

網絡安全技術課程是訓練學生從事物聯網及Web安全保障能力的重要手段之一,然而,通過走訪、調研及多年的教學研究發現,目前本門課程的教學情況至少存在以下的問題[2]:

(1) 教學模式單一,缺少激發學生學習興趣的機制。目前,大多數院校的網絡安全技術仍采用傳統、單一的案例示范教學模式，由教師給出案例的全部操作流程,學生只需按流程進行案例的再現、完成教師布置的任務。這種教學模式不能激發學生自主學習的興趣,學生還是在分數的壓力下完成被動學習的過程。

(2) 學時不足,無法進行完整的案例教學。目前,越來越多的院校已經加大了對學時的投入。以我校為例,網絡安全技術課程的學時已從過去的54學時增加至64學時。但是,由于本門課程的特點,若要完成一次網絡安全案例的成功應用,學生就必須完成安全需求分析、方案設計、程序代碼開發或防護工具選擇、調試及安裝部署等工作,顯然64學時的優勢不夠,最終導致教學成效縮水,失去了案例教學模式的優勢。

(3) 教學內容的制定過于呆板,缺乏學生自主制定實踐的創新性。目前,絕大多數網絡安全技術課程內容固定,不允許學生自主制定題目,也必須要求學生按照教學步驟來實現案例重現。這就限制了學生的思路,不利于學生自主創新。

(4) 教學模式陳舊,缺乏師生互動機制。由于教學條件的限制,往往一名教師面對至少30名學生,教師難以全面指導每名學生。而且學生之間由于缺乏相互配合的機制,也出現溝通不足的現象。因此在做案例的時候,好學生忙于完成,差學生根本不做,影響了教學效果。

(5) 考核方法單一,無法反映學生真實能力。目前,大多數教室的計算機都安裝了還原卡,導致學生在完成案例的過程中所形成的作品難以保存,不便于教師檢查,因此,學生的成績還是主要根據出勤情況給出,無法反映學生的真實能力。

2.2 學生學習的特點

網絡安全技術課程是專業方向課,一般院校通常都在第4學期開設,因此授課對象往往是低年級學生。通過多年的實際教學發現,低年級學生在學習網絡安全技術課程時存在以下特點[2]:

(1) 網絡安全操作技術水平參差不齊。低年級學生剛剛經歷過公共課學習,大部分精力還沒有放在網絡安全方向的學習上,所以學生總體上還存在技能水平的巨大差異。

(2) 學習興趣差異明顯。由于學生的意識、就業方向、個人喜好等方面存在較大的差異,因此學生在對待本門課程的學習興趣均不相同。

3 改進型翻轉課堂游戲化教學模型

3.1 改進型翻轉課堂教學模型設計

傳統翻轉課堂多采用如圖1所示的教學模型[15],本文將其進行了改進。

圖1 傳統翻轉課堂的教學模型

新模型增加游戲設定與學生自評、互評模塊,激發學生學習興趣,還增加教師測評及獎勵模塊,激發教師教學積極性。改進后的模型可有效地解決傳統翻轉課堂的部分問題,其他問題只能通過政策改革進行解決,例如:課程總成績應在假期中旬由系統自動生成,教師只在期末給出總成績的90%,其余10%應在假期即將結束時,學生重看重要知識點2遍及提出合理建議后由系統自動給出。改進后的翻轉課堂游戲化教學模型如圖2所示。

圖2 改進型翻轉課堂游戲化教學模型

圖2將整個教學活動分為正常教學和假期復習2個階段。正常教學階段由課前、課中和課后3部分組成。改進后的新教學模型除完成圖1模型的課前、課中和課后相應任務(可參見文獻[15])外,還提供完成新增任務功能。例如:課前,師生可根據本次資料特點設計游戲活動,給出游戲規則及獎勵說明并更新游戲模塊；課中,師生可選擇游戲比武進行實時對抗并全程錄像,給出比賽結果；課后,師生可及時觀看游戲錄像、點評精彩片段給出互評結果,將優秀的游戲案例升級成游戲庫,供以后教學使用。假期復習階段,由教師設定時間段,系統提示學生假期登錄觀看本門課程重要知識的視頻進行復習，并完成知識點的簡單測試。學生提交測試結果后,系統自動計算本課程的總成績供學生查看，并要求給出合理建議。同時,系統也會根據課程進行的日志文件及學生的合理建議計算任課教師的獎勵級別,給出獎勵參考。注意只獎勵不懲罰。

3.2 正常教學案例設計

“網絡安全技術”課程的正常教學階段采用圖2所示教學模型,其教學過程設計分成4個方面,分別是課前設計、課中設計、課后設計和游戲模塊設計。

3.2.1 課前設計

課前設計要求教師提前將本次課程的知識點進行歸納總結,提供必要的課件、以往學生學習的精彩視頻、網絡安全攻防工具和組隊分工說明,學生通過網絡教學平臺下載這些資料進行組隊分析,將這些資料初步消化理解,設計比賽案例或游戲內容及規則,由小組長反饋給教師。師生溝通后一起進一步設計游戲方案或比賽案例上傳至系統,以便課中進行游戲比武。

3.2.2 課中設計

課中設計是翻轉課堂進行的關鍵,在實施過程中要積極貫徹“學生主導”的思想。該階段的設計分成4個部分,每次課程進行180 min,即4學時。

(1) 課程的前20 min為教師講解部分,重點說明本次課程的教學任務、重要概念定理、比賽或游戲規則及獎勵辦法。

(2) 學生根據教師講解進行任務或游戲準備并展開討論。教師要參與每組的討論和任務分工活動,糾正不合理部分,預計需要50 min。例如以網絡安全中ARP攻擊防御為例,將30人的自然班等分成6組,其中3組模擬網絡入侵,3組模擬網絡防御,每組獨立設計自己的攻防方案,教師輔導每組遇到的難點問題,每組可選定的攻防工具由教師指定。

(3) 學生展示程序作品或進行游戲比武,預計需要90 min。若選擇程序作品展示,則由學生結合團隊完成的作品分組講解,給出精彩構思及每名隊員的具體分工和任務的點評,其他組及教師進行提問；若選擇游戲比武,則每2組為一隊進行限定時間內的攻防游戲比賽,全程要求錄屏記錄,便于事后點評。

(4) 教師總結本次課程,預計需要20 min。教師給出本次課程重點及難點問題的進一步講解,給出課上課下學生表現及精彩游戲作品的點評，并規劃下次課程內容。

3.2.3 課后設計

課后設計主要分為意見反饋、評價點撥、鞏固練習和游戲升級4個方面。

(1) 意見反饋。由教師通過網絡教學平臺收集學生本次課程中的改進意見,完成課程的優化工作。

(2) 評價點撥。教師通過網絡教學平臺給出每名學生的優點及不足,學生通過平臺查看自己的點評。

(3) 鞏固練習。教師根據學生總體表現情況,確定學生存在的問題,制作相關練習題供學生下載練習,進一步鞏固本次課程的知識點。

(4) 游戲升級。對本次課程所采用的游戲比武進行總結,進一步優化后保存為經典游戲,更新游戲庫便于將來重復使用。

3.2.4 游戲模塊設計

由于專業課程與普通網絡游戲存在本質上的差別,因此該模塊的設計僅采用網絡游戲中相關稱謂,完成與網絡安全技術課程各教學目標的映射,如表1所示。

表1 游戲稱謂與網絡安全技術各課程目標映射關系

表1中部分游戲稱謂功能介紹如下:

(1) 游戲公告。主要介紹本次課的課堂紀律及下次課游戲的大致內容。

(2) 新手指南。主要介紹本次攻防游戲的比賽規則及評判標準,給出比賽中的注意事項及知識點對應關系。

(3) 道具。主要介紹本次課程可能用到的攻防工具,可用經驗值進行相互兌換。

(4) 經驗值。根據游戲者攻防過程中的表現給出評分并計算累計分,分數高者將決定在今后的各比賽任務中的角色分配。

(5) 升級。當經驗值累積到一定程度后,系統自動完成角色升級,高等級的角色在后續的任務中扮演更重要的角色,同時在期末的成績中將給予更高得分。

(6) 通關。比武游戲結束,若闖關者成功擊敗守關BOSS,則網絡入侵者團隊獲勝；若闖關者未擊敗守關BOSS,則網絡防御者團隊獲勝。無論誰獲勝都將獲得經驗值,只是經驗值大小不同。

(7) 副本。將團隊制訂的方案共享，便于團隊合作,同時團隊也可通過該內容進行實時協作，共同完成攻防任務。

(8) 游戲論壇。學生之間的交流平臺,便于及時地將觀看游戲比武中團隊的意見或見解記錄下來,進行進一步的討論分析。

(9) 英雄榜。展示參與游戲比武的每名學生的總經驗值情況,期末將根據英雄榜給出平時成績。

3.3 假期復習設計

新的教學模型將打破以往傳統教學的評分標準,將本門課程總成績的一部分,大約10%安排在寒暑假進行,并由網絡教學平臺自動計算生成。由于假期是師生的休息時間,因此這部分的設計不宜過于繁瑣。將正常教學活動中的經典游戲比武及重要知識點錄像上傳至系統,規定學生在開學前進行在線觀看,觀看后回答部分問題即可。系統會根據觀看及問題回答情況給出成績,結合期末成績自動計算總成績。

4 實施效果分析

4.1 實驗過程

實驗對比了傳統型和改進型“翻轉課堂”授課的學生學習情況,其對象是網絡工程專業大二學生,每班學生人數為30人。在授課前分別對學生進行了問卷調查,調查結果如表2所示。

表2 授課前學生網絡操作水平統計表

表2內容顯示,傳統型和改進型翻轉課堂授課班的學生在網絡安全技術的相關理論和技能水平方面基本相同,幾乎都剛剛接觸網絡安全。在近6個月的正常教學及假期復習過程中,對傳統型授課班采用圖1所示“翻轉課堂”授課模型進行教學,對改進型授課班則采用圖2所示改進型“翻轉課堂”模型進行教學。

4.2 學生能力對比分析

將傳統型授課班和改進型授課班的學生總成績進行比較,如圖3所示。經計算,傳統型授課班的平均總成績為75.07分,改進型授課班的平均總成績為81.37分。改進型授課班的平均總成績比傳統型授課班的平均總成績高出6.3分。

圖3 傳統型授課班與改進型授課班成績對比圖

若將2個班的期末總成績按分數段人數進行對比,則對比情況如圖4所示。

圖4 總成績不同分數段人數對比圖

由圖4可知,改進型授課班優秀率高于傳統型授課班6.67%,良好率高于傳統型授課班6.66%,中等率幾乎相同,而及格率降低3.33%。改進型授課班的總體成績明顯優于傳統型授課班。

4.3 問卷調查分析

正常教學活動結束后,分別向傳統型授課班和改進型授課班發放了30份問卷調查表,其目的是想了解學生對不同授課方式的滿意度。通過調查表反饋可知,改進型“翻轉課堂”的授課模式深受學生的歡迎,既達到學習目的，又達到趣味的效果。此外,新型的教學模式還改變了以往寒暑假一味休息的弊端,使學生休息中不忘記復習,達到在不增加教師額外工作量的前提下,鞏固網絡安全技術重要知識點的目的。

5 結語

“網絡安全技術”課程在改進型“翻轉課堂”游戲化教學模式下進行,既可避免傳統 “翻轉課堂”教學中存在的問題,又可進一步增加學生的學習興趣,使學生的學習活動貫穿于整個學期及寒暑假,做到勞逸結合鞏固學習的目的。改進型翻轉課堂下的“網絡安全技術”游戲化教學方式的改革,改變了網絡工程專業傳統的教育觀、學習觀,給師生都提出了新問題和新挑戰。

References)

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[2] 羅智勇,秦兆偉,陳宜冬.工科大學網絡安全課程教學方法研究[J].科技與管理,2011(11):143-146.

[3] 未來的課堂:顛倒的教室[EB/OL].http://www.jyb.cn/ad/news/201110/t20111010_456993.html.

[4] Stacey Roshan. Changing the Class Experience [EB/OL].http://www.thedailyriff.com/articles/the-flipped-class-good-stuff-happens-715.php.

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[6] 張其亮,陳永生.翻轉課堂在操作系統實驗教學中的應用研究[J].實驗技術與管理,2014,31(12):173-176.

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[8] 徐妲,鐘紹春,馬相春.基于翻轉課堂的化學實驗教學模式及支撐系統研究[J].遠程教育雜志,2013(5):107-112.

[9] 楊九民,邵明杰,黃磊.基于微視頻資源的翻轉課堂在實驗教學中的應用研究[J].現代教育技術,2013(10):36-40.

[10] 林青松.基于翻轉課堂的“現代教育技術”實驗課程設計[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):194-198.

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[14] 錢保俐.翻轉課堂教學模式在高等院校實驗課程教學中的應用設計[J].中國教育技術裝備,2014(6):114-115.

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Research on game teaching of network security technology for improved flipped classroom

Luo Zhiyong, Tang Yuanxin, Su Jie, Qi Hongzuo

(School of Computer Science and Technology, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The principles and concepts related to the network security technology are tedious and difficult to understand. On the basis of the previous research, an improved game teaching model of the flipped classroom is designed. In this model, the traditional flipped classroom teaching process is optimized into the following four stages: before class, in class, after class and on holiday review, which further deepens the students’ understanding of the important points of knowledge. At the same time, the new model also introduces the idea of the game teaching, and further stimulates students’ interest in learning. The practice shows that the improved teaching model has some advantages in improving the students’ ability to solve practical problems, their learning achievement and long-term mastery of relevant principles and concepts.

flipped classroom； autonomous learning； network security technology； game teaching

G642.0

: B

: 1002-4956(2017)09-0164-05

2017-02-24修改日期:2017-04-10

哈爾濱理工大學教育教學研究項目(220160010)；哈爾濱理工大學開放實驗項目

羅智勇(1978—),男,山東平度,博士,副教授,碩士生導師,主要從事計算機教育研究.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.041