CiscoPacketTracer支持下的创客教育

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　　摘要：创客教育近年受到教育领域极大关注，它有力打破传统教学质量低的问题。以“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程为例，分析了Cisco Packet Tracer软件、“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程培养目标以及Cisco Packet Tracer支持下的“交换机/路由器配置与管理任务教程”创客课程的特点和优势，依据杨现民的创客课程教学设计框架，结合“建构主义学习”“体验式学习”理论，设计了Cisco Packet Tracer支持下的创客教育教学流程，实现创客教育应用，研究表明Cisco Packet Tracer支持下“交换机/路由器配置与管理任务教程”的创客教育能克服传统教学组织形式不佳的问题;使学生轻松掌握书本知识，积极参与学习过程;有效提高学生动手、创新能力。
　　关键词：Cisco Packet Tracer;创客教育;交换机/路由器配置与管理任务教程;创客课程设计
　　中图分类号：G434      文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）24-0056-05
　　Abstract： In recent years， maker education has received great attention in the field of education. This new type of teaching has effectively broken the problem of the low quality of traditional teaching. The article takes the "Switch/Router Configuration and Management Task Tutorial" course as an example to analyze the training objectives of the Cisco Packet Tracer software， the "Switch/Router Configuration and Management Task Tutorial" course， and the "switch/router configuration and management supported by Cisco Packet Tracer" The characteristics and advantages of the Maker Course of the Task Tutorial， based on Yang Xianmin’s Maker Course teaching design framework， combined with the theory of “constructivist learning” and “experiential learning”， designed the Maker education teaching process supported by Cisco Packet Tracer to achieve Maker education application， research shows that Maker education of "switch/router configuration and management task tutorial" supported by Cisco Packet Tracer can overcome the problem of poor teaching organization in traditional teaching; make students easily master book knowledge and actively participate in autonomy The learning and cooperative learning process effectively improves students' hands-on and innovative ability.
　　Key words： Cisco Packet Tracer; Maker Education; switch/router configuration and management task tutorial; Maker Course Design
　　1 背景
　　隨着信息技术不断更新和发展，很多软件也在开发和应用到教学当中。本研究基于Cisco Packet Tracer 平台来探究创客教育中的课程教学问题，力图打破传统教学忽视学生创造和实践能力的困境。Cisco Packet Tracer又称思科模拟器，是由Cisco公司发布的一个辅助学习工具，可为使用者提供模拟仿真的网络搭建、调试网络运行状况、练习故障排查能力等功能。简而言之就是给使用者提供一个虚拟网络环境，根据需要实施的方案，设计、配置、排除网络故障，确定方案是否可行，为转化为现实中的具体操作提供建议。
　　2 创客
　　“创客”成为近几年来国内的热点讨论话题，2015年创客首次被全国“两会”政府工作报告提到，引起社会和学术界关注。创客一词源自美国《连线》杂志前主编克里斯·安德森（Chris Anderson）创造的英语单词“Maker”，原意是指“制造者”或“创造者”，但至今尚无准确定义[1]。近年来，创客专指利用互联网、3D打印机和各种桌面设备与工具将自身的创意转变为实际产品，勇于创新的一群人[2]。随着对创客的关注越来越大，掀起国内学者对创客和创客教育研究的浪潮，王佑美等人总结出创客是一个充满造物精神、努力将各种灵感变为现实的群体，且具有创新、DIY、分享性质[3]。 “交换机/路由器配置与管理任务教程”是一门工程性质且操作性较强的课程，将Cisco Packet Tracer与该课程结合，使学生能够在模拟网络环境下提高网络设计和配置能力，完成各种复杂网络环境设备的配置任务，并了解网络设备配置的特定应用程序和操作等，让学生作为“创客”发散自我思维，展示自我创意，目的是加强学生创新创意、实际应用技能和动手操作能力。 　　3 创客教育
　　“创客教育”这个词最初是由美国提出，美国教育领域开始关注并逐渐成为创客运动的先锋。2013年来，美国社会高度重视创客开发，各地中小学纷纷开始加入“创客行动”，实施“创客教育”。将“基于创造的学习（Learning by Making）”视作学生真正需要的学习方式[4]。2014年6月，在白宫创客大会上，奥巴马政府宣布在全国范围内倡导并实施创客教育，并成立“创客学校高等教育聯盟”，发布了美国高等教育机构第一份《全国创客教育现状》报告（文件）[5]。我国近几年也发布了很多关于创客教育的政策文件，例如《中小学综合实践活动课程指导纲要》（教材[2017]4号）文件提出了课程总目标是学生能从个体生活、社会生活及与大自然的接触中获得丰富的实践经验，形成并逐步提升对自然、社会、自我内在联系的整体认识，具有价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等方面的意识和能力[6]。2018教育部下发有关教育信息化文件中提出要开展利用现代信息技术，构建新型教学组织模式研究，探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等教育教学新模式中的应用，逐步形成创新课程体系[7]。《教育部教育装备研究与发展中心2019年工作要点》提出深入研究以深化跨学科教学整合和高新技术装备应用为特点的中小学校综合实验室、特色实验室、多功能教室、创客空间等教育装备配备方案及综合教学环境建设[8]。其他国家也纷纷出台了有关创客教育的政策，掀起了创客运动的风潮，这表明创客教育在各国的发展成为必然趋势。
　　创客教育是一种新型的教育模式。祝智庭认为创客教育是一种以培养学习者，特别是青少年学习者的创客素养为导向的教育模式[9]。杨现民认为创客教育是一种融合信息技术，秉承“开放创新、探究体验”教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式[10]。郑燕林认为创客教育主要是一种创造性学习，提倡“基于创造的学习”，强调学习者融入创造情境，投入创造过程[11]。王佑美认为从理念上看，创客教育是一种贯穿于终身的、面向全人发展的，培养个体DIY、分享精神与创造能力的教育取向[12]。总而言之，我国的创客教育还处于初期发展阶段，没有一个准确的定义，国外对创客教育也无严谨表述。笔者认为，创客教育是在一个轻松、不受拘束的学习空间里，利用所掌握的信息技术进行发散性思考，设计并制作出实用且富有创新性的事物。
　　4 Cisco Packet Tracer软件和“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程分析
　　4.1 Cisco Packet Tracer软件
　　Cisco Packet Tracer是用于教学网络的仿真，可视化，协作和评估工具，也是一款有趣，实用的灵活软件。可帮助学生试验网络行为，构建网络模型并提出“假设”问题，一次或者逐步完成模拟联网事件，通过添加数据包使网络有更直观效果，然后检查网络问题，最后完成创作。把Cisco Packet Tracer利用在创客教育中，可通过团队合作，联网建模和可视化，带学生进入虚拟计算机网络世界，获得真实设备亲身实践经验，加强学生实例探究，动手实验的能力。
　　1）常用工具栏：包括一些常用工具，例如移动，选择，注释，查看，删除，调整大小，添加简单或复杂数据包等。
　　2）工作区：包括逻辑工作区和物理工作区。逻辑工作空间是主工作空间。用户在工作区中创建网络拓扑，完成网络设备的逻辑连接和配置，并查看模拟网络中的数据。物理工作空间是对真实场景的模拟，并且存在城市，建筑物和工作场所的可视化地图。
　　3）网络设备库：为用户提供不同类型和型号的网络设备，包括PC，路由器，服务器和用于连接设备的电缆等。
　　4）实时/模拟栏：默认模式为实时模式，用户可在模拟模式中添加、删除、查看数据包信息以及模拟数据包的传输过程，方便用户查析整个网络拓扑图。
　　4.2 “交换机/路由器配置与管理任务教程”课程分析
　　“交换机/路由器配置与管理任务教程”这门课程强调网络设计和管理配置能力的培训，教材增加了项目设计和工程文档编写等新兴内容，由于传统相关教材中教学内容的固化、篇幅长以及学时限制导致学生动手实践的机会少，教师也往往忽视实践，因此教学过程中出现稍微复杂的网络问题时就无从下手，不能根本性地解决问题，但“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程结合Cisco Packet Tracer来实现创客教育教学，创设出有关学习和实际生活的网络问题，既能使学生掌握专业技能，又能使教学内容鲜活生动，区别于只基于硬件设备的传统教材。在Cisco Packet Tracer下，学生可自主学习各种网络工作场景，如学校、企业以及实习案例等，真正落实以学生为本，满足学生个体化学习的需要[13]。
　　5 基于Cisco Packet Tracer的“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程设计
　　5.1 创客课程教学设计通用框架
　　目前我国对创客课程设计的具体流程处于探索阶段，还缺少成熟的设计模型。本次设计采取了杨现民提出的创客课程设计通用流程（见图1）。此通用设计适合采用预设与生成相结合的开发模式，既有教师预先的内容、活动和评价等设计，又可在实施过程中不断修正[14]。不仅引导学生积极参与学习活动最终形成自己的成果，也体现创客教育的“创新、设计、实践、分享”等特征。
　　5.2 教学理论
　　1）建构主义理论。皮亚杰认为，儿童是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展[15]。因此在本创客教学中安排学生们在网络实验室、“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程教学材料和Cisco Packet Tracer工具三者相互作用下，更好地在操作中内化所学知识。
　　2）体验式学习理论。该理论是在杜威、勒温以及皮亚杰的学习理论基础上提出的[16]。体验式学习理论认为任何学习过程都遵循“经验学习圈”，包括经验、反思、概念化和实践四个阶段，要求学习者从日常生活或他人建构的程序里获得亲身体验，并在此基础上进行反思、概括、讨论与评价，最终产生新的认识、情感或行动[17]。因此在本创客教学中，学生在熟悉相关知识后，教师要给出相应情境在Cisco Packet Tracer中进行操作，让学生在模拟仿真的操作过程中掌握网络构建、配置和安全等相关知识。 　　5.3 教学特点
　　1）突出创新和实践：教师在本创客课程教学中扮演的角色是学生的“引导者”和“合作者”，为学生创设易发挥积极性和主动性的教学方案。基于Cisco Packet Tracer，和学生一起搭建网络拓扑结构，配置设备代码，所以表现出创新思维和实际操作即时结合的特点。
　　2）将创客教育与学科课程有效结合：本次创客课程教学基于Cisco Packet Tracer教学辅助工具，把同伴交流合作、教师指导结合，打破了传统的教学组织形式，为学生提供创客发挥空间，并且以“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程为载体，运用Cisco Packet Tracer中的网络技术，设计网络系统设计方案，充分发挥学生想象、创造、实践能力。
　　3）注重学生主体性：本次创客教学中，教师让课堂变成创客空间和思维操练场，比如在遇到网络故障时，让学生运用Cisco Packet Tracer模拟运行模式，查看网络中数据包的传输过程，结合设计文档查找问题的根本原因，辅助学生积累网络调试的实践经验。教师在本创客教学过程中使学生成为学习的主人，积极参与每个教学环节，并且调动学生积极性和主动性，引发学生潜在的创造动因。
　　4）即时检测成果：学生在完成Cisco Packet Tracer上的网络构建和配置时，可以在软件上即时检测正确性，反复修复网络，完成网络搭建方案。首先学生向教师提供自主设计文档和验证文档，而后教师使用Cisco Packet Tracer发送测试数据包以简化验证过程并提高检查效率。
　　5.4 教学设计
　　本次教学设计在杨现民提出的创课课程教学设计通用框架的基础上综合考虑“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程的教学内容、学生的个性特点以及培养目标等因素，总体分为指导理论层、关键要素层、学习过程层，再将三层整合在一起，形成本次创客教学的创客流程。教学过程主要体现在关键要素层，分为教学准备、教学实施、教学评价三个过程，其中穿插着学习过程层的线上线下活动。以“交换机/路由器配置与管理任务教程”中的“访问控制列表”内容为例，构建创客教学流程（如图2所示）。
　　5.4.1 教学准备
　　1）制订课堂教学目标：在学习“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程过程中，教师首先教授学生使用Cisco Packet Tracer了解网络拓扑的构造并掌握网络设备互通的配置。其次让学生自主设计方案并解决问题，最后让学生掌握诊断、隔离和修复网络问题。
　　2）明确教学重难点：由于教学内容是“访问控制列表”小节的内容，教学重难点是使学生掌握路由器访问控制列表的基本原理以及其配置命令用法;掌握访问控制列表的配置方法和技巧;训练学生初始网络访问权限设计能力和有意识的信息安全意识。
　　3）掌握Cisco Packet Tracer基本操作：本次教学在教授主要内容之前要让学生掌握工具栏，工作区，网络设备库等基本操作，将路由器，交换机和工作站之类的网络设备拖放到逻辑拓扑区中，并指定常见设备之间的互联类型。
　　4）教学资源：教师在教学前分享Cisco Packet Tracer软件安装包、主校区和分校区的“问题.docx”Word文档教学材料（如图3）以及其他教学工具等，让学生预先在网上查询关于网络领域的知识。
　　5）教学环境：教学的空间在网络实验室，和传统教室相比，网络实验室有配套较全的设备，提供学生在实践操作学习理论知识的机会，符合创客教育“从做中学”和“DIY”的特点。
　　5.4.2 教学实施
　　1）教师工作：①情境导入：教师首先向学生导入情境“现有主校区和分校区的网络拓扑，阐明要保证主校区信息数据的独立性、安全性，实现不允许分校区PC设备访问主校区;为阻止其他非法用户篡改主校区网络，为主校区路由器设置密文密码，因为在数据传输的时候是密文传输，抓包的时候只能抓到密文，而不能获取明文密码，这样密码不易被破解，能够保证了设备配置的安全，保证了校区网络的安全”。②探究引导：教师在情境导入后，让学生们自主设计解决方案，制造一种自主探究的氛围，使学生在模拟仿真操作中发展思维能力、探究能力和DIY能力。③教学方法与策略选择：本次教学过程采用任务驱动法，教师首先设定了明确的问题，学生通过这些问题进行分析、设计，另外在教学过程中教师要坚决禁止学生不设计就直接进行配置的实践行为。针对课堂上易出现的某些意外“问题”，教师不能置之不理或呵斥指责，可以展开师生、生生之间探讨，激发思维，启发学生们头脑风暴。
　　2）学生工作：①自主探究：教师在创设情景、抛出问题后，学生上网查询搜集资料和网络设备配置命令，设计出对于解决主校区网络安全问题的初步方案。②交流协作：学生分组合作，分享自己的思路和创意，一起探讨设计问题方案。③实施方案：学生在Cisco Packet Tracer上进行模拟操作，首先选择正确的网络设备和连接线缆，建立网络拓扑图（如图4所示），其次在分校区的PC机上和主校区的路由器上配置代码。（如图5、图6所示），④检测网络连通和密码设置：若设备两端圆点显示为绿色，意为联通，若为红色，意为配置错误，则需要重新配置，直到圆点变为绿色[18]。最后，教师让学生们在分校区的PC机Desktop上进行run验证，若连续出现Request timed out，则表示分校区访问不了主校区网络，配置成功（如图7所示）。再在主校区的路由器CLI上进行验证，路由器的密文密码设置成功（如图8所示）。
　　5.4.3 教学评价
　　1）分享：教学任务完成后教师组织学生交流分享、积极发言。比如个人或团队在学习过程中遇到的问题，怎么去设计解决，最后得出的作品，收获了什么，还有操作经验等，然后学生发表各自的看法。
　　2）总结和评价：教师对课堂内容进行总结和回顾。评价主要采用表现性评价，表现性评价以学生学习过程中的表现行为为评价内容，主张在真实的生产、生活情境中评价学生[29]。课堂教学结束后，教师首先组织学生自我评价，组间、组内进行互评，让学生们共同参与、相互交流和学习。然后对教师再对学生们的成果进行评价，包括小组和个别学生方案完成情况，学生参与度，网络拓扑结构构建的优劣势，连接线缆的正确性以及密码设置的合理性，最后教師再提出改进建议，促进学生对设计方案进一步优化思考和创新。 　　6 教学成效与总结
　　6.1 教学效果
　　经过一个学期的学习，学生们积极主动参与到本次创客课程教学过程中，并且在模拟操作过程中探究情绪高，乐于操作，较好地完成了总的教学目标，学生们获得了新知识，又加强了DIY能力。本创客课程设计以“交换机/路由器配置与管理任务教程”为载体，基于Cisco Packet Tracer平台操作，使每个学生在思考，发现，探索，交流，解决这几个步骤中各有创意，打破以往传统“填鸭式”“灌输式”的教学方式。在解决项目的过程中，老师和学生形成“学习共同体”，在平等的学习环境中相互合作，共同促进，共同提高[20]。
　　6.2 教学总结
　　1）“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程是一门偏实践性的学科，因此设计选择在网络实验室进行教学，根据此教材特点和学生总体的性格倾向，采用合理有效的教学方法。以学生的模拟操作为主，不断调整和开放教学模式，使其可以在轻松灵活的创客空间中自主创新学习，最后得出成果。
　　2）本次创客教学基于Cisco Packet Tracer与“交换机/路由器配置与管理任务教程”课程相融合的教学模式。Cisco Packet Tracer作为创客教育平台，教师教授学生网络设计以及安全配置方面的知识，在学生掌握了网络设备配置命令、设计出初步方案后，教师适时让学生交流、比较方案、分享经验。在这个过程中教师打破了传统教学组织形式，成为学生的“引导者”和“合作者”。
　　3）本次创客教学研究基于Cisco Packet Tracer三个学习原则：学习是活跃的，学习是社交的，学习是上下文相连的。在本创客教学过程中注重培养学生创意思维和动手操作能力，强调学生在体验中学习。符合创客教育的知识获取、知识创造、创意迸发、创意“创造物”的四个阶段，环环相扣，层层递进，形成了纵横交叉又相互融合的育人网络[21]。不仅能够推动学校创客教育的发展，还为社会未来的发展培养创新思维人才。
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　　【通联编辑：谢媛媛】
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