《計算機網絡》選修課程教學方法研究

[摘要]根據《計算機網絡》選修課程的特點，針對選修課程學生在學習中遇到的問題，本文重點研究了三個典型的教學方法：案例教學、實際分析和作業實踐。在正常的教學過程中，有選擇地增加這三個教學方法的應用，能有效提高學生的學習興趣、增強學生對知識的理解和提高學生對所學知識的應用能力。

[關鍵詞]案例教學 實際分析 作業實踐

引言

微電子技術、網絡通信技術和計算機控制技術的不斷發展，促進了控制系統的不斷變革，網絡傳輸方式被不斷地應用到自動化和控制領域中，出現了網絡控制系統以及工業以太網等工業控制網絡技術。計算機網絡知識對自動化和自動控制專業的學生就成了應當理解并掌握的基礎知識，我校針對自動化專業學生開設了48個學時的《計算機網絡》選修課程，開設對象是大學三年級學生，在秋季學期授課。開設的目的是通過本課程的學習使學生了解和掌握計算機網絡的基本概念、原理、組成、協議和設計方法，重點掌握計算機網絡通信協議以及層次設計原則的基本思想和方法，使學生具有較強的計算機網絡系統的應用能力。

但是，《計算機網絡》課程需要“概率論與數理統計”、“數據結構”、“程序設計”、“操作系統”等方面的前導知識，對剛步入大學三年級的學生，這些知識雖然都有基礎，但是有些知識并沒有系統地進行學習，沒有計算機或網絡工程專業的學生掌握的系統、全面。加上《計算機網絡》課程，尤其是計算機網絡協議部分比較抽象，因此在實際授課過程中，發現學生學習存在幾個典型問題：

(1)從感覺上感到課程內容枯燥，引不起學習興趣；

(2)知識點比較抽象，難以理解；

(3)對學到的內容如何應用感到困惑。

因此，在實際授課中，授課教員針對學生面臨的問題，采取了相應的措施，如補充前導知識點，加強多媒體課件的設計，關鍵知識點板書強調等。在教材上，選擇了對協議原理講述非常清楚的著名教程《用TCP/IP進行網際互連第一卷：原理、協議與結構》，并指定其英文原版作為參考教材，課堂教授盡可能按照教材的結構進行。除此之外，根據上述三個問題，還采取了三個典型的教學方法，培養學生學習興趣，幫助學生對知識的理解，強化學生對知識的應用。

采取案例引導學生學習興趣

學生感覺上認為計算機網絡知識枯燥，學習沒有興趣，是因為學生對相應的知識只理解表面，沒有深入理解本質。年輕大學生求知欲望強烈、主動探索能力強，只要在教學上引導學生，就可以有效提高學生的學習興趣。教員在授課過程中，根據不同的內容，選用了相應的案例，在每個知識點的學習開始之前，就通過這些案例分析來引導學生，提高學生的學習興趣。TCP協議是《計算機網絡》課程中非常重要的協議，是TCP/IP網絡協議族的基礎協議，要求學生必須重點理解和掌握，掌握不好，就不能正確的理解TCP/IP網絡協議的本質，也對后續計算機網絡應用的學習帶來困難。但是TCP協議相當復雜，由于提供的是可靠的數據流傳輸服務這樣的應用，因此需要建立并管理連接、實現端到端的擁塞控制、完成確認重傳以及處理亂序和重復，并需要實時測試網絡性能來確定多個定時器值。對這樣復雜的學習內容，如果不培養學生的學習興趣，就很難使得學生能夠正確地掌握知識要點。采取案例教學是一個比較有效的提高學生學習興趣的方法。

例如，在TCP協議中，協議格式首部的碼元字段對協議非常關鍵，但其含義又比較難以理解，是個教學難點。在教學上，根據大學生對網絡安全比較感興趣的情況，教員在正式講述這一部分內容之前，采取了和碼元比特相關的網絡安全案例給學生介紹，實際教學采用了SYN泛洪攻擊案例，其含義是惡意用戶利用服務器TCP/IP堆棧有限，在短時間內向大量向服務器發送SYN報文，但不響應服務器發出SYN+ACK應答，使得服務器堆棧溢出崩潰或忙于處理TCP連接請求而無暇響應客戶正常請求，造成拒絕服務攻擊。通過分析這個案例，將學生比較關注的網絡安全內容和學習的要點有機的結合起來，有效地提高了學生學習的興趣，從課堂實際教學效果看，這樣的案例將學生的積極性有效的調動起來，學生由被動學習變為主動學習，提高了學習效率。

采用案例教學，有三點比較關鍵：其一是案例的設計，采用的案例應該是學生比較關注的領域，同時又能夠和知識要點緊密結合，這樣才能既提高學生興趣，又能加強對知識的理解；其二是案例數量要合適，案例數量不宜過多，本科教學不同于職業培訓，過多的案例會分散學生對重要知識點興趣，不利于基礎知識的教學，應當遵循“夠用就好”的原則；其三是案例講授時機，在實際授課中，應當根據內容的不同，可以采取在教授知識之前、之中和之后分析案例。在上述案例授課中，教員采取在講授知識之前進行案例分析，是考慮到這一部分內容比較復雜，先給學生一個感官印象，提高興趣，在講述內容之中，又把這一案例進行分析，使得學生能夠理解這一案例體現的知識內涵，從而加強了對知識點的理解。

通過實際分析強化理解

案例教學培養學生對知識點的感性認識，教材知識講授使得學生對知識點有了抽象的認知，但這還不能使得學生對知識點有充分的理解。對學生來說，一個具體的問題是這些抽象的知識點是如何在實際的網絡中表現的？如果不解決這一問題，知識點對學生而言總是一知半解。解決這一問題，對《計算機網絡》課程來講，有一個可以充分利用的特點，即有眾多的網絡協議分析工具可用，這些協議分析工具可以實時捕獲網絡數據，并能夠自動對協議進行分析。

在課堂上實際構造網絡環境并不方便，而且會占用較多的課堂時間，因此，我們的方法是課前構造環境，采用Sniffer pro協議分析工具進行數據捕獲與分析，然后制造成圖片并設計在課間中，讓學生從圖中可以清楚地看出ARP協議是如何在以太網幀中封裝以及每個字段的具體數據。學生根據所學以太網和ARP協議知識，能夠判定相應字段的含義，并將抽象的定義和實際的數據聯系起來，增加其對知識的理解。

采用實際分析輔助教學，除了幫助學生理解所學知識，還有兩個作用：第一，TCP/IP協議族是一個五層的分層協議結構，分層的網絡設計思想是需要學生重點掌握的內容，通過在不同階段對協議進行這樣的分析，展現不同協議的層層封裝關系和封裝結構，能夠強化學生對分層協議結構的記憶和理解。第二，這樣的實際分析，鮮明的體現了所分析協議在整個協議族中的位置，以及和其它協議之間的相互關系，能夠幫助學生從整體上把握協議的本質作用，從而能夠在實際工作中正確應用所學知識。

通過課后作業實踐引導應用

通過上述幾個環節，學生可以正確的理解所學的知識，但是還不能夠做到在適當的環境下進行正確的應用。達到正確的應用要求，還需要通過實踐環節，如課后作業或者試驗。對自動化專業的大學三年級學生，其學習任務非常重，作為選修課程，不可能安排大量的實踐課程，而單純的習題，也不能充分的讓學生掌握所學知識，因此在實踐環節就需要其它方式。在這種情況下，一種比較好的解決方式是設計實踐性習題，這樣的習題概括面廣，需要通過綜合分析和討論才能有正確的理解和解答，如在TCP協議學習后，我們設計了一個綜合習題，如下：

TCP協議是互聯網中主要的協議，討論：

(1)假定A、B兩主機采用TCP協議，請用圖示說明主機A、B之間建立連接的過程。(2)TCP中確認報文的丟失是否一定會導致重？請說明原因。

(3)若TCP協議采用兩次握手方法建立連接，是否會產生死鎖，請說明原因。

(4)考慮兩軍問題：設想一支白軍被困于山谷，山谷兩側是藍軍，白軍在人數上比山谷兩側任何一支藍軍都多，但少于兩支藍軍和在一起的人數。如果單獨一支藍軍對白軍發動進攻，則必敗無疑，但如果兩支藍軍同時發動進攻，便可取勝。兩支藍軍欲同時發動進攻，然而，他們唯一的通信方法是派遣使者步行過山谷傳遞信息。在山谷中，信使有可能被俘虜而丟失信件。采用TCP建立連接的方法能使藍軍獲勝嗎？請說明原因。

這一綜合習題，強調了TCP協議的重點和難點部分，并增加了紅藍軍的實踐環節，增強學生對實際應用的理解。這一習題要求學生分組討論，并以分組方式遞交作業，學生在課堂上按組進行解釋，并在課堂上討論，教員進行總結，并根據這一習題，對如何應用知識進行進一步的闡述，這樣，既強化了學生對所學知識的理解，更能增加學生對所學知識的應用能力。

結論

通過上述教學方法，在實際授課中顯示了比較好的教學效果。2008年春季，在以大學三、四年級學生為主體的ROBOCON2008機器人電視大賽中，有兩名大四學生基于USARSim（Simulation of Urban Search And Rescue）開發系統建立Robocon2008賽題環境相應的比賽仿真環境，制作參賽方案的機器人模型，建立仿真服務器，提供虛擬機器人各種試驗的仿真環境，通過仿真手段驗證比賽策略。在此仿真系統中控制端和機器人模型之間就采用了TCP/IP協議。這一仿真系統的成功開發，證明學生比較好地掌握了計算機網絡知識，并能正確應用，這充分說明了上述教學方法的有效性。

作者單位：國防科學技術大學機電工程與自動化學院湖南長沙