高師院校計算機網絡原理教學體系

　　摘要：針對國內計算機網絡原理課程教學體系中程度不統一的現象，分析高師院校計算機網絡原理教學的特點，提出通過創新網絡原理授課方式提高學生分析與解決問題的能力，通過實驗訓練和故障排除等教學方式提高學生實踐能力的課程教學體系。研究結果表明，這種強化過程管理的量化考核教學體系能夠顯著提高學生對網絡知識的理解能力與應用能力。
　　關鍵詞：計算機網絡原理；實踐能力；計算機網絡實驗；學習過程考核
　　
　　
　　隨著互聯網應用的不斷普及，人們的生產、生活與學習等活動與互聯網建立起了密切聯系，出現了電子政務、電子商務和網絡教育等新的服務形式。據中國互聯網絡信息中心發布的統計報告顯示，截至2010年6月底，中國網民規模達到了4.2億，半年新增3600萬[1]。正因為如此，大學生普遍對網絡課程的學習都比較重視，同時也寄予了較高的期望。然而，計算機網絡的技術體系性非常強，課程中包括大量的概念、專業名詞術語，尤其圍繞著網絡7層協議，知識的跨度較大。為此，國內高校召開了全國高等學校計算機網絡課程教學與網絡工程專業建設研討會，共兩屆，但其中更多地是討論工科院校的網絡課程建設等問題，無法完全適應師范類院校的特點。
　　本文以師范生的培養為目標，認為計算機網絡原理應該成為師范生重要的教學內容。教師要側重于教學方式的把握，要求學生掌握計算機網絡的分層體系結構及各種典型網絡協議的原理，初步掌握計算機網絡相關軟硬件知識；熟悉計算機網絡中廣泛使用的工具，為今后從事計算機方面的相關工作打下良好的基礎。
　　1高師院校網絡原理課程的特點
　　高師院校培養的學生應該是具有較強的教育教學能力、熟練掌握實際教學工作的規律和方法以及實
　　踐能力較強的專業教師。因此，高師院校擔負著為國家培養中等教育師資的重要任務，高師人才素質的高低極大地著我國未來教育的發展前途，也是國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[2]這一戰略目標能否實現的關鍵。
　　進入21世紀，隨著大學的擴招，計算機學科已經成為我國理工科第一大學科。在679所本科大學中，有505所高校設有計算機專業，師范院校的畢業生面臨著前所未有的就業壓力[3]。我們在調查中學與職業學校對計算機專業畢業生的需求時發現，以前中學的計算機普及程度較低，對計算機專業畢業生的要求是計算機操作。目前，隨著中學信息技術課程的開設以及教師信息技術應用能力的提升，各學校要求計算機專業的畢業生不僅能夠熟練操作計算機，同時還要能夠排除計算機的各類故障，具備在中等專業學校從事計算機網絡建設、維護和管理的能力。因此，師范類計算機專業的畢業生不僅要了解計算機網絡的基本原理，更要具備一定的操作實踐能力和工程技術能力。我院的計算機網絡課程組通過對教學目標的修訂和近5年的實踐，對教學體系和實驗體系進行了重點改革，目前已經初具成效。如部分學生在校期間已經獲得了工信部網絡工程師的資格認證，許多畢業生在工作單位中可以獨立地進行網絡工程規劃、網絡管理與網絡維護工作。
　　基于以上調研結果，筆者對計算機網絡原理教學體系的原理講授、實驗組織、考核方法等進行總結性介紹，并指出了下一步的教學改革方向。
　　2培養創新能力的原理性課程體系
　　陜西師范大學計算機學院的計算機網絡課程始于1993年，該課程體系經歷了4個階段。第一階段是Novell網絡階段，主要介紹網絡原理，網絡實驗是以Netware操作系統和DOS操作為主，兼顧Windows 3.X和Windows 95的網絡操作，重點是Netware服務器與無盤工作站技術。第二階段是互聯網階段，教學側重于互聯網的使用與操作，包括網站的建設、網絡服務器的安裝與配置、網頁的設計與開發等。第三階段是網絡工程階段，該階段是在前一個階段的基礎上，根據畢業生在中學工作的實際情況，重點在教學中加強了網站建設、網絡工程管理與維護等技術，開設了一系列與此目標相關的課程與實驗。第四階段是網絡安全工程階段，這一階段目前還處在探索之中，主要工作有望在2012年完成。考慮到計算機網絡課程體系的迅速發展，課程組將計算機網絡課程體系規劃為計算機網絡原理、網絡工程、網站規劃與設計、網絡安全等內容。本文重點介紹第三階段的網絡原理課程教學方式與實踐經驗。
　　2.1用網絡原理訓練學生分析與解決問題的能力
　　計算機網絡課程結合了多種教學模式。通過建設計算機網絡精品課程網站[4]，我們有效地壓縮了網絡原理的授課課時，同時加強了網絡重要知識點的授課力度，并根據情況適當地補充一些新的教學內容與新技術，使教學效果更加突出。對部分涉及到學生平時上機容易接觸的、且可以在實驗中體現的內容，則采取學生自學或通過計算機網絡原理精品課程網站學習的方法進行。但對重要的知識點，則采取加大課時的措施，達到引導學生理解計算機網絡原理的目的，提高學生分析問題與解決問題的能力。如停等協議是計算機網絡原理課程中一個非常重要的教學內容，對后續的流量控制等具有重要影響，為了讓學生更好地理解停等協議，教師在課堂教學中將這一部分內容分成3步詳細講授。
　　第一步是理想條件下的停等協議。它是將點對點通信過程抽象成一個簡單的收發模型，引導學生分析這一過程可能存在的問題，并總結為數據傳輸可能出錯和接收方緩沖區是否無限大兩個問題。其中出錯涉及到CRC錯與丟包，考慮到這些復雜的情況，提出解決復雜問題要進行抽象與簡化的研究思路。先假設這兩個方面的因素都不會存在，由此可以抽象成一個數據傳輸過程中不會出錯、緩沖區無限大的理想模型，則很容易設計一個簡單地停等協議。發送方收到ACK的確認后就可以發下一幀。
　　第二步是放寬理想條件要求的停等協議。即假設收發模型會出錯，但緩沖區無限大。在考慮CRC錯時，引出了NAK消息，當發送方收到NAK時，則表明傳輸過程中出現了bit錯，則發送方重發該幀，直到收到ACK后再發送下一幀。若發送過程出現了數據幀丟失，則接收方不可能收到任何信息，更不會發送ACK和NAK中的任何幀，將會導致死鎖。為了解決這一問題，提出了計時器的概念，通過NAK、計時器和超時重發機制，可以解決數據幀的丟失情況；若ACK應答幀丟失，則按照這一機制，超時后會重發數據幀，導致接收了重復數據幀，引發新的錯誤，于是接收方需要區別當前數據幀與前一個數據幀是否是同一個幀，又引入了幀編號。在這種情況下，只需要1bit的幀標記即可解決。通過超時計時器與幀編號，就解決了發送過程中出錯的問題。同時分析這種停等協議的效率是非常低的，如衛星信道下此協議的信道利用率不足4%。
　　第三步是真實環境下的停等協議。這一過程是在第二步的基礎上取消兩個假設，增加收發雙方緩沖區受限的條件。為了提高信道的利用率，并根據雙工通信的情況，引入捎帶應答方式，減少線路開銷；另一方面，可以實現管道協議，發送方一次可以發送多個幀，于是對幀編號進行擴充，如擴大到m bit，則一次可以最多發送2m-1個幀。當其中的一個幀出錯時，就可以根據接收方緩沖區的大小，采取回退n幀和選擇重傳機制。為了實現這一方法，設計一個滑動窗口協議，將這種情況統一起來，就實現了真實環境下相對高效的停等協議。然后進一步分析實際情況下停等協議的正確性，如通過有限狀態機或Petri網理論，對停等協議進行形式化的正確性分析。
　　通過分析停等協議，學生不僅掌握了基本的科研方法與科研流程，也掌握了協議的分析與設計過程。最后，教師要求學生編程實現這一停等協議，加強學生分析問題和解決問題的能力，同時可以幫助學生理解問題的本質。在局域網下，對CSMA/CD協議也可以采用類似的情況進行分析與講解，并給出一些現象，讓學生分析其原因。如：1)打開瀏覽器時，有時打不開一個網站的頁面，但刷新后又打開了；2)在實驗室中，兩臺相同的計算機下載網絡中一個相同文件，有時開始早的學生后下載結束。對這些現象，完全可以通過CSMA/CD協議中的二進制退讓算法進行解釋。這樣將原理與實踐較好的結合，增加了學生學習網絡的興趣，同時提高了他們分析問題與解決問題的能力。
　　
　　以我院2008年秋季的教學計劃為例，課程計劃時間為18周。考慮到秋季授課中秋節和國慶假期的停課情況，并根據教學實際，安排習題課1次，期末總復習1次，故有效講授時間為32次。具體的授課內容與學時安排如表1所示。
　　
　　2.2用網絡技術訓練學生分析與排除故障的能力
　　師范生在工作崗位中更多地要使用、管理與維護計算機網絡，因此在技術層面上側重網絡路由算法、交換技術、VLAN的配置與管理。同時教學要強調網絡原理的使用與驗證，訓練學生根據計算機網絡原理進行故障的識別與排除，并幫助學生分析網絡設備工作過程中存在的現象。
　　計算機網絡原理是按照OSI/RM體系進行講授，該體系以服務、接口、協議等面向對象的概念為基礎，使7層模型條理清晰，有較好的協議透明性，便于初學者學習，因此多數教材采用OSI/RM體系。但實際使用的互聯網又是按TCP/IP協議體系進行設計，這就要求借助網絡實驗來建立兩個模型之間的聯系。這了達到這一目標，又盡量與教學內容保持一致，根據多年的教學經驗，我校計算機網絡課程組編寫了計算機網絡原理、網絡工程等實驗講義[5]，引導學生盡可能多做實驗，以理解網絡相關技術。
　　3提高實踐能力的網絡實驗體系
　　計算機網絡實驗是網絡課程體系中非常重要的環節。為了配合這一目標的實現，我校課程組編寫了網絡實驗講義，制訂統一的實驗報告模版，并給出一些范例。這不僅增強學生的實踐能力，同時還增強學生的文字處理能力。考慮到本科生要以調動興趣和引導學生提高實踐能力為主，我們將實驗課程內容分為3個階段。第1階段是模仿式實驗，通過對實驗講義中的實驗內容進行模仿，熟悉實驗報告的流程與格式，并在實驗報告中的實驗總結部分進行討論，啟發學生進行思考，建立實驗內容與原理性知識點的聯系；第2階段是引導探索實驗，這一階段的實驗內容并沒有詳細的實驗過程，只有實驗流程及主要結果，引導學生通過所學的知識進行初步探索，也可以在教學過程中更換部分實驗內容，提高學生探索新實驗的能力；第3階段是自由探索與自主學習型實驗，實驗內容只有任務和目標，沒有具體的實驗流程與結果，要求學生在已有的實驗基礎上進行綜合性與創新性實驗。為了配合這一目標，我們要根據不同階段給出不同的實驗講義內容。
　　為了確保計算機網絡實驗與原理教學內容相吻合，達到一致性或同步的目標，我們要求合理安排計算機網絡實驗的順序。如2008年秋季計算機網絡教學的實驗內容如下：
　　實驗一：繪制拓撲結構。
　　實驗二：對等網下的受控訪問。
　　補充實驗：熟悉DOS環境操作(不交報告)。
　　實驗三：Windows網絡實用程序。
　　實驗四：制作雙絞線。
　　實驗五：網絡實用工具。
　　實驗六：鏈路層協議分析(Ethereal工具)。
　　補充實驗：交換機的啟動和基本配置。
　　實驗七：交換機的VLAN配置。
　　實驗八：子網掩碼劃分。
　　補充實驗：路由器的啟動和基本配置。
　　實驗九：路由協議的基本配置。
　　補充實驗：網絡工程中的相關實驗。
　　實驗十：CISCO路由器模擬軟件的應用。
　　實驗十一：“一點通”路由模擬軟件的應用。
　　補充實驗：傳輸層協議分析。
　　實驗十二：防火墻的配置與防護。
　　考慮到學生對計算機網絡課程的興趣度不同，除了滿足正常的基本實驗內容外，對學有余力或希望報考網絡工程師的學生，我們鼓勵他們做一些選做實驗，并將實驗講義中的一些實驗列為選做實驗，供這一部分學生自學。
　　4強調過程的成績量化考核體系
　　課程考核是保障教學目標完成的一個重要環節。計算機網絡課程考核體系由4部分構成，分別是作業成績占10%，實驗報告占20%，大作業占5%，期末考試占65%。其中，作業成績根據平時作業的完成情況標記為A、B、C、D四級，分別表示優秀、良好、中等、差。由于計算機網絡前幾章的內容主要是網絡原理部分，后續部分以技術實驗、具有一定規模的創新實驗或綜合實驗居多，將占用較多的學習時間，因此原理性作業一般只考核5次，每次滿分2分，等級A、B、C、D分別對應2、1.5、1.0、0.5分，且每次作業批閱之后，立即在網頁上公示評閱結果。通過平時的考核與要求，強調學生學習計算機網絡的過程，而非一次期末筆試。同理，計算機網絡實驗報告一般評閱13次左右，但只選取成績高的10次進行考核，這10次也是標記為A、B、C、D四個等級，每次滿分2分，分級情況與作業相同。
　　針對計算機網絡的教學內容，考慮到網絡編程和網頁設計方面的材料較多，且相對簡單，教師可以設立一個滿分為5分的大作業，可以是網絡編程實現的小型項目，也可以是小型網站，作為對第九章教材內容與學習效果的評價。該章一般不講授，由學生自學來完成，但通常這一章是補充講授其他內容，以拓寬學生的思路與知識面。這個大作業要求在機房現場驗收，并進行必要的點評。其評價依據由4部分構成：①選題具有一定意義，功能相對完整，內容積極向上，界面美觀大方，占1分；②體現多種網頁融合技術或具有聯網功能的分頁式網絡程序，程序須正確無錯誤，占1分；③任務量(代碼長度、編程類系數為2，網頁系數為1)，占2分；④文檔體系完整性(最終源碼、材料說明等)，占1分。
　　經過近幾年的反復實踐，這種新考核體系的效果非常明顯，可以加強學生平時學習計算機網絡的積極性。課程結束后，學生的計算機網絡知識、網絡實踐能力和文字處理能力都有所提高，且這種重視學習過程的評價體系也深受學生歡迎，推動了課程教學質量的提升。
　　5思考與展望
　　目前的教學體系只是近幾年實踐經驗的總結，且主要集中在網絡原理、交換機與路由器的配置和組網方面。課程組正在進行完善與改進，以適應計算機網絡技術發展的需要。如在網絡原理教學的基礎上，我們進行新的網絡課程體系規劃與設計，確保教學內容與社會需要相適應，形成網絡課程的教學特色，這一體系包括網絡原理、網絡工程、網絡安全、網站規劃與設計、無線網絡等教學內容。我院的相關實驗設備已經采購到位，課程組正在進行實驗設備的調試與實驗講義的整理，網絡安全工程階段的教學效果預計到2012年將會顯現。
　　未來的計算機網絡課程體系將需要從以下幾個方面重點改進：
　　1) 計算機網絡技術不斷發展，要求授課內容不斷更新，做到與時俱進。
　　2) 不斷改革教學方式。根據計算機學科的特點，強調任務驅動的教學模式。通過項目體驗的教學方式，引導學生對原理性知識的學習與掌握。可以多開設一些實踐性課程，在任務的實踐中體現原理指導的重要性，進而引導學生進行原理學習與探討。課程組的體會是：計算機專業技術發展較快，專業人才不僅需要教師精心組織教材進行講授，更需要引導訓練。
　　3) 不同類型的學校有不同的教學目標與教學特色，這就要求組織有經驗的教師編寫教材，以適應培養對象的目標要求，形成各自學校的教學特色，而非簡單地應用通用教材。
　　4) 加強教學組織管理，強調教學相關措施的執行力。人生而懶惰，學習效率低下，學習效果差的根源在管理，不在學生自身。因此要求學生的實驗在實驗室現場完成，課后完成實驗報告。
　　5) 制訂合理的教學計劃非常重要。在不同的教學時段，教學時間有一定的差異，同時學生的基礎程度也不盡相同，需要根據這些情況動態調整授課計劃，合理地安排相關的教學與實驗內容，確保教學目標的順利完成。
　　
　　參考文獻：
　　[1]中國互聯網絡信息中心. 中國互聯網絡發展狀況統計報告[R/OL]. (2010-10-12)[2010-08-30]. http://research.cnnic.cn/.
　　
　　[2]中華人民共和國國務院. 國家中長期教育改革和發展教育規劃綱要(2010－2020年)[M]. 北京:人民