“高級計算機網(wǎng)絡”課程教學探索

摘要：“高級計算機網(wǎng)絡”的教學目標是培養(yǎng)研究生的研究創(chuàng)新能力，使學生了解計算機網(wǎng)絡領域研究的方法、進展和趨勢，便于學生選擇今后的研究方向，為今后的研究提供方法論的參考。本文對教學內(nèi)容進行研究，設定了四大教學模塊，還研究了教學法，介紹了類比啟發(fā)式教學法和多媒體動態(tài)演示構(gòu)件進行輔助教學的具體案例。經(jīng)實踐教學證明，效果良好。

關鍵詞：高級計算機網(wǎng)絡 教學法 類比啟發(fā)式 動態(tài)演示構(gòu)件

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0121-02

“計算機網(wǎng)絡”課程是為計算機類專業(yè)本科學生開設的一門專業(yè)核心和骨干課程，該課程主要介紹計算機網(wǎng)絡的基礎原理，教學內(nèi)容一般是以計算機網(wǎng)絡的軟件體系結(jié)構(gòu)為框架，介紹各層的相關協(xié)議及算法。“高級計算機網(wǎng)絡”課程是“計算機網(wǎng)絡”課程的后續(xù)課程。本文結(jié)合上海理工大學光電信息與計算機工程學院計算機工程系為研究生所開設的“高級計算機網(wǎng)絡”課程進行了教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等方面的教學探索。

一、教學設計

1.教學目標

本科階段的課程教學一般偏重于了解和掌握理論與技術(shù)基礎，其教授方法為“授之以魚”，即重點是給學生講述已有的經(jīng)典解決方案和技術(shù)原理。而研究生階段的教學則側(cè)重于對學生研究與開發(fā)能力的進一步培養(yǎng)， 其教學更注重“授之以漁”，即培養(yǎng)學生如何解決問題的思路和方法。因此針對研究生開設的“高級計算機網(wǎng)絡”課程的教學必須以培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新能力為目標來講述計算機網(wǎng)絡的相關原理，并使學生了解計算機網(wǎng)絡領域研究的前沿問題、方法、進展和趨勢，便于學生選擇今后的研究方向，并為進一步的研究提供方法論的參考。

2.教學內(nèi)容的組織

歸納國內(nèi)各高校研究生階段的“高級計算機網(wǎng)絡”課程的教學內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)通常分為兩類。一類是沿襲“計算機網(wǎng)絡”課程的內(nèi)容以計算機網(wǎng)絡的軟件體系結(jié)構(gòu)的分層架構(gòu)為脈絡，對其原理的講述在深度和廣度上進行提升，另一類是開設一系列的前沿技術(shù)專題講座，以便學生了解計算機網(wǎng)絡領域研究的前沿問題、方法、進展和趨勢[1-3]。

上述兩種授課模式各有優(yōu)缺點，第一類講授模式能夠幫助研究生更加深入地理解計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)及核心問題，但該課程課時較少（我校為27學時），無法完整和透徹地講授該教學內(nèi)容。第二類講授模式能夠幫助研究生迅速把握本專業(yè)的熱門研究方向和研究問題，但課程內(nèi)容的組織缺乏系統(tǒng)性，難以幫助學生把握課程的核心知識點。因此本課程的教學模式無法單純遵從以上兩種授課模式。

本課程的教學目標是幫助研究生選擇今后的研究方向，并為進一步的研究提供方法論的參考。因此教學內(nèi)容既要反映計算機網(wǎng)絡領域研究的主流和前沿問題，又要分析如何選擇解決問題的方法和具體算法，以便既開闊學生的專業(yè)視野又培養(yǎng)學生的研究創(chuàng)新能力。經(jīng)過研究確定了本課程的授課方式，擬定了計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)剖析、無線網(wǎng)絡，P2P網(wǎng)絡，云計算這四大模塊為教學內(nèi)容。

（1）計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)剖析。本科階段不同專業(yè)學生的“計算機網(wǎng)絡”課程的教學側(cè)重點不同，特別是對工科類學生只是較淺顯地介紹了計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容，并未涉及較核心的原理。而且在講述和原理時，往往直接平鋪直敘，即“是什么？”。為了培養(yǎng)研究生的解決問題的能力，該部分內(nèi)容應側(cè)重分析“怎么找解決方案？”。所以，仍然將計算機體系結(jié)構(gòu)模塊納入“高級計算機網(wǎng)絡”課程的教學范疇，但賦予新的教學思路。

該模塊的主要內(nèi)容包括：計算機網(wǎng)絡概述、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質(zhì)訪問子層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層等。

（2）無線網(wǎng)絡。隨著有線網(wǎng)絡技術(shù)的成熟，人們除了科技和商務需要外，日常生活也越來越依賴各種網(wǎng)絡應用。無線網(wǎng)絡安裝方便，性價比高，成為當今網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。因此無線網(wǎng)絡的相關技術(shù)已成為了計算機網(wǎng)絡中的一個重要組成部分，作為研究生必須了解其技術(shù)的基本原理，以便為今后的研究方向的選擇奠定研究基礎。

此模塊的教學內(nèi)容重點包括兩部分。一是各無線網(wǎng)絡類型的最常用和經(jīng)典的實現(xiàn)協(xié)議介紹，二是各種典型的無線網(wǎng)絡技術(shù)的基本原理。該模塊的主要內(nèi)容包括：無線局域網(wǎng)：IEEE802.11的協(xié)議；無線個域網(wǎng)：IEEE802.15和藍牙技術(shù)；無線城域網(wǎng)：IEEE802.16d的技術(shù)；無線廣域網(wǎng)：IEEE802.20的技術(shù)；移動 Ad Hoc網(wǎng)絡的技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡的技術(shù)；無線Mesh網(wǎng)絡的技術(shù)。

（3）P2P網(wǎng)絡。P2P網(wǎng)絡的中文全稱為對等網(wǎng)絡（Peer to Peer，簡稱P2P），主要指前些年為了解決若干用戶同時到服務器上下載音樂文件而造成的網(wǎng)絡和服務器的重負荷而提出并設計實施的一種邏輯對等網(wǎng)，該網(wǎng)絡目前已廣泛應用于即時通信軟件、下載文件軟件、網(wǎng)絡游戲軟件、數(shù)據(jù)搜索及查詢軟件、協(xié)同計算軟件中。鑒于該網(wǎng)絡的廣泛應用性，學生有必要了解P2P網(wǎng)絡的基本原理。其次，P2P網(wǎng)絡的實現(xiàn)原理中有不少巧妙、經(jīng)典的解決方案，深入學習該網(wǎng)絡的相關核心原理有助于學生開拓思路、啟發(fā)學生的解決思路。

該模塊的主要內(nèi)容包括P2P網(wǎng)絡概述；第一代P2P網(wǎng)絡：混合式P2P體系及代表產(chǎn)品 BitTorrent的特點和原理； 第二代P2P網(wǎng)絡：無結(jié)構(gòu)P2P體系及代表產(chǎn)品電驢的特點和原理；第三代P2P網(wǎng)絡：結(jié)構(gòu)化P2P體系及代表產(chǎn)品的特點和原理；P2P的核心機制等。

（4）云計算。云計算是近年來研究的一種熱點計算模式，它是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計算機和其他設備。繼個人計算機變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計算被看作是第三次IT浪潮，它將帶來生活、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式的根本性改變。

云計算是分布式計算、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化、負載均衡等技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。了解云計算的相關原理有利于把握未來計算機網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。該模塊的主要內(nèi)容是：云計算的概念、發(fā)展現(xiàn)狀、實現(xiàn)機制、網(wǎng)格計算與云計算技術(shù)介紹；云計算理論的研究熱點和體系結(jié)構(gòu)研究、關鍵技術(shù)研究、編程模型研究、支撐平臺研究等內(nèi)容。

二、教學方法

本課程的教學采取教師課堂講授、學生自主學習、課堂講解與討論相結(jié)合的方式。

1.課堂教學

（1）類比啟發(fā)式教學法。為了培養(yǎng)研究生的分析問題和解決問題的能力，課堂教學的重點不是直接陳述現(xiàn)成的原理和算法，而是重點分析如何尋找解決方案的思路，因此在教學中采用類比啟發(fā)式教學法來完成該教學目標的實現(xiàn)。筆者將日常生活中的類比問題引入教學，讓學生先思考生活中問題的解決方法，再啟發(fā)學生自己提出計算機網(wǎng)絡中相關問題的解決方案，既方便學生理解原理，又調(diào)用學生的積極性，訓練了學生分析問題和解決問題的能力。具體類比啟發(fā)式教學案例如下所述：

提問：實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡通信的軟件體系結(jié)構(gòu)的理想5層結(jié)構(gòu)是否可減少一些功能層次，比如有了數(shù)據(jù)鏈路層可否省略傳輸層？

類比案例：處于甲地的A寫信給處于乙地的B的整個通信實現(xiàn)過程。

分析：通信步驟可分解為：

1）A寫信，具體內(nèi)容、語言以及書寫格式由A或AB協(xié)商確定。

2）為保證信件一定被收到，A與B事先約定收到對方信件后立刻回信。

3）A將信放入信封交給郵局。郵局按照收件人地址安排運送路線。

4）為保證信件能正確到達目的地，郵局要求每個轉(zhuǎn)接點均與前一個轉(zhuǎn)接點簽字確認。

5）信件按照每一段選定路線由交通工具運送至下一轉(zhuǎn)接點，一直傳送到目的地為止。

其中1）2）由用戶完成。3）4）5）由郵局完成。2）4）分別是用戶和郵局保證信息正確傳輸采取的手段，4）不能取代2）。

與計算機網(wǎng)絡通信軟件需完成的功能對應可得出相應層次的主要功能。

1）應用層。用戶按照收發(fā)雙方的約定對信息進行處理。

2）傳輸層。用戶采用相應手段保證收發(fā)雙方信息的正確傳輸和接收。

3）網(wǎng)絡層。保證通信子網(wǎng)提供源點到目的點的數(shù)據(jù)傳送（Packet）。實現(xiàn)路由選擇、擁塞控制與網(wǎng)絡互連。

4）數(shù)據(jù)鏈路層。保證相鄰兩個連接點間（數(shù)據(jù)鏈路）無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。

5）物理層。在物理線路上傳輸原始的二進制數(shù)據(jù)位。

其中1）2）由用戶計算機終端用戶完成。3）4）5）由通信子網(wǎng)完成。傳輸層不能省略。

（2）課堂討論、自主學習。本課程的無線網(wǎng)絡模塊、P2P模塊和云計算模塊對于學生來說是新內(nèi)容，為了培養(yǎng)學生的自主學習能力，先將模塊中的教學要點公布，提供參考教材，然后指定部分要點或難點要求學生上講臺講述，其他學生提問，教師最后再提問和講評。

2.網(wǎng)絡輔助教學平臺和多媒體動態(tài)演示課件教學

（1）網(wǎng)絡輔助教學平臺。為了彌補傳統(tǒng)教學的不足，推進學生個性化自主學習，利用教學網(wǎng)站來輔助教學，可以打破傳統(tǒng)教學時空的限制，讓學生體驗到自由獲取知識的樂趣。

筆者利用學校提供的課程中心網(wǎng)上教學平臺，實現(xiàn)了協(xié)同的教學環(huán)境。模塊有：課程簡介、教學大綱、電子教案、教學進度、動態(tài)演示、課后思考、視頻資料、課程互動。

（2）多媒體動態(tài)演示課件。在前述網(wǎng)站中的動態(tài)演示欄目中的內(nèi)容既可以是直接內(nèi)嵌在網(wǎng)頁上的動態(tài)演示構(gòu)件，也可以是能下載至本地機的動態(tài)演示構(gòu)件。動態(tài)演示構(gòu)件是指通過編程方法制作完成的課件，演示內(nèi)容并不是事先預備好的固定算法執(zhí)行過程圖片，而是參數(shù)由用戶自己任意填入，演示內(nèi)容能根據(jù)用戶給予的參數(shù)自動變換繪出。該演示構(gòu)件是一種較復雜和有效的原理或算法演示工具，讓難弄懂難理解的概念或算法形象化、具體化，能更好地表達講課內(nèi)容，因此便于學生理解教學原理，達到事半功倍的效果。

例如筆者專門為本課程的計算機網(wǎng)絡原理部分編寫了幾個動態(tài)演示構(gòu)件，以路由選擇算法RIP和OSPF為例，如圖1所示。

在該演示構(gòu)件中最上面的圖形區(qū)，用戶可以自己建立網(wǎng)絡拓撲圖。當點擊鼠標左鍵，將自動在點擊位置畫出圓點（代表路由器）并命名，連續(xù)用右鍵點擊兩個圓點，則在兩點間畫出連線，開銷值可由構(gòu)件右側(cè)的文本框的輸入值來改動。指定源端路由器后，點擊“開始”按鈕，在圖形區(qū)下端的文本區(qū)1中則按照用戶選擇的RIP或OSPF算法一邊計算，一邊顯示計算的中間結(jié)果，同時在圖形區(qū)把正在計算的路線變?yōu)榧t色來給用戶提示。算法計算完畢，在文本區(qū)2繼續(xù)計算各路由器的路由表，并將結(jié)果顯示出來。

三、結(jié)束語

“高級計算機網(wǎng)絡”課程作為計算機網(wǎng)絡與通信領域的研究生核心課程，對該領域的科學研究與工程技術(shù)工作者至關重要。通過分析“高級計算機網(wǎng)絡”課程在教學實踐中的問題，筆者根據(jù)教學對象的實際情況和教學目標，對教學內(nèi)容和教學方法進行了研究，力求培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，拓寬學生解決問題的思路，因此設計了計算機網(wǎng)絡原理剖析、無線網(wǎng)絡、P2P網(wǎng)絡、云計算網(wǎng)絡四個教學模塊，并采用類比啟發(fā)式教學法、課堂討論、自主學習、網(wǎng)絡輔助教學平臺和多媒體動態(tài)演示課件教學等方法提高教學水平，通過實踐，取得了很好的教學效果。在后續(xù)的教學實踐過程中，筆者將不斷對課程進行相應的改革創(chuàng)新，達到傳授知識、提升能力的教學目標。

參考文獻：

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[3]張紅梅.“高級計算機網(wǎng)絡”課程的教學途徑探討[J].桂林電子科技大學學報，2009，29（4）：332-334.

（責任編輯：劉麗娜）