“五位一體”計算機網絡課程教學模式

彭碧濤,羅海蛟

（廣東外語外貿大學 思科信息學院,廣州 510006）

1 問題提出

計算機網絡作為計算機專業和網絡工程專業的專業主干課程[1]，是很多后續課程的基礎，了解和掌握計算機網絡知識及具備相應的能力對本專業學生非常重要。但當前的專業課不同程度地存在教學內容與實踐環節相脫節、教師教學手段單一、課堂交互性差等問題，導致學生對專業課的學習興趣淡漠。走出舊的教學樊籬，構建全新的科學合理的教學模式，培養學生的創新精神和實踐能力，是計算機網絡課程的教學重點[2]。

1.1 協議的理論學習與實際掌握的矛盾

在計算機網絡的教學中，由于學生第一次接觸網絡協議、服務等概念，加上網絡協議本身的專業性、規范性、嚴謹性和抽象性，使得其對網絡術語、網絡協議等感到晦澀難懂，即使能夠熟記書本上的相關概念和內容，但是還是很難理解所學習的網絡協議到底如何工作，沒有感性認識，只是背誦概念和理論。而教師只是在課堂上通過教學花費大量的時間講解網絡術語、協議規范等，這并不能幫助學生很好的理解和掌握所學習的內容。因此，簡單的“理論講解——背誦協議——期末考試”的教學方式難以達到較好的教學效果，更無法培養學生網絡思維能力和運用網絡知識解決實際問題的能力。

1.2 理論教學與實踐應用脫離

計算機網絡的協議理論較多，而且內容抽象，因此大多采用理論教授為主，而缺乏對網絡技術的實際應用學習，與實際應用脫節。有的老師認為，理論學習學好尚且困難，就不用考慮實際應用了；有的老師追求協議理論的掌握，認為實際應用可以等以后工作了再去學習；有的老師雖然意識到了實踐應用教學的優勢，但是只是紙上談兵，無法與理論教學實現融會貫通，學生最終還是只有概念，而無法形成具體的實際認識。這樣缺乏實踐應用的教學最終讓學生對網絡知識的理解還是停留在似懂非懂的階段。

1.3 網絡協議基本掌握與深入理解的矛盾

在計算機網絡教學內容中，由于教材中對網絡協議的描述和解釋多采用文字和圖表的方式進行闡述，學生很難深入理解網絡協議的動態運行過程，以及各種運行環境、協議算法和參數對網絡性能的影響，無法真正理解不同的協議的原理和算法的含義，也無法從源代碼層次上來控制或顯示協議在同一實體中不同協議層次間的交互實現。從而導致學生對網絡協議的學習，只是停留在淺層次的基本掌握，而無法深入認識網絡體系結構的關鍵環節，以及各種關鍵協議和算法的內在原理與實現。

2 問題切入

“五位一體”教學模式，是指在計算網絡教學中，遵循“教學目標定位——協議理論學習——協議基本實驗——協議實驗仿真——網絡規劃與設計”五位一體的思路，采用復合教學的方式，在教師的引導和組織下，通過從多個層次和多個角度的學習和實踐，來理解隱藏在基本網絡概念背后的協議內涵，從而使學生深入理解網絡協議的思想，以及掌握從不同維度運用計算機網絡理論分析和解決網絡問題的一種全新的教學模式。

“五位一體”教學模式的主要特點是通過具體的多層次的實驗，運用協議分析、協議模擬仿真和網絡規劃等多鐘實驗手段，將抽象的、生澀的網絡協議理論轉化為具體的、可操作的案例，把書本上的理論學習體現在具體的實際操作中。這樣，計算機網絡中每一章和每一節的學習不再是一個個協議理論的堆砌和原理的背誦，而變成了一個個具體的可見的問題和對應的解決方案；網絡協議的學習不再是被動的接受和背誦，而變成了問題的討論、主動思考和實現。通過設計適當的案例和問題，教師適當的講解、點撥與指導，營造學生主動學習的氛圍，促進學生知識的自我理解、能力的自主提高和素質的自然培養。

“五位一體”的復合教學模式，從理論出發，結合各個層次和角度的實驗，深入淺出，化抽象為具體，可以更好的幫助學生認識和理解計算機網絡的相關協議理論。這種教學模式，注重理論與實踐的結合，注重培養學生的網絡能力培養，可以更好的實現計算機網絡教學的教學目標和培養要求。下面，將對“五位一體”復合教學模式展開深入具體的展開和論述，以實現計算機網絡教學目標和教學要求，同時便于在實際教學中推廣。

3 問題解決

3.1 教學目標定位

教學目標是整個計算機網絡教學的基礎，是制定教學計劃、教學內容、教學模式的基石。計算機網絡的教學目標是：熟練掌握計算機網絡的相關協議，理解網絡協議的內涵，掌握相關協議的設計與原理，并最終能夠熟練的對協議進行仿真和修改，同時能夠規劃和設計小型的網絡，培養學生網絡思維能力和運用網絡知識解決實際問題的能力。要實現這樣的目標，一方面需要教師能夠對整個網絡協議的原理、網絡協議的底層源代碼、網絡協議的仿真與模擬，以及網絡規劃與設計軟件的熟練掌握；另一方面需要在制定教學計劃、教學內容和教學模式上，切實結合計算機網絡的特點，在總體網絡框架的基礎上，分離出教學的重點，然后針對每一個教學重點，設計對應的理論和實踐教學內容。

3.2 協議理論學習

計算機網絡學習內容主要在于物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層的各種協議的理解、掌握與運用，通過重點學習各個層次中的關鍵知識點，合理安排教學內容和教學計劃，使得既能涵蓋相應的網絡知識點，又能夠通過實驗和實踐以滿足掌握網絡的思維，能夠分析和解決網絡各層中的問題。

在物理層，重點學習通信的基本模型和幾種信道復用技術的原理；在數據鏈路層，重點學習點對點鏈路和廣播鏈路的原理，以及如何使用集線器和交換機擴展以太網；在網絡層，重點學習IP地址，ARP，IP數據報格式，IP轉發流程，子網和超網，ICMP協議，路由協議：RIP、OSPF和BGP，路由轉發原理，多播、VPN和NAT；在傳輸層，主要學習UDP協議和TCP協議的原理，包括報文的結構，可靠傳輸的原理與實現，流量控制技術，擁塞控制技術和TCP連接管理；在應用層，重點學習DNS，FTP，WWW和郵件協議；在網絡協議的擴展上，重點學習兩種密碼體制的原理，以及利用PKI實現網絡安全；對于因特網上的音視頻協議、無線網絡協議和IPV6協議可以簡單講解即可。經典教材可以使用謝希仁教授出版的《計算機網絡》（第6版）。

3.3 協議基本實驗

由于協議理論部分非常抽象且生澀，僅僅理論的學習完全無法掌握計算機網絡相關協議的內容，因此基本的協議實驗可以輔助理解網絡協議的內容。當前比較成熟的網絡協議仿真教學系統主要是中軟吉大開發的《網絡協議仿真教學系統》，針對網絡協議的相關內容，該實驗系統設計了相關的實驗環境和實驗內容，可以輔助學生很好的理解和掌握相關的網絡協議，其中主要包括：以太網數據幀的構成、IP地址分類與IP數據包的組成、ARP地址協議解析、ICMP Internet控制報文協議、UDP用戶數據報協議、TCP傳輸控制協議、FTP協議、DNS協議、DHCP協議、SMTP協議等從數據鏈路層、網絡層、傳輸層到應用層等各種具體協議的實驗。通過這些實驗的練習，可以很好的理解每個數據幀、IP數據包、傳輸層數據報以及常用應用層每一個協議每一個比特位的構成和其作用，以及數據發送與傳輸的原理與交互，可以讓學生產生感性的認識。

3.4 協議仿真實驗

網絡協議基本實驗基于實驗環境，可以讓學生理解和掌握協議的部分細節和原理，但是學生無法從源代碼層次上控制或掌握協議在同一實體不同協議層次之間的交互、以及網絡協議在不同實體間的互動，學生也無法掌握不同協議參數的效果以及協議優化的思想。通用的NS2協議仿真平臺基于事件驅動，提供了離散事件的模擬功能，可以很好的從源代碼層面輔助學生理解網絡協議的具體工作流程，提高計算機網絡的教學效果。基于C++和OTCL腳本語言來仿真網路協議和網絡組件交互，其中承擔角度數據處理功能的網絡組件用C++開發，OTCL語言則用來描述網絡仿真的場景及一些簡單的網絡組件。

3.5 網絡規劃與設計

通過網絡基本實驗和協議實驗仿真，學生基本可以對網絡協議的原理、使用和修改有很好的掌握，最后一步就是從應用層面的角度，來規劃和設計一個小型的網絡，使用集線器、交換機和路由器來構建和配置網絡。由于購買相應的硬件成本較高，可以使用思科公司提供的PacketTracer模擬軟件為學生設計、配置和排除網絡故障提供網絡模擬環境。用戶通過圖形化的界面搭建一個網絡拓撲，然后在命令行學習網絡參數的配置，同時可以觀察數據包在網絡中的詳細處理流程。通過配置IP地址、子網掩碼、路由協議、DHCP、VLAN和NAT等多種網絡的參數，來熟練掌握一個小型網絡的實施，同時理解和鞏固相關的網絡協議。

4 總結

基于“五位一體”的復合教學模式，構建全方位的計算機網絡學習結構，通過目標定位、理論學習、協議基本實驗、協議仿真實驗和網絡規劃與設計，從不同角度多層次來培養學生的網絡思維和網絡實踐能力，可以實現很好的計算機網絡教學效果，提高學生的實踐創新能力和綜合素質，培養高層次的計算機網絡人才。

[1]萬宇文,黃林穎.計算機網絡課程教學改革與實踐[J].2014,7(13):79-82.

[2]姚琳,孫偉峰,吳國偉等.計算機網絡教學模式探討[J].2011,10(19):70-73.

[3]謝希仁.計算機網絡[M].北京:電子工業出版社,2008.