TCP/IP網絡“字條傳輸案例教學”設計

彭緒富　嚴慧　朱小婉

摘 要：為提高教學效率，廣泛開展案例教學研究成為當前教育工作者重要的任務之一。為此，以案例教學的特性為目標，詳細分析了《計算機網絡與安全》課程的專業屬性及其教學目標，針對《計算機網絡與安全》課程的教學內容和目標要求，基于問題求解方式，設計了“字條安全可靠傳輸”的教學案例，采用多級問題由簡入難逐步深入的設問方式，對信息安全可靠傳輸中每一環節教學進行了詳細設計，通過提問、討論、反饋、點評四步驟，構建師生之間、學生之間相互討論交流平臺，幫助引導學生積極思考問題，最大限度激發學生探索問題、分析問題、解決問題的積極性，提高學習效率。進一步為案例教學資源庫建設，豐富案例教學資源庫作貢獻。

關鍵詞：案例教學特征；Internet網絡體系結構；安全協議；字條傳輸案例；教學設計

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

Abstract：In order to improve teaching efficiency，current educators are required to conduct extensive research on case teaching.Targeting the characteristics of case teaching，the paper presents a detailed analysis of the professional attributes and teaching objectives of the Computer Network and Security course，and designs the teaching case of Secure and Reliable Transmission of the Note，according to the course content，target requirements and the method of problem solving.In the case，each teaching step in secure and reliable information transmission is designed through multi-level questions from easy to difficult.The discussion and communication platform between teachers and students and among students is constructed through the four steps of questioning，discussion，feedback and comments，which guides students to think actively，motivates them to explore，analyze and solve problems，and improves their learning efficiency.The paper further contributes to the construction and enrichment of the case teaching resource library.

Keywords：the characteristics of case teaching；Internet network architecture；security protocol；note transmission case；

teaching design

1 引言（Introduction）

隨著我國人才培養向應用型轉型和創新型人才培養需求，案例教學法的應用研究成為當前各類學校重點支持的科研課題。尤其是理工科領域，要求創新型、探索型、應用型、技能型人才的培養更加突出，開展案例教學成為當務之急！由于案例教學的推廣應用在我國還處在初步階段，還存在很多問題。如：案例零散，采編水平不高；案例來源渠道過窄，實踐性不強；案例私有化明顯，案例庫共享性差；案例教學的案例庫開發與建設程度低[1，2]；學校政策支持力度不夠；呼吁宣傳力度不夠；教師習慣于傳統教學，案例教學意識不強等問題；要推廣應用案例教學應從最基本的案例教學設計做起。本課題對典型工科課程《計算機網絡與安全》中TCP/IP體系結構案例教學進行了設計和探討。

《計算機網絡與安全》隸屬于工科領域“計算機科學、網絡工程、通信工程”等學科的核心課程，該課程既有抽象的理論知識，又有較強的實踐技能知識。在教學中因其理論知識的抽象性、枯燥無味性和技能知識的繁瑣性，使得學生對該課程的學習缺乏興趣，采用傳統的知識點講解教學法，學生很難正確理解相關知識，教學效率也不高，要想提高《計算機網絡與安全》課程的教學效率，就必需借助具有直接感觀性的案例開展教學。

2 案例教學特征與《計算機網絡與安全》課程屬性

分析（Analyze of teaching case's characteristic

and professional attributes of computer network

and security course）

因為案例教學的真實性、實踐性、交互性、創新性等優勢，使得各類學科領域都積極開展案例教學研究。案例教學與學科課程屬性密切相關，如何充分利用案例教學的優勢開展教學，需要全面挖掘案例教學特性及學科課程的專業屬性[3]。

2.1 案例教學特征分析

所謂案例就是為了一定的教學目的，圍繞特定的一個或幾個問題，以事實為素材而編寫的具有真實情境的客觀事例。案例和案例教學具有以下特征。

2.1.1 案例特征endprint

（1）真實性：案例取材于工作、生活中的真實事例，不是憑借個人想像杜撰出來的產品。

（2）完整性：案例敘述的是從開始到結束的完整情節，并包括一些戲劇性的沖突、矛盾及問題。

（3）典型性：案例是由一個或幾個問題組成的，內容完整，情節具體詳細，具有與課程屬性相關的典型事例，代表相關知識的本質屬性，并輻射相鄰課程的理論知識，包括學生在實踐中可能會遇到的問題，從而使學生不僅掌握有關的原理和方法，而且也促使他們將理論和方法用于實踐。

（4）結果多元性：案例的答案或結論，不是固定唯一的，而是多元的，事實上不存在絕對正確的答案。對同一案例同一問題，每個人都有不同的見解和不同的解決方法。因此，案例中的問題不存在標準答案。當然，教師通過引導學生討論，可從多種答案中得出最佳答案。

2.1.2 案例教學特征

（1）明確的目的性：在案例教學中，無論是案例的編寫與選擇，還是案例教學中每一環節的設計，都要圍繞一定的教學任務和教學目標來進行。

（2）啟發性：為達到教學目的，每一案例都應該能夠引人深思，啟迪思維，進而深化理解教學內容。

（3）時空性：案例中的事件有固定的發生時間、地點，處于一定的時空框架之中[3]。

（4）動態交互性：案例教學有四個要素：提問、思考、反饋、點評。這四要素決定著課堂的基調、氣氛、進度和文化。針對案例問題的求解，教師和學生相互提問、討論、解答。促進雙方思考探求并最終獲得答案。

（5）學生主體性：案例教學強調以學生探求知識為主，以教師引導釋疑為輔的方式開展教學，案例教學主要是培養學生在一定的情境和條件下，分析問題、思考問題和解決問題的能力，進而提高他們的決策水平。

（6）創新性：案例教學的創新主要體現在三個方面，一是案例的本身就是一種創新，案例來源于現實事例，又提煉于現實事例，它不是現實事例的簡單復制，而是基于現實事例，圍繞知識問題的創新設計；二是案例教學設計的創新性，案例用于教學必須根據教學目標、學生認知體系、教學與學習環境進行創新設計，以有利于提高學習效率，創新性的解決問題；三是學生能力培養的創新性，案例中問題的求解沒有固定方法和途徑，沒有標準答案，這有利于學生積極思考，充分發揮創新思維、創新方法，尋求創新結果，以此達到培養學生創新能力的目的[4]。

（7）知識運用的綜合性：案例教學的實施，需要學生綜合運用各種知識和靈活的技巧來解決案例中的問題，不斷地提高分析問題和解決問題的能力。

（8）突出的實踐性：案例來自于社會真實事例，學生以主體身份參與事例中，解決問題并完成任務，所以案例教學具有很強的實踐性。

2.2 案例教學與傳統教學的區別

案例教學與傳統教學有著質的不同，二者的區別主要有：

（1）教學目的：傳統教學主要側重于傳授知識，而案例教學主要強調通過學生發現問題、分析問題、解決問題來獲取知識和培養專業技能。

（2）教學媒體：傳統教學一般使用固定的教科書；案例教學使用的是具有特定問題的真實情境任務或事例。

（3）教學方式：傳統教學主要是課堂講授式，交流溝通渠道主要是單向流動；而案例教學則強調使用引導式、啟發式、任務驅動式。師生間的交流溝通渠道是多向的，可以教師向學生、學生向教師、學生向學生、學生向外界相互交流。

（4）師生地位：傳統教學以傳授知識為主，學生在整個教學活動中居于被動地位；案例教學中，教師的角色是指導者和推動者，學生在教學活動中居于主動地位。

（5）教學效果：傳統教學中，學生處于被動地位，學習的積極性較低，雖然能夠傳授比較系統的知識，但獲得的是教師經過篩選、過濾等加工后的“第二手”知識，并且能力培養效果明顯不足；而在案例教學中，學生處于主動地位，他們積極參與教學中各個環節，積極性較高，學生通過自己分析、思考、討論、交流，獲得的是“第一手”知識。

綜上所述，推廣案例教學將有利于創新型、應用型人才的培養；有利于找到理論與實踐的最佳結合點；有助于提高教師的綜合素質；有利于實現教師的全面發展[5，6]；有利于提高教學效率。

2.3 《計算機網絡與安全》課程教學內容與教學目

標分析

2.3.1 《計算機網絡與安全》課程教學內容

《計算機網絡與安全》是計算機科學與技術、網絡工程、通信工程等IT領域各學科的專業核心課，因篇幅所限，在此僅對該課程的核心內容TCP/IP四層體系結構及其安全傳輸協議的教學內容進行介紹。

TCP/IP四層體系結構從上到下分別為：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層。其中每一層執行一特定任務。該結構模型的目的是使硬件在相同的層次上相互通信，每一層都由下一層提供的服務完成本層的需求，并向上一層提供服務。各層的功能是：

應用層：應用層面向不同的網絡應用引入了不同的應用層協議，為用戶提供所需要的各種服務，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

傳輸層：傳輸層的功能是使源端主機和目標端主機上的對等實體可以進行會話，為應用層實體提供端到端的通信功能，保證數據包的順序傳送及數據的完整性，該層定義了兩個主要的協議：傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）。

網絡層：主要解決主機到主機的通信問題，它的功能是把分組發往目標網絡或主機。同時，為了盡快地發送分組，可能需要沿不同的路徑同時進行分組傳遞，該層有三個主要協議：網際協議（IP）、互聯網組管理協議（IGMP）和互聯網控制報文協議（ICMP）。

鏈路層：它負責數據在主機和網絡之間的交換，要求能夠提供給其上層（網絡互聯層）一個訪問接口。事實上，TCP/IP本身并未定義該層的協議，而由參與互聯的各網絡使用自己的物理層和數據鏈路層協議，然后與TCP/IP的網絡接入層進行連接。endprint

該課程的特點是：科學性、理論性強、其核心內容通信協議比較抽象，課程實驗內容大多是應用層面的技術配置與技術開發，對深層次的通信安全傳輸協議只是從教科書中閱讀理解，缺乏深層次的協議方案設計，以至于學生學習該課程只是一知半解，似懂非懂！

2.3.2 《計算機網絡與安全》教學目標

《計算機網絡與安全》課程的教學目標主要有：

（1）了解計算機網絡通信的基本原理；

（2）掌握Internet網絡四層體系結構及各層的服務功能；

（3）熟悉Internet網絡中信息傳輸的流程；

（4）掌握FTP、HTTP、Telnet、DNS、SMTP、TCP、TP、UDP等主要協議的基本內容；

（5）了解對稱加密算法和非對稱加密（公鑰加密）算法的基本原理；

（6）了解Internet網絡中各層信息安全可靠傳輸的常用協議。

3 課堂字條傳輸案例教學設計（Design of teaching

case in transmission of the classroom note）

案例問題：假設某班有M個學生在教室上課，學生學號為：1—M，教室有N個座位，座位編號為：1—N，并且N大于M。學生隨機選擇座位就座，某學生甲有一字條（信息）需要傳給學生乙。在此字條傳輸中要求滿足三個條件：

（1）中間傳輸字條的同學不能知道字條的內容（要求信息保密）；

（2）中間傳輸字條的同學不知道字條的發送人和接收人是誰（要求地址保密）；

（3）如果中間傳輸人截留或丟失字條，要求能夠發現并查詢是誰（要求信件可靠傳輸）。

通過字條傳輸方案的設計，使學生逐步正確理解Internet網絡TCP/IP四層體系結構中各層功能及服務協議內容。

請設計此字條的安全可靠傳輸方案（協議）。

案例教學設計思想：采用問題導入教學法，由淺入深，由簡單問題到較難問題逐步深入循序漸進的教學設計法則，引導學生由淺入深地思考問題，分析問題，并最終解決問題。

教學方法：將案例問題分解為：字條簡單傳輸、字條信息保密傳輸、字條信息保密可靠傳輸三個要求級別，逐步深入展開設計案例教學。

3.1 字條簡單傳輸案例設計

問題1：假設某班有M個學生在教室上課，學生學號為：1—M，教室有N個座位，座位編號為：1—N，并且N大于M。學生隨機選擇座位就座。某學生甲有一字條（信息）需要傳給學生乙，請設計傳送方案。

問題分析：由于對字條的傳輸沒有保密要求，所以這個傳輸方案設計比較簡單，大多數學生都能設計。下面是比較典型的設計方案：

第一步：準備字條信件：學生甲將字條寫好并折疊（或裝入信封）。在封面寫明接收人學生乙的姓名或學號，也可以附加寫上發送人的姓名或學號。

第二步：選擇發送路徑：學生甲觀察學生乙所坐的方位，將信件交給學生乙所在方位并且與自己相鄰的同學（學生丙）。

第三步：學生丙觀察學生乙所坐的方位，將信件交給學生乙所在方位并且與自己相鄰的同學（學生丁）。如此進行，直到信件傳到學生乙為止。

方案分析：以上字條傳輸方案在中小學學生上課時經常使用，很明顯，這是一個簡單且不能保障字條安全傳輸的方案，這種傳輸方案存在明顯的問題：

（1）不保密：字條信息沒加密，中間傳輸人都可能拆看信息；

（2）收發人的信息未隱藏：信件封面上有收信人和發信人信息，中間傳輸人都知道收信人和發信人是誰，這暴露了收發人的信息；

（3）不可靠：中間傳輸人很可能截留信件或丟失信件。

3.2 字條保密傳輸案例設計

問題2：在問題1的基礎上增加：學生甲的字條（信息）需要保密傳給學生乙，請設計傳送方案。

第一步：準備字條信息，學生甲將字條寫好裝入信封并密封，當然，為達到保密性，學生甲也可用暗號寫字條信息。在封面書寫注明接收人學生乙的姓名或學號，也可以附加寫上發送人的姓名或學號。

第二步：同問題1中的第二步。

第三步：同問題1中的第三步。

方案分析：以上字條傳輸方案同問題1的主要區別就是學生甲在準備字條信息時，對字條信息進行了密封（加密），可保證字條傳輸時信息的保密性，但還是存在收發人的信息未隱藏和傳輸不可靠的問題。

下面對字條傳輸案例進行改進，得到字條信息保密安全可靠傳輸案例設計。

3.3 字條信息保密安全可靠傳輸案例設計

問題3：對問題2增加條件：要求中間傳輸字條的同學既不知道字條的內容，也不知道字條的發送人和接收人是誰，如果有人截留或丟失信件能夠發現并查詢（此即上面的案例問題）。請設計此字條的安全可靠傳輸方案（或協議）。

問題分析：該問題是一個多種路徑選擇的信息保密可靠傳輸問題，可與Internet網TCP/IP四層體系結構應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層相對應進行設計傳輸方案（或傳輸協議）。通過此傳輸方案的設計便于學生更好地理解TCP/IP四層體系結構。方案設計如下：

第一步：應用層設計，學生甲書寫字條信息（也可用暗號寫字條信息），將字條密封（對稱加密），并裝入一個盒子內。該層主要事務是準備信息和加密信息。

第二步：傳輸層設計，全班共同商議，每位同學各買一把鎖，并在鎖面貼上自己的學號標簽，要求每把鎖都不同（即鎖與鑰匙是一一對應的），將所有同學的鎖集中放在一個安全的位置，鑰匙留在學生自己的手中。學生甲根據學生乙的學號取來學生乙的鎖，用此鎖將裝信息的盒子鎖上，并撕掉學生乙的學號標簽（非對稱加密），并標記一個信件虛擬號。該層主要功能是設計端到端如何做到安全通信。endprint

第三步：網絡層設計，同學之間信息傳送途徑有多種方式，如：按實際座位號傳送、按學號傳送等。假設經全班同學共同協商，決定按座位號傳送信息，傳輸方向為由小號向大號，最后的座位號N傳向1號。

為了信息傳輸的安全不丟失，中間傳輸信件的每一位同學都必須記載如下信息：信件虛擬號、傳送時間、上一位同學的座位號、下一位同學的座位號。便于信件被截留或丟失時查詢。該層主要設計信件盒子的傳送途徑，即：當某同學拿到信件盒子時如何選擇路徑將此盒子傳給下一位同學。

根據以上協議，學生甲準備向相鄰的下一位同學傳送信件盒子。

第四步：鏈路層設計，該層主要是選擇傳輸方式，一個同學如何將信件盒子傳遞給下一位同學，此步類似于在Internet網絡中的物理信號選擇。一個典型的傳輸方式設計如下：

當兩同學座位很近時就可手與手直接傳遞，在Internet 中相當于近距離的雙絞線（電脈沖）傳輸。

當兩同學座位相距較遠且在同排桌子時，可利用桌面推送給下一位同學，在Internet 中相當于光纖（光脈沖）傳輸。

當兩同學座位相距很遠且不在同排桌子時。就利用空中拋向下一位同學。在Internet 中相當于電磁波傳輸。

第五步：當一個同學收到信件盒子，則向前面的同學回復信息收到（此步為網絡層事務）。

第六步：每個收到信件盒子的同學用自己的鑰匙試嘗開啟盒子，如果不能打開盒子，則將此盒子傳向下一位同學，如果能打開盒子（非對稱解密），則此信件盒子為自己應該接收的信件（此步為傳輸層事務）。

第七步：當收到信件盒子的同學能打開盒子時，則進一步揭封（對稱解密）查看信息內容（此步為應用層事務）。

到此為止，一次字條信息安全保密可靠地傳到對方手中。

方案分析：該方案可實現信息安全保密并可靠的傳輸。案例設計的每一步與Internet網絡TCP/IP四層體系結構的功能、協議、服務緊密對應，便于學生很好地理解Internet網絡TCP/IP四層體系結構的相關功能和知識。

思考題：在傳輸中如果信件盒子丟失，該如何查詢并重傳？收信人如何揭封（對稱解密）查看信息內容？

3.4 字條傳輸案例教學分析

該教學案例利用課堂字條傳輸的真實情景模擬Internet網絡TCP/IP四層體系結構的知識原理，采用“情景—理論應對”效應，將抽象的理論知識寓教于真實事件中，達到案例教學的趣味性、交互性、探索性、創新性、高效性等特性。并能實現課程知識教學傳授的如下目標：

（1）通過字條安全可靠傳輸設計案例，使學生深刻理解Internet網絡TCP/IP四層體系結構的具體功能。

（2）通過字條傳輸中的各步安全設計，使學生充分理解Internet網絡TCP/IP層次的設計思想、原理、要求、安全傳輸內容和意義。

（3）通過“信息加密、鎖、鑰匙”使學生正確理解對稱加密和非對稱加密算法的原理、方法和用途。

（4）通過案例教學進一步培養學生積極思考、探索發現問題、分析問題，最后解決問題的基本技能和創新思維。

（5）案例教學之“神”在于對教學質量和教學效率的追求，字條安全可靠傳輸教學案例，通過“提問、討論、反饋、點評”四步驟達到以“學員為中心”的教學理念。

（6）該案例教學突破傳統教學方式，建立融合師生間溝通交流的平臺，通過來源于實踐的鮮活形象的案例，促進師生之間、學生之間、課堂與社會之間對問題的交互分析、探索、求知、理解，促進思想的碰撞，最終達到對知識內容的掌握、推廣、升華和創新。

4 結論（Conclusion）

《計算機網絡與安全》課程的“字條傳輸案例教學設計”，可以達到師生間教與學相互交流，逐步深入，引導幫助學生如何通過各種途徑獲取解決問題的答案，從而使學生能夠快速適應學習環境，激發學生就某一問題展開深層次的討論，最大程度激發學生探索問題、分析問題、解決問題的積極性。提高學生學習計算機網絡知識的強烈興趣，提高學習效率，實現案例教學的目標。“字條傳輸設計”案例教學的成功使用，并進一步提交到教學部門案例教學資源庫，將豐富案例教學資源庫，為案例教學資源庫的建設作貢獻。

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作者簡介：

彭緒富（1964-），男，碩士，教授.研究領域：多媒體技術，信息安全，智能算法.

嚴 慧（1992-），女，碩士生.研究領域：智能算法，計算機應用.

朱小婉（1993-），女，碩士生.研究領域：計算機教育，計算機應用.endprint