應用型本科《計算機網絡》課程教學改革探索*

王春林，陳曉林，秦海菲

(楚雄師范學院信息與技術學院，云南 楚雄 675000)

1.引言

應用型本科培養目標是本科層次應用型人才的高等教育。它更強調實踐性、應用性和技術性。要求學生具有較為寬廣的理論基礎和可供廣泛遷移的知識平臺。也要求學生具備較強的學習和解決問題的能力，為后繼的發展奠定基石[1]。計算機網絡課程是網絡工程和計算機科學與技術兩個專業的核心課程，其主要任務是講授計算機網絡及其工作原理，使學生掌握和理解網絡知識能夠使用這些知識解決實際問題。該課程的教學效果直接影響這兩個專業的人才培養，同時也是后繼課程：網絡安全，網絡工程，網絡性能分析等課程的前驅課程。另一方面計算機網絡是碩士研究生入學統考科目之一、軟件資格考試網絡工程師的核心知識。為了符合社會的需求對其進行教學改革勢在必行。

2.存在的問題

本文以應用型本科轉型、重視實踐教學、強化應用型人才培養為背景，圍繞課程特性，講授內容，實踐教學等幾方面對計算機網絡課程在教學過程中如下4個普遍存在的問題進行剖析。

2.1知識抽象，學生難以充分理解

計算機網絡在傳統的教學過程中主要講授網絡協議及其工作原理，而協議本身是抽象的、復雜的、摸不著看不到，只有通過實驗才能充分地理解這些內容。對于這些知識點，使用傳統的教學方法很難去驗證和分析。教師在講授過程中雖然花費了許多精力和時間，但由于僅停留在理論講授，學生最終一知半解，遠沒有達到教學要求，最終無法應用這些知識去分析和解決問題。

2.2教學內容選擇不合理，學生難以全面掌握

計算機網絡課程是對計算機網絡各層及其協議的講授過程。在教學過程中，由于協議的嚴謹性和抽象性，學生需要先理解再記憶。而完整的計算機網絡理論體系大概需要800頁才能完整描述。另一方面，多數學校只為該課程設置72個或者90個學時的教學時間，這顯然是無法完成教學內容的。所以必須對教學內容進行精簡，把陳舊的、不常用的知識進行刪除或者不講授，集中精力抓住重點形成一個較為合理和實用的計算機網絡核心知識體系，使學生在最短的時間內掌握這個知識體系，然后在后續的課程中根據需要進行進一步的擴展和深入。

2.3實驗教材不配套，實驗內容沒有針對性

目前計算機網絡的教材主要是圍繞著理論和抽象的工作原理展開講授，在實驗實踐教學中沒有與之配套的實驗教材。因此在實驗教學環節中任課教師根據自身特點和理解任意開設實驗內容。通常用服務器設置、路由器與交換機的配置等實驗來替代計算機網絡的理論驗證和佐證實驗，甚至出現實驗內容與計算機網絡的原理相關性弱。最終使學生產生錯覺：懷疑所講授的內容和知識是否真實存在，隨后開始排斥甚至厭惡計算機網絡課程的學習，更無法達到利用知識去分析和解決問題的教學目的。

2.4不同專業教學內容取舍的不統一，使得課程在對應專業的地位與作用未充分體現

除網絡工程、計算機科學與技術這兩個專業外，信息技術、通信工程、計算數學等專業也會開設該門課程，統一的標準是無法滿足所有專業對本課程的要求。但由于計算機網絡理論知識過于繁多，該課程在不同專業的人才培養方案中的地位與作用、課時設置、對學生的要求也不盡相同。因此，在教學中教師對教學內容的取舍也會有所不同。但在具體教學的過程中，由于一些特殊的原因(如不同專業合班課等)，往往教學內容會發生較大的變動。所以我們要根據不同專業特性進行適當調整、突出重點和專業特性，避免過于簡單和繁重。網絡工程、計算機科學與技術這兩個專業對本課程的要求是最高的，所以在講授過程中應該形成一個完整的計算機網絡知識體系，否則將無法達到本專業的培養目的。

3.教改實施

針對上述4個普遍存在的問題及課程特點，筆者在教學的過程中從以下幾個方面進行了大膽的嘗試。通過教改，激發了學生學習的興趣，使學生更好地理解和掌握該課程，培養學生分析和解決問題的能力，并取得了較好的效果。

3.1教學內容篩選

在計算機網絡課程講授中，存在TCP/IP四層和OSI七層兩種體系結構。OSI七層體系結構理論完整，但由于過于復雜又不實用，在工業界幾乎沒有設備支持它，同時它又是國際標準。與它對應的是事實上的國際標準TCP/IP四層體系結構，工業界所有的網絡設備都支持TCP/IP體系結構。在學習和研究中為了兼顧OSI和TCP/IP兩種體系結構，一般采用折中的五層體系結構，而五層體系結構是不存在的，它是綜合OSI和TCP/IP兩者的優點。在講授中圍繞五層體系結構的應用層、運輸層、網際層、數據鏈路層和物理層，及其各層協議的封裝和解封裝展開講解。對于網絡工程、計算機科學與技術專業我們在實施教改的過程中，主要選擇了如下內容講解。

1.物理層，講授傳輸媒體，復用技術，常見編碼；

2.數據鏈路層，講授CSMA/CD、碰撞域和廣播域概念和控制、網橋(交換機)的工作原理、無線局域網等；

3.網絡層，講授IP協議、ARP、RIP、OSPF、IP地址及子網和超網的劃分等；

4.運輸層，講授不可靠協議UDP和可靠協議TCP，重點講授TCP的實現、流量控制、擁塞控制和連接管理；

5.應用層，講授DNS、FTP、HTTP，Email，DHCP等服務器工作原理，并介紹應用層協議設計和網絡編程。

6.其它，在講授中適當引入接入網技術、虛擬局域網，NAT和VPN等知識，最后通過綜合案例對所學知識進行融合慣通。對于網絡安全、路由與交換、服務器配置等知識根據學時安排進行調整，一般在后繼的專業學習中會開設對應的課程進行講授。

3.2理論與實踐相結合

由于計算機網絡體系結構的嚴謹性、復雜性和抽象性，它是看不到摸不著，僅能感受到它的存在。所以構建實驗平臺對它進行驗證和佐證直接影響到本課程的學習情況，是教學環節中最重要的組成部分。通過實驗使知識從抽象到具體，讓學習者理解每個原理的具體步驟及實現。通過網絡協議分析軟件首先捕捉協議單元，然后對其進行分析來驗證各層及協議封裝和服務調用，最后歸納其工作原理。

對于網絡工程、計算機科學與技術專業我們在實施教改的過程中，主要開設了以太網數據幀、IP協議、ARP協議、ICMP、RIP、OSPF、UDP、TCP、可靠通信、流量控制等驗證性實驗。通過這些實驗，讓學生加強對教學內容的理解和掌握。從理論到實踐再回到理論的探討，提高學習樂趣和興趣，最終達到教學目的。另一方面協議本身的算法和思路通常來源于生活，可以借用已掌握的知識和生活經驗來聯想理解和記憶網絡協議。例如協議的封裝和解封裝可以與快遞系統相關聯進行講授，用已有的知識來理解和記憶新的知識。

3.3實驗平臺構建

實驗平臺的構建是本文的重點，也是應用型本科轉型在計算機網絡課程的突破口，直接影響學習情況和教學效果。在我們的教學改革中，主要使用了“網絡捕捉器”來構建實驗仿真平臺。網絡捕捉器也稱之為網絡協議分析軟件、或者嗅探器。網絡捕捉器負責捕捉網絡上的各種數據包，解析其各層協議及調用,通常用于網絡協議單元和流量分析，同時也是學習和分析計算機網絡原理的好助手。網絡捕捉器主要包含數據包捕捉模塊和協議分析模塊。常見的協議分析軟件有Ethereal、Sniffer、Wireshark等，這些捕捉軟件功能基本相同。本文以Ethereal為例來構建實驗平臺。圖1為Ethereal網絡捕捉器視圖，窗口一為協議單元摘要匯總；窗口二為協議單元各層及協議各字段的封裝；窗口三為選中某個字段時對應的十六進制及字符。

圖1 Ethereal網絡捕捉器視圖

在實驗中重點驗證協議字段的取值范圍，通過不同的取值實現協議的調用和功能。

通過網絡捕捉器的仿真，使計算機網絡課程中的各種抽象協議和理論知識轉換為具體實現和應用，達到理論與實踐相結合。通過對網絡協議單元的分析和驗證培養學生的解決和分析問題的能力，達到應用型本科轉型的目的。

4.教學演示

本文以TCP建立連接為例。在課程開始時通過網絡捕捉器對網絡數據進行捕捉和分析，引入課程“TCP建立連接”的知識點及工作原理，圍繞如何建立連接及步驟展開教學，最后利用捕捉到的數據對“TCP建立連接”的工作原理進行驗證和分析。具體如下：

根據TCP協議建立鏈接的步驟如圖二所示：A主機(客戶端)的TCP客戶進程向服務器B發出建立連接請求，首部中的同步位SYN=1，同時選擇一個初始序號SEQ=x；B收到連接請求報文段后，如同意建立連接，則向A發送確認，在確認報文段中應把SYN=1，ACK=1，序號SEQ=y和確認序號Ack=x+1；A客戶進程收到B的確認后，還要向B確認，確認報文段的ACK=1，序號為SEQ=x+1，確認號為Ack=y+1；當B主機收到該確認號后，建立連接完成進入通信階段。在這個知識點的講解上，由于協議和工作原理的抽象性，學習者較難掌握，使用網絡捕捉器對TCP建立連接的協議單元進行捕捉，通過對捕捉到協議單元的分析來佐證TCP的建立連接的工作原理，使抽象的知識點變成具體的數據和步驟。

圖2 TCP建立連接

圖3 TCP建立連接具體實現

在實驗中啟動Ethereal協議捕捉器開始捕捉：(1)調用TCP協議單元，打開IE瀏覽器輸入任意網址；待捕捉到協議后停止協議捕捉器；(2)分析捕捉到的協議單元；(3)根據協議單元畫圖佐證TCP建立連接的過程如圖三所示。在圖四中協議單元編號60、62、63號分別對應著三次握手協議三個過程。其中客戶端A，IP地址=192.168.31.213，端口號=58970；服務器B，IP地址=111.13.101.191，端口號=80(http);A主機的TCP客戶進程向服務器B發出建立連接請求，這時TCP首部中的同步位SYN=1，同時選擇一個初始序號SEQ=0,如圖四中編號60的協議單元；B收到連接請求報文段后，如同意建立連接，則向A發送確認，在確認報文段中應把SYN=1，確認號ACK=1和確認序號Ack=1，SEQ=0如圖四中編號62的協議單元；A的TCP客戶進程收到B的確認后，還要向B給出確認如圖四中編號63的協議單元，確認報文段的ACK=1，序號SEQ=1，確認號Ack=1。當B主機收到該確認號后，完成建立連接進入通信階段。通過以上實驗的分析，畫出圖三完成該實驗。

圖4 TCP三次握手協議單元

使用本文的教學方法對TCP建立連接的原理及步驟進行講授和驗證舉例，該教學方法使計算機網絡的抽象知識到具體實現。通過實驗加強難點和重點的剖析和驗證，達到學以致用，深入淺出，強化學生對理論知識理解與實踐應用。

5.小結

作者使用本文的教學方法對楚雄師范學院網絡工程專業的計算機網絡課程作為教學改革試點。圍繞教學內容，教學手段，實踐內容和方法等幾方面進行改革。經過三屆的教學實踐，對連續三年的軟考通過率、期末平均成績進行分析，如圖5、圖6所示，教學改革明顯提高教學質量效果非常好呈上升趨勢。

圖5歷年軟考通過率

圖6歷年期末平均成績