基于認知建構的網絡串口通信實驗教學設計

陳 宏 吳建德 郭 清 鄧 焰

（浙江大學電氣工程學院 浙江·杭州 310027）

0 引言

在當今遍布互聯網的信息時代，網絡通信技術人才的培養顯得愈來愈重要。高校面向社會發展需求，開設了計算機網絡課程。提高計算機網絡課程的教學質量，增強計算機網絡技術人才的科研和實踐工作能力。計算機網絡技術是一門實踐性很強的專業必修課。[1]高校計算機網絡課程知識面廣、專有名詞多、技術原理抽象、實踐操作性強。[2]計算機通信網課程的核心是諸多各具功能的協議，在考核中如果簡單考核這些協議的原理和功能，多數同學都能正確回答，學生也確實把握了協議基本原理，可他們沒有接觸通信協議工作真實環境，缺乏實際動手操作，對知識的看法就始終停留在表面，也無法運用知識解決問題。[3]傳統的課堂模式以教師為中心和主導來組織教學過程，教育者的目標在于傳遞客觀世界知識，而學習者的目標就是完全得到與教育者相同的對于知識的理解。[4]網絡協議的內容很抽象，協議的字面意思很難和實際網絡通信聯系起來，學生感到缺乏學習的自信，影響了教學效果。

培養高質量的人才，必須有高質量的教學內容。[5]在互聯網信息時代，在教學活動中的教師和學生將逐漸形成平等的關系，教師將轉變為學生的學習組織者和管理者，甚至是學習伙伴。學習是學生運用智能不斷獲取知識的迭代過程，是通過“重新組織并轉化學習材料”不斷獲取“附加的新領悟”的過程。[6]為了使學生掌握網絡協議的實際應用，提高學生對網絡技術問題的解決能力，本文采用以學生為主，理解通信協議，編寫數據幀，發送通信指令，傳輸數據，提出建構主義教學模式。實踐證明，這種模式對于提高運用網絡協議實現數據通信的能力，培養學生創新能力，具有很好的指導作用。

1 實驗教學設計

串口通信是計算機和外部設備之間通過USB 端口或者RS232 端口，按照網絡協議的約定，建立通信，傳輸信息的通訊方式。串口通信實驗教學目的是使學生理解串口通信的工作原理和方法，用串口通信，接收完整無誤的數據。瑞士心理學家皮亞杰認為，知識既非來自主體，也非來自客體，而是在主體與客體之間的相互作用過程中通過同化與順應過程逐步建構起來的，并在“平衡—不平衡—平衡”的循環中得到不斷的豐富、提高和發展。[7]在實驗過程中不斷深入理解通信協議和數據傳輸的原理，如圖1 所示。

圖1 實驗教學流程

教師編寫網絡通信協議，網絡協議包括文件傳輸層和數據鏈路層2 個層次。首先設定好文件傳輸層的文件格式，包括文件名，文件長度，校驗方式和相應的字節長度，如圖2 所示。在文件傳輸層按照這個格式開始數據傳輸。

圖2 文件傳輸層格式

其次設定數據鏈路層，定義數據幀的格式，包括數據幀格式和應答幀的格式，其中應答幀的數據用0 填充。如圖3 所示。

圖3 數據鏈路層格式

教師編寫上位機程序，按照網絡通信協議發送數據和接收數據，完整的數據是一個圖像，要求學生使用Cortex 處理器根據網絡協議編寫數據幀和應答幀，接收到完整、正確的數據，在顯示屏上顯示圖像。

在實驗教學設計中，預先設立實驗目的，提供實驗設備，教師參與學生發現問題、分析問題和解決問題的學習過程，使學生在實驗教學中主動建構串口通信的知識和能力。

2 串口通信實驗過程

2.1 實驗內容

連接實驗板和計算機，如圖4 所示。在計算機上編寫程序發送數據幀，接收上位機軟件發送的數據。串口通信成功時，在實驗板上顯示完整的上位機的圖像。

圖4 串口通信的實現（右邊是上位機）

2.2 實驗步驟

按照圖1 的實驗教學流程，學生通過分析實驗中的問題，從網絡協議的內容中，找到原因，使自己對網絡協議的認知更加接近實際情況，能夠收到上位機的完整無誤的1 幀數據，能夠應答，接著能夠收到完整無誤的圖像數據，最后完整地顯示圖像。

2.3 實驗總結

學生在實驗中真正理解網絡協議的內容，主要包括以下幾個方面的知識建構過程：

（1）網絡協議中的層次是實際情況決定的，國際標準化組織(ISO)和國際電報電話咨詢委員會(CCITT)聯合制定的開放系統互聯參考模型，從低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。但是在實際使用中，根據需要建立的網絡協議可以只使用其中的2 層。

（2）數據幀和應答幀在數據鏈路層的功能不同，但是共同實現數據傳輸。

（3）數據傳輸時的數據長度是可以根據實際需要改變的，但是每2 幀之間的傳輸間隔時間是已知的。

經過這個實驗，學生能夠深入理解網絡分層系統設計的優點，已經完全理解、并且學會應用網絡協議來實現串口通信了。

3 結語

布魯納認為“教學過程是一個學生探究和發現的過程”。[8]實驗教學在空間和時間上給學生的探究和發現創造了積極有效的條件。在計算機網絡的教學過程中，抽象的網絡協議在實驗中成為數據格式和文件格式，學生在完成實驗內容的同時，還掌握了串口通信的網絡協議，學生實現了關于串口通信中網絡協議的認知建構。

實驗教學因其自身的特點和作用可以全方位地培養學生的創新意識和創造能力，是實現創新教育的重要途徑。[9]本文采用建構主義教學模式設計串口通信的實驗教學，遵循學生的認知方式，理論知識聯系實際進行實訓，靈活掌握相關知識點，與學生進行積極交流和溝通，激發了學生學習的積極性, 提高了學生的自我領悟，對于培養學生的創新能力，真正成為科研和工程技能型網絡技術人才，具有重要的實踐意義。