“TCP通信過程”說課設(shè)計*

劉 超，張 品，張仲博

（1.杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310018；2.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018）

在高等教育領(lǐng)域不斷深化課程改革和教學(xué)創(chuàng)新的背景下，作為重要教學(xué)研究活動之一的說課競賽近年來在國內(nèi)眾多高校得到推廣，并且取得了良好的效果。[1]說課的基本方式是教師針對某一特定的教學(xué)內(nèi)容，用口頭表述的方式向評委全面闡述自己對教學(xué)內(nèi)容的處理、學(xué)情的分析、教學(xué)理論的運用以及教學(xué)策略與方法的選擇等。要求教師在較短的時間內(nèi)講清“教什么”、“怎么教”以及“為什么這樣教”之類的教學(xué)問題，從而展現(xiàn)教師的思維過程，體現(xiàn)教師對授課內(nèi)容的把握程度以及運用教育教學(xué)理論的能力。[2]計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)課程是在大三下學(xué)期為信息與通信工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)限選課，包括課堂理論教學(xué)和課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)。其教學(xué)目標(biāo)為要求學(xué)生熟悉計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識，掌握TCP/IP協(xié)議棧的基本理論與應(yīng)用，了解常用的網(wǎng)絡(luò)安全知識等。通過對網(wǎng)絡(luò)核心課程開展說課活動，可以促使教師將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代教育教學(xué)理論相結(jié)合，實現(xiàn)從以往的直覺型、經(jīng)驗型教學(xué)向科學(xué)型教學(xué)轉(zhuǎn)化。

一、說課設(shè)計

筆者近年來參加了一些說課競賽活動，通過親歷比賽、觀摩學(xué)習(xí)以及與評委、同行交流切磋，得到了很多啟發(fā)與激勵。在此，筆者結(jié)合這幾年從事計算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的經(jīng)歷，[3]圍繞“TCP通信過程”這一教學(xué)內(nèi)容，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)情分析、課堂設(shè)計與實施、實驗與反饋等方面闡述其說課設(shè)計，以期達(dá)到拋磚引玉的目的。

1.教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)包括知識傳授、技能訓(xùn)練以及能力培養(yǎng)三個部分。知識傳授要求學(xué)生了解TCP/IP協(xié)議棧分層體系結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)分組處理過程，理解正常TCP通信過程中報文的交互情況；技能訓(xùn)練要求學(xué)生能搭建實驗環(huán)境，獲取、觀察以及分析TCP報文段；能力培養(yǎng)則旨在增強(qiáng)學(xué)生“學(xué)以致用”的意識，養(yǎng)成理論和實踐相結(jié)合的自主學(xué)習(xí)能力。

2.教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容包括TCP/IP協(xié)議棧和TCP通信過程兩個主要知識點。兩者之間通過引入一個對等層模型實現(xiàn)過渡銜接。TCP/IP協(xié)議棧的重點知識包括TCP/IP五層協(xié)議棧架構(gòu)、層間關(guān)系、分組封裝及處理流程，其中分組封裝為難點；TCP通信過程的重點知識包括TCP協(xié)議特點與作用、通信交互過程、首部格式、各字段含義與變化規(guī)則，其中各字段的變化規(guī)則為難點。由于篇幅所限，我們這里討論的TCP通信過程只包括簡單正常通信過程。TCP協(xié)議的其它復(fù)雜機(jī)制，如流量控制、擁塞控制、差錯控制以及狀態(tài)機(jī)等知識不在討論之列。

3.學(xué)情分析

教學(xué)活動的主體是學(xué)生，學(xué)情分析對成功實施課堂教學(xué)非常重要。[4]這門課程的授課對象是大三下學(xué)期學(xué)生，他們已經(jīng)具備了相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)，學(xué)生的形象思維能力較強(qiáng)，而抽象思維能力較弱。對學(xué)習(xí)復(fù)雜內(nèi)容有畏難情緒，需要激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。所有學(xué)生都熟悉常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)知識和技術(shù)有極強(qiáng)的好奇心和求知欲。

4.課堂設(shè)計與實施

課堂設(shè)計與實施主要是結(jié)合課堂教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容、學(xué)情分析以及多媒體教學(xué)環(huán)境，設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)策略及教學(xué)方法，并將它們貫穿在整個教學(xué)活動中。筆者設(shè)計的教學(xué)策略包括：針對TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)問式開場和創(chuàng)設(shè)熟悉情景；對等層的簡化模型導(dǎo)入；針對TCP通信過程的先分后合的講授策略等。下面我們以教學(xué)策略為主線，具體闡述課堂設(shè)計與實施細(xì)節(jié)。

（1）設(shè)問式開場

好的問題是激發(fā)學(xué)習(xí)動力的有效手段。筆者在課堂開頭有意識地給學(xué)生舉一些日常生活中使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信的應(yīng)用實例，分析這些應(yīng)用的業(yè)務(wù)流特點，然后提出相關(guān)問題。例如這些應(yīng)用進(jìn)程相互間是如何尋址的？為什么它們要使用TCP通信服務(wù)？TCP又是怎樣保證通信的可靠性的？讓學(xué)生帶著問題去聽課，并在聽講過程中有的放矢地思考問題、獲取答案，這樣能夠極大地增強(qiáng)教學(xué)效果，加深對相關(guān)問題的理解。

（2）從熟悉情景入手，立足學(xué)生的“最近區(qū)域”

盡管學(xué)生在前面的學(xué)習(xí)中已經(jīng)了解TCP/IP協(xié)議棧的五層結(jié)構(gòu)，但是在課堂開始階段再次強(qiáng)化TCP/IP的整體結(jié)構(gòu)仍然是非常必要的，有利于保持知識間的連續(xù)性。筆者從學(xué)生熟悉的訪問Web網(wǎng)站的情景出發(fā)，由表及里逐步講解整個協(xié)議棧工作過程，并通過動畫的形式加以表現(xiàn)，如圖1所示。這個情景就是通過IE瀏覽器訪問網(wǎng)站。首先在IE瀏覽器中輸入網(wǎng)址，例如http://edu. cn。該網(wǎng)址以及其它相關(guān)信息會被IE瀏覽器發(fā)送到TCP/IP協(xié)議棧的應(yīng)用層，應(yīng)用層會在這些信息前面加上一個HTTP的首部，這個過程叫做封裝。然后繼續(xù)將形成的HTTP分組發(fā)到傳輸層。傳輸層會接著封裝TCP首部，形成TCP報文段，并繼續(xù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層將通過DNS獲取的網(wǎng)站IP地址等相關(guān)信息封裝在IP首部，形成IP包，接著進(jìn)一步發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層會加上首部和尾部，形成數(shù)據(jù)鏈路層的幀。最后經(jīng)過物理層轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗械碾娦盘栐诰W(wǎng)絡(luò)上傳輸，并經(jīng)過沿途的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)接收方服務(wù)器。在服務(wù)器的TCP/IP協(xié)議棧經(jīng)過相反的解封裝過程后，將網(wǎng)址等相關(guān)信息交給服務(wù)器上運行的Web服務(wù)進(jìn)程。該服務(wù)進(jìn)程會尋找網(wǎng)址對應(yīng)的網(wǎng)頁內(nèi)容，并將其按相反過程發(fā)送給IE瀏覽器。IE瀏覽器解析收到的網(wǎng)頁，并最終在窗口顯示出網(wǎng)站主頁內(nèi)容。采用基于熟悉情景的教學(xué)策略，一方面是為了以學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗為起點傳遞教學(xué)信息，便于在新舊知識之間建立聯(lián)系，促進(jìn)知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；另一方面是想通過這個熟悉情景告訴學(xué)生，TCP/ IP協(xié)議離我們并不遙遠(yuǎn)，它就在我們身邊。每當(dāng)我們使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時，它就會為我們提供服務(wù)。這樣可以減輕學(xué)生的陌生感，激發(fā)其興趣和求知欲，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)。

圖1 TCP/IP協(xié)議棧

（3）利用對等層模型實現(xiàn)從TCP/IP協(xié)議棧向TCP協(xié)議通信過程的過渡

學(xué)習(xí)完TCP/IP協(xié)議棧后就要進(jìn)入TCP協(xié)議通信過程的學(xué)習(xí)。通過上文所述，TCP報文段先要封裝為IP包，然后再封裝成數(shù)據(jù)鏈路層的幀才能送往物理層發(fā)送，在接收端則執(zhí)行相反的過程才能恢復(fù)出發(fā)送的TCP報文段。遵循這個過程來學(xué)習(xí)TCP協(xié)議通信過程太復(fù)雜了，不利于抓住重點。我們采用的策略是引入對等層模型。通過觀察TCP/IP協(xié)議棧可以發(fā)現(xiàn)在假設(shè)傳輸層以下各層正常工作的前提下，可以認(rèn)為在收發(fā)雙方的傳輸層之間存在一條虛擬的直連鏈路，而TCP報文段可以認(rèn)為是直接在鏈路上傳輸，這樣的簡化模型稱為對等層模型，如圖2所示。采用對等層模型的好處有兩個：①該模型是簡化模型，屏蔽了下面各層的細(xì)節(jié)，但卻能反映真實系統(tǒng)的工作情況，有利于學(xué)生將注意力集中到TCP協(xié)議本身；②該模型保證了教學(xué)思維的連續(xù)性和教學(xué)邏輯的完整性。使學(xué)生的思維能夠自然地實現(xiàn)從TCP/IP協(xié)議棧向TCP協(xié)議通信過程的過渡。

圖2 對等層模型

（4）先分解后合并，開展TCP通信過程的教學(xué)

TCP為可靠的面向連接的協(xié)議，將TCP協(xié)議通信過程分解為連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接終止三個階段，逐個講解。最后再將三個階段合并成一個完整的場景進(jìn)行總結(jié)。在簡單介紹完TCP首部格式以及各字段含義后，即講解TCP通信過程的三個階段。先講解TCP連接建立階段，特別向?qū)W生強(qiáng)調(diào)上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)請求是TCP活動的觸發(fā)源。正是因為上層要收發(fā)數(shù)據(jù) （比如說訪問網(wǎng)站），才觸發(fā)了TCP連接建立階段。

筆者采用了三種教學(xué)方法來講解這個階段：①用動畫的方式呈現(xiàn)整個階段。TCP連接建立階段也稱為“三次握手”，筆者把這三個握手報文按照時間先后順序一一呈現(xiàn)出來。這樣做是因為學(xué)生的形象思維能力較強(qiáng)，易于接受形象化、視覺化的事物，動畫的表現(xiàn)方式會給他們留下深刻的印象；②用強(qiáng)調(diào)法來處理關(guān)鍵字段變化規(guī)則這一教學(xué)難點，我們把所有需要關(guān)注的關(guān)鍵字及其取值都在圖上突出標(biāo)示出來，這使得它們的變化情況一目了然；③交互的三個TCP報文段都是簡化版的TCP首部，我們利用PPT的動畫功能，專門在頁面合適處設(shè)計了一個小的TCP首部圖標(biāo)，點擊就顯示一個放大的完整TCP首部，方便學(xué)生對照學(xué)習(xí)。連接建立以后，就進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，所采用的教學(xué)方法和連接建立階段一樣，特別強(qiáng)調(diào)的是Sequence number和acknowledgement number兩個關(guān)鍵字段的變化規(guī)則，強(qiáng)調(diào)它們在確保可靠性通信中所起的重要作用，并通過一個實例采用圖示化的方法進(jìn)行說明。數(shù)據(jù)傳輸完成以后，進(jìn)入連接終止階段。采用同樣的教學(xué)方法來說明關(guān)鍵字段FIN標(biāo)志位的變化規(guī)則。最后將這三個階段合并成一個完整的TCP通信過程進(jìn)行整體講解，并進(jìn)一步闡述TCP通信過程為何要分為三個階段的理由。這種先分解后合并的策略，符合TCP通信過程的特點，層次分明，邏輯清楚，容易被學(xué)生接受。

5.實驗與反饋

在講完理論知識以后，筆者及時通過隨堂實驗來展示真實的TCP報文段在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸情況，鞏固所學(xué)知識。筆者也從網(wǎng)絡(luò)實驗中引出了一些問題要求學(xué)生作答，答題情況可以作為教學(xué)反饋以評估教學(xué)效果。該實驗的配置很簡單，包括一臺聯(lián)網(wǎng)PC機(jī)、wireshark抓包程序和IE瀏覽器。首先啟動wireshark抓包程序準(zhǔn)備捕獲TCP報文段，然后在IE瀏覽器地址欄輸入網(wǎng)站地址，比如http://www.hdu.edu.cn，回車后IE瀏覽器會發(fā)起對網(wǎng)站的訪問請求，該請求會觸發(fā)TCP通信過程，完成連接建立、數(shù)據(jù)傳輸以及連接終止三個階段。所發(fā)送的報文段會同時被wireshark以及IE瀏覽器獲取，IE瀏覽器把收到的報文解析為網(wǎng)頁，而wireshark則會將捕獲的報文段及其內(nèi)部細(xì)節(jié)逐條顯示出來。要求學(xué)生對這些TCP報文段進(jìn)行分析，區(qū)分出TCP通信過程的三個階段，并且計算出每個TCP報文所承載的上層數(shù)據(jù)的長度以及交互過程中所發(fā)送的總的數(shù)據(jù)量。這種來源于真實網(wǎng)絡(luò)世界的題目既能檢驗學(xué)生所學(xué)，又能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識。筆者也會對學(xué)生的答題情況進(jìn)行分析總結(jié)，并據(jù)此對課堂設(shè)計與實施過程作出改進(jìn)。

二、關(guān)于將說課作為教學(xué)評價體系指標(biāo)的一點思考

近年來，說課比賽在教師中的影響力不斷擴(kuò)大。杭州電子科技大學(xué)已經(jīng)連續(xù)舉辦了七屆青年教師教學(xué)技能大賽，該比賽以說課形式開展，對提高教師的教育教學(xué)理論和教學(xué)基本功，深化教育模式改革起到了積極作用。然而筆者認(rèn)為應(yīng)該審慎看待說課的作用，不能將說課作為評價教師教學(xué)技能優(yōu)劣的唯一指標(biāo)。

說課是參賽教師投入大量精力、精心準(zhǔn)備的成果在15分鐘內(nèi)的集中展示，往往體現(xiàn)出優(yōu)良的教學(xué)水平。然而這種競賽中的教學(xué)水平能否代表一個教師在長期的日常教學(xué)實踐中所表現(xiàn)出的一貫水平值得商榷。此外，說課缺少學(xué)生這一教學(xué)活動的主體，而學(xué)生對教師的教學(xué)質(zhì)量最有發(fā)言權(quán)。與基于教師視角的、反映較短時間內(nèi)（15分鐘左右）教學(xué)效果的說課相比，學(xué)生對教師的教學(xué)評價則從學(xué)生的視角出發(fā)，反映了一個教師在較長時間內(nèi)（一個學(xué)期甚至幾年）的教學(xué)水平。因此，將說課成績與學(xué)評教成績綜合考慮會更加客觀全面地反映教師的綜合教學(xué)水平。這樣的評價考核指標(biāo)會促使教師將更多的精力集中在平時的教學(xué)活動中，踏踏實實地備好每一節(jié)課，認(rèn)認(rèn)真真地上好每一節(jié)課，戒除浮躁，靜心鉆研，為學(xué)生提供更好的教學(xué)服務(wù)，最終實現(xiàn)師生間教學(xué)相長，共同進(jìn)步。

三、結(jié)語

本文圍繞TCP通信過程這一授課內(nèi)容，詳細(xì)討論了說課的相關(guān)方面，重點突出了教學(xué)策略與方法，展現(xiàn)了授課整體思路和過程，基本達(dá)到了預(yù)定教學(xué)目標(biāo)。說課水平能夠從一定程度上反映教師教學(xué)水平的優(yōu)劣，但是應(yīng)該理性看待說課在教學(xué)評價中發(fā)揮的作用，既不應(yīng)輕視也不應(yīng)過分夸大，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)日常教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)評教感受，以避免投機(jī)心理，形成正確導(dǎo)向，促使教師的教學(xué)水平和技能得到扎實穩(wěn)步的提高。

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[3]劉超,張品,王玉娜.《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與電信網(wǎng)絡(luò)》雙語教學(xué)實踐探討[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）,2012,8(2):71-74.

[4]詹燕.圍繞基本要素,抓住特點,針對學(xué)情,寫好說課教案[J].北京電力高等專科學(xué)校學(xué)報(社會科學(xué)版)，2012(6):40-41.

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