問題與系統(tǒng)建構(gòu)導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法

黃傳河

摘要：針對(duì)研究性大學(xué)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和定位，提出問題導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容體系，即以構(gòu)造性思維代替解析性思維，引導(dǎo)學(xué)生面向問題，從需求出發(fā)，一步一步地設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)構(gòu)件和要素，構(gòu)造出滿足應(yīng)用要求的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；問題導(dǎo)向；構(gòu)造性思維

引 言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)性課程，所有學(xué)生都要學(xué)習(xí)。設(shè)有計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)校眾多，學(xué)生數(shù)量龐大，教師顯然不應(yīng)該按照相同的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式組織課程教學(xué)，而應(yīng)區(qū)分學(xué)校類別和培養(yǎng)目標(biāo)，安排不同的課程內(nèi)容和教學(xué)方法。例如，“珠峰計(jì)劃”（國家基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃的簡(jiǎn)稱）是教育部出臺(tái)的一項(xiàng)旨在培育21世紀(jì)科壇頂尖人才的培養(yǎng)計(jì)劃，目前共有10所高水平研究型大學(xué)人選。該計(jì)劃首先從數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、計(jì)算機(jī)5個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科開始試驗(yàn)，每年動(dòng)態(tài)選拔特別優(yōu)秀的學(xué)生，配備一流師資，提供一流的學(xué)習(xí)條件，創(chuàng)新培養(yǎng)方式，營造一流學(xué)術(shù)環(huán)境與氛圍，構(gòu)筑基礎(chǔ)科學(xué)拔尖人才培養(yǎng)的專門通道，努力使受該計(jì)劃支持的學(xué)生成長(zhǎng)為相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。對(duì)該類學(xué)生采用傳統(tǒng)的方式組織教學(xué)，其負(fù)面效果顯而易見。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程主要以解析性方式設(shè)置課程內(nèi)容和教學(xué)模式，其主要內(nèi)容一般按網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次進(jìn)行組織，分別介紹每層的功能及主要原理、方法、技術(shù)。從底層（物理層）開始的稱為自底向上方式，從頂層（應(yīng)用層）開始的稱為自頂向下方式。該模式方便學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部原理，但不利于學(xué)生從系統(tǒng)級(jí)了解網(wǎng)絡(luò)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

1 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

常規(guī)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)思路基本上是對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分解，然后分別介紹每一部分的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。課程內(nèi)容有兩種主要的組織方式：第一種以體系結(jié)構(gòu)為主線，將網(wǎng)絡(luò)分成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層等層次（早期的7層模型現(xiàn)在已經(jīng)不再采用），介紹各層的功能、實(shí)現(xiàn)方法以及各層之間的關(guān)系，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行縱向切分的解析，根據(jù)內(nèi)容先后順序的不同分為自頂向下和自底向上兩種模式；第二種是以網(wǎng)絡(luò)的組成要素為主線，網(wǎng)絡(luò)的主要要素有通信介質(zhì)、網(wǎng)卡、交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與軟件等，分別介紹各要素的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向切分的解析。

從微觀上看，兩種體系各有優(yōu)缺點(diǎn)。層次結(jié)構(gòu)模式便于學(xué)生了解局部的知識(shí)點(diǎn)，但容易使學(xué)生陷入只見樹木不見森林的狀態(tài)，不便于學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)的總體構(gòu)成和工作流程。要素模式更便于學(xué)生從應(yīng)用和直觀的角度了解網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成、工作原理和工作過程，但某些要素太復(fù)雜，需要穿插介紹多方面的知識(shí)，不便于組織教學(xué)內(nèi)容，因此為方便教學(xué)，教師在實(shí)踐中通常將二肯融合。

從宏觀上看，兩種體系存在共同的缺點(diǎn)，就是注重對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的分解和對(duì)現(xiàn)有原理、知識(shí)、技術(shù)的傳授，對(duì)學(xué)生系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練不足。針對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)容體系，教學(xué)方法也相對(duì)單調(diào)，通常是按層次和模塊逐一介紹功能、原理、算法、協(xié)議，敘事型講授，易出現(xiàn)枯燥的情況。

2 面向研究瓔教學(xué)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容與教學(xué)方法

2.1 問題導(dǎo)向型教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建

教師可按照構(gòu)造型模式，從應(yīng)用需求出發(fā)，明確計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的每一項(xiàng)任務(wù)，據(jù)此探討其實(shí)現(xiàn)原理和重要的實(shí)現(xiàn)方法。為此，教師可以將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的內(nèi)容組織成如下幾個(gè)部分并按步驟依次推進(jìn)。

第1步：網(wǎng)絡(luò)要滿足的條件和目標(biāo)是什么？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足的應(yīng)用需求（即設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的前提）是什么？

設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)條件（即應(yīng)滿足的連通性條件、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件、數(shù)據(jù)傳輸條件、通信模型）及其限制性因素有哪些？

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)模型是什么？

設(shè)汁計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可采用的方法論（即網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型）有哪些？

支撐計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有效工作的軟件、硬件應(yīng)滿足的條件是什么？

可用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要素材（軟、硬件）有哪些？

評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的主要性能指標(biāo)有哪些？

第2步：怎么把獨(dú)立的計(jì)算機(jī)連接成簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

可用的傳輸介質(zhì)有哪些？其性能及適用條件是什么？

保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)闹饕夹g(shù)措施有哪些（編碼、組幀、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、可靠性傳輸機(jī)制、介質(zhì)訪問控制）？

可用的簡(jiǎn)單組網(wǎng)形式有哪些（點(diǎn)到點(diǎn)連接、多路訪問、無線廣播等）？其特點(diǎn)及適用條件是什么？

第3步：怎么把小網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來組成大網(wǎng)絡(luò)？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

將小網(wǎng)絡(luò)連接組成大網(wǎng)絡(luò)的方法有哪些？設(shè)計(jì)什么樣的設(shè)備可以完成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能？

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議應(yīng)具備的功能及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)有哪些？協(xié)議設(shè)計(jì)過程是什么？

路由的功能是什么？怎么設(shè)計(jì)路由協(xié)議？

通用互聯(lián)設(shè)備應(yīng)具有何種結(jié)構(gòu)？怎么設(shè)計(jì)滿足性能要求的互聯(lián)設(shè)備？

阻礙網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展的因素有哪些？解決途徑有哪些？

實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)需要具有的基礎(chǔ)性條件是什么（包括DNS，DHCP功能等）？

實(shí)現(xiàn)組播、P2P等不同應(yīng)用可采用的方法和技術(shù)有哪些？

保證QoS的措施有哪些？提高網(wǎng)絡(luò)性能的方法有哪些？

方便用戶使用網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵軟件（如瀏覽器）應(yīng)如何設(shè)計(jì)？

移動(dòng)通信給網(wǎng)絡(luò)帶來的問題及其解決方案有哪些？

第4步：應(yīng)設(shè)計(jì)什么樣的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以保證傳輸?shù)目煽啃院驼_性？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠性要求高的通川傳輸協(xié)議（如TCP）？

如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠性要求不很高但簡(jiǎn)單高效的通用傳輸協(xié)議（如UDP）？

如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足特定需求的傳輸協(xié)議（如多媒體傳輸）？

協(xié)議的驗(yàn)證、測(cè)試、評(píng)估方法有哪些？

第5步：怎樣設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)資源分配與網(wǎng)絡(luò)管理策略以有效使用資源？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可采用哪些資源分配模型與方法？

用于評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源利用與性能的方法有哪些（如排隊(duì)能、網(wǎng)絡(luò)流、多商品流）？

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的方法和技術(shù)有哪些？

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)、目標(biāo)、模型是什么？

怎么設(shè)計(jì)一個(gè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)？

怎么設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息的組織方式和表示格式？

第6步：可設(shè)計(jì)哪些公共服務(wù)以方便網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計(jì)？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

支持傳統(tǒng)應(yīng)用（如Web、郵件、文件下載）的公共服務(wù)及協(xié)議怎么設(shè)計(jì)？

支持新型應(yīng)用（如網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)電話、交互電視、網(wǎng)絡(luò)游戲）的公共服務(wù)及協(xié)議怎么設(shè)計(jì)？

支持安全敏感型應(yīng)用（如電子商務(wù)、銀行業(yè)務(wù)）的公共服務(wù)及協(xié)議怎么設(shè)計(jì)？

第7步：可設(shè)計(jì)哪些網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

網(wǎng)絡(luò)的不安全因素及攻擊手段有哪些？

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全的主要技術(shù)有哪些？

設(shè)計(jì)一個(gè)安全協(xié)議的條件和構(gòu)成要素是什么？如何設(shè)計(jì)一個(gè)安全的協(xié)議？

第8步：未來網(wǎng)絡(luò)可能的形態(tài)和技術(shù)有哪些？其主要問題和任務(wù)可細(xì)化為：

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)存在的主要問題是什么？

未來的網(wǎng)絡(luò)將是怎樣的？其主要原理和技術(shù)是什么（如人機(jī)物一體化/物聯(lián)化、DTN、攜帶一轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)一計(jì)算一轉(zhuǎn)發(fā)、SDN、內(nèi)容路由與轉(zhuǎn)發(fā)）？

各國關(guān)于未來Internet的研究計(jì)劃及主要內(nèi)容有哪些？

2.2 問題導(dǎo)向型教學(xué)方法的探索

對(duì)每一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，上述問題都很大，難以用很小的篇幅在很短的時(shí)間內(nèi)回答清楚。為便于教學(xué)的實(shí)施，教師應(yīng)對(duì)每項(xiàng)內(nèi)容細(xì)化為可解答的、具體而明確的小問題，以方便探索解決方案。我們以第2步中的前兩項(xiàng)為例，說明其細(xì)化過程及細(xì)化后的小任務(wù)或問題。

1）傳輸介質(zhì)及其性能、適用條件。

介質(zhì)的形態(tài)：有線介質(zhì)、無線介質(zhì)。

介質(zhì)的頻譜特性：允許傳輸信號(hào)的頻率。

典型介質(zhì)及其特性：雙絞線（UTP、STP）、同軸電纜、光纖（單模、多模）、電力線、無線電、微波、紅外、無線光波。

介質(zhì)的傳輸能力與數(shù)據(jù)率：Nyquist準(zhǔn)則、Shannon定理；帶寬與數(shù)據(jù)率的關(guān)系。

介質(zhì)的連接方式與適用條件：點(diǎn)一點(diǎn)（串聯(lián)型）、多點(diǎn)（并聯(lián)型）、廣播型。

2）保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)闹饕夹g(shù)措施。

信號(hào)的形式：數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)。

信號(hào)的時(shí)域與頻域特征：時(shí)間函數(shù)、頻率函數(shù)。

信號(hào)頻譜：多頻率構(gòu)成。

數(shù)據(jù)與信號(hào)的關(guān)系：靜止形態(tài)與傳輸形態(tài)。

傳輸形式：數(shù)字傳輸與模擬傳輸、基帶傳輸與頻帶傳輸。

數(shù)據(jù)到信號(hào)的變換方式：調(diào)制與編碼、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)、模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)、模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)。

調(diào)制與編碼的性能：效率與帶寬。

無線信號(hào)的重要調(diào)制方式：擴(kuò)頻、OFDM。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞剑喊磶瑐鬏敗?/p>

數(shù)據(jù)成幀的方法：字符型（字符界定型、字符計(jì)數(shù)型）、位串型（HDLC、PPP、802.3等）、時(shí)問同步型（SDH）。

檢錯(cuò)方法：CRC。

糾錯(cuò)方法：ARQ。

幀的可靠傳輸機(jī)制：停止一等待、滑動(dòng)窗口（全部重傳、部分重傳、選擇重傳）、效率分析。

介質(zhì)訪問控制：ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA、令牌、性能分析。

典型例子：以太網(wǎng)（10M、100M、1G、10G以太網(wǎng)原理及技術(shù)）。

多信道與廣播信道：并發(fā)信道、多路訪問。

典型例子：Wi-Fi。

其他無線傳輸技術(shù)：藍(lán)牙、3G/4G/WiMAX。

通過分解成以上的小任務(wù)或問題，學(xué)生能夠比較容易尋找到解決方案?；诖?，教師在教學(xué)中可鼓勵(lì)學(xué)生以開放性的思維尋找每個(gè)小問題的解決方案，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新型思維習(xí)慣。

2.3 探究式教學(xué)過程的組織

教學(xué)過程的有效組織是保證教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。通過將小任務(wù)/問題按邏輯關(guān)系組成問題鏈，使其環(huán)環(huán)相扣，一個(gè)問題的解決方案成為F一個(gè)任務(wù)的前提，這種遞進(jìn)式的求解過程可以使學(xué)生一直處于提出問題、分析問題、解決問題的循環(huán)過程中，其分析和解決問題的能乃、運(yùn)用創(chuàng)新性思維的習(xí)慣得以逐步養(yǎng)成，思維能力得到提高。通過這樣的教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生不再拘泥于背誦知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)付枯燥的試題，而是以開放的思維尋求現(xiàn)實(shí)問題的解決途徑，教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)也不冉是以知識(shí)題的分?jǐn)?shù)為主要標(biāo)準(zhǔn)。

3 動(dòng)手能力的訓(xùn)練

由于時(shí)間的限制，無法安排太多課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可根據(jù)具體情況，安排3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)

第1層次：學(xué)會(huì)應(yīng)用。主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成元素如傳輸介質(zhì)、交換機(jī)、路由器等的安裝、配置、測(cè)試，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀了解、分析數(shù)據(jù)的傳輸過程。

第2層次：簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。利用一些開源的模塊，對(duì)已有的某個(gè)簡(jiǎn)單協(xié)議或算法如等待一重傳算法、部分重傳算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并測(cè)試其效果

第3層次：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)新功能，，例如，教師可要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于距離向量算法且可避免無窮計(jì)算的改進(jìn)路由算法并編程實(shí)現(xiàn)，在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估；或者要求針對(duì)SDN設(shè)汁一個(gè)路由算法，并利用OpenDaylight等開源平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、評(píng)估。通過上述實(shí)驗(yàn)，教師可進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)際能力。

4 結(jié)語

對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行改造，以問題導(dǎo)向和系統(tǒng)建構(gòu)模式組織內(nèi)容體系，以探究式演繹推進(jìn)教學(xué)過程，避免以解析式模式一個(gè)一個(gè)地講解知識(shí)點(diǎn)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思考并尋求新的解決方案，但該教學(xué)方式通常在學(xué)生很多的大課堂上實(shí)施效果受到限制，對(duì)以考試為日的的學(xué)生不適用，因此其過程組織還需要進(jìn)一步精細(xì)化