“五位一體”計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)模式

彭碧濤,羅海蛟

（廣東外語外貿(mào)大學(xué) 思科信息學(xué)院,廣州 510006）

1 問題提出

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)主干課程[1]，是很多后續(xù)課程的基礎(chǔ)，了解和掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識及具備相應(yīng)的能力對本專業(yè)學(xué)生非常重要。但當(dāng)前的專業(yè)課不同程度地存在教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐環(huán)節(jié)相脫節(jié)、教師教學(xué)手段單一、課堂交互性差等問題，導(dǎo)致學(xué)生對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣淡漠。走出舊的教學(xué)樊籬，構(gòu)建全新的科學(xué)合理的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)重點(diǎn)[2]。

1.1 協(xié)議的理論學(xué)習(xí)與實(shí)際掌握的矛盾

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)中，由于學(xué)生第一次接觸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、服務(wù)等概念，加上網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身的專業(yè)性、規(guī)范性、嚴(yán)謹(jǐn)性和抽象性，使得其對網(wǎng)絡(luò)術(shù)語、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等感到晦澀難懂，即使能夠熟記書本上的相關(guān)概念和內(nèi)容，但是還是很難理解所學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到底如何工作，沒有感性認(rèn)識，只是背誦概念和理論。而教師只是在課堂上通過教學(xué)花費(fèi)大量的時間講解網(wǎng)絡(luò)術(shù)語、協(xié)議規(guī)范等，這并不能幫助學(xué)生很好的理解和掌握所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。因此，簡單的“理論講解——背誦協(xié)議——期末考試”的教學(xué)方式難以達(dá)到較好的教學(xué)效果，更無法培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)思維能力和運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)知識解決實(shí)際問題的能力。

1.2 理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用脫離

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議理論較多，而且內(nèi)容抽象，因此大多采用理論教授為主，而缺乏對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用學(xué)習(xí)，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。有的老師認(rèn)為，理論學(xué)習(xí)學(xué)好尚且困難，就不用考慮實(shí)際應(yīng)用了；有的老師追求協(xié)議理論的掌握，認(rèn)為實(shí)際應(yīng)用可以等以后工作了再去學(xué)習(xí)；有的老師雖然意識到了實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)的優(yōu)勢，但是只是紙上談兵，無法與理論教學(xué)實(shí)現(xiàn)融會貫通，學(xué)生最終還是只有概念，而無法形成具體的實(shí)際認(rèn)識。這樣缺乏實(shí)踐應(yīng)用的教學(xué)最終讓學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)知識的理解還是停留在似懂非懂的階段。

1.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本掌握與深入理解的矛盾

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容中，由于教材中對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的描述和解釋多采用文字和圖表的方式進(jìn)行闡述，學(xué)生很難深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的動態(tài)運(yùn)行過程，以及各種運(yùn)行環(huán)境、協(xié)議算法和參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，無法真正理解不同的協(xié)議的原理和算法的含義，也無法從源代碼層次上來控制或顯示協(xié)議在同一實(shí)體中不同協(xié)議層次間的交互實(shí)現(xiàn)。從而導(dǎo)致學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的學(xué)習(xí)，只是停留在淺層次的基本掌握，而無法深入認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以及各種關(guān)鍵協(xié)議和算法的內(nèi)在原理與實(shí)現(xiàn)。

2 問題切入

“五位一體”教學(xué)模式，是指在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，遵循“教學(xué)目標(biāo)定位——協(xié)議理論學(xué)習(xí)——協(xié)議基本實(shí)驗(yàn)——協(xié)議實(shí)驗(yàn)仿真——網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)”五位一體的思路，采用復(fù)合教學(xué)的方式，在教師的引導(dǎo)和組織下，通過從多個層次和多個角度的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，來理解隱藏在基本網(wǎng)絡(luò)概念背后的協(xié)議內(nèi)涵，從而使學(xué)生深入理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的思想，以及掌握從不同維度運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論分析和解決網(wǎng)絡(luò)問題的一種全新的教學(xué)模式。

“五位一體”教學(xué)模式的主要特點(diǎn)是通過具體的多層次的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用協(xié)議分析、協(xié)議模擬仿真和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等多鐘實(shí)驗(yàn)手段，將抽象的、生澀的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議理論轉(zhuǎn)化為具體的、可操作的案例，把書本上的理論學(xué)習(xí)體現(xiàn)在具體的實(shí)際操作中。這樣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中每一章和每一節(jié)的學(xué)習(xí)不再是一個個協(xié)議理論的堆砌和原理的背誦，而變成了一個個具體的可見的問題和對應(yīng)的解決方案；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的學(xué)習(xí)不再是被動的接受和背誦，而變成了問題的討論、主動思考和實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌咐蛦栴}，教師適當(dāng)?shù)闹v解、點(diǎn)撥與指導(dǎo)，營造學(xué)生主動學(xué)習(xí)的氛圍，促進(jìn)學(xué)生知識的自我理解、能力的自主提高和素質(zhì)的自然培養(yǎng)。

“五位一體”的復(fù)合教學(xué)模式，從理論出發(fā)，結(jié)合各個層次和角度的實(shí)驗(yàn)，深入淺出，化抽象為具體，可以更好的幫助學(xué)生認(rèn)識和理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議理論。這種教學(xué)模式，注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)能力培養(yǎng)，可以更好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)要求。下面，將對“五位一體”復(fù)合教學(xué)模式展開深入具體的展開和論述，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，同時便于在實(shí)際教學(xué)中推廣。

3 問題解決

3.1 教學(xué)目標(biāo)定位

教學(xué)目標(biāo)是整個計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的基礎(chǔ)，是制定教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的基石。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)目標(biāo)是：熟練掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議，理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)涵，掌握相關(guān)協(xié)議的設(shè)計(jì)與原理，并最終能夠熟練的對協(xié)議進(jìn)行仿真和修改，同時能夠規(guī)劃和設(shè)計(jì)小型的網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)思維能力和運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)知識解決實(shí)際問題的能力。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，一方面需要教師能夠?qū)φ麄€網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層源代碼、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真與模擬，以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)軟件的熟練掌握；另一方面需要在制定教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上，切實(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在總體網(wǎng)絡(luò)框架的基礎(chǔ)上，分離出教學(xué)的重點(diǎn)，然后針對每一個教學(xué)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)對應(yīng)的理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

3.2 協(xié)議理論學(xué)習(xí)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)內(nèi)容主要在于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的各種協(xié)議的理解、掌握與運(yùn)用，通過重點(diǎn)學(xué)習(xí)各個層次中的關(guān)鍵知識點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)計(jì)劃，使得既能涵蓋相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)知識點(diǎn)，又能夠通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐以滿足掌握網(wǎng)絡(luò)的思維，能夠分析和解決網(wǎng)絡(luò)各層中的問題。

在物理層，重點(diǎn)學(xué)習(xí)通信的基本模型和幾種信道復(fù)用技術(shù)的原理；在數(shù)據(jù)鏈路層，重點(diǎn)學(xué)習(xí)點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和廣播鏈路的原理，以及如何使用集線器和交換機(jī)擴(kuò)展以太網(wǎng)；在網(wǎng)絡(luò)層，重點(diǎn)學(xué)習(xí)IP地址，ARP，IP數(shù)據(jù)報(bào)格式，IP轉(zhuǎn)發(fā)流程，子網(wǎng)和超網(wǎng)，ICMP協(xié)議，路由協(xié)議：RIP、OSPF和BGP，路由轉(zhuǎn)發(fā)原理，多播、VPN和NAT；在傳輸層，主要學(xué)習(xí)UDP協(xié)議和TCP協(xié)議的原理，包括報(bào)文的結(jié)構(gòu)，可靠傳輸?shù)脑砼c實(shí)現(xiàn)，流量控制技術(shù)，擁塞控制技術(shù)和TCP連接管理；在應(yīng)用層，重點(diǎn)學(xué)習(xí)DNS，F(xiàn)TP，WWW和郵件協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的擴(kuò)展上，重點(diǎn)學(xué)習(xí)兩種密碼體制的原理，以及利用PKI實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全；對于因特網(wǎng)上的音視頻協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和IPV6協(xié)議可以簡單講解即可。經(jīng)典教材可以使用謝希仁教授出版的《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》（第6版）。

3.3 協(xié)議基本實(shí)驗(yàn)

由于協(xié)議理論部分非常抽象且生澀，僅僅理論的學(xué)習(xí)完全無法掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議的內(nèi)容，因此基本的協(xié)議實(shí)驗(yàn)可以輔助理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)容。當(dāng)前比較成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)主要是中軟吉大開發(fā)的《網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真教學(xué)系統(tǒng)》，針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以輔助學(xué)生很好的理解和掌握相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中主要包括：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成、IP地址分類與IP數(shù)據(jù)包的組成、ARP地址協(xié)議解析、ICMP Internet控制報(bào)文協(xié)議、UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議、TCP傳輸控制協(xié)議、FTP協(xié)議、DNS協(xié)議、DHCP協(xié)議、SMTP協(xié)議等從數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層到應(yīng)用層等各種具體協(xié)議的實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，可以很好的理解每個數(shù)據(jù)幀、IP數(shù)據(jù)包、傳輸層數(shù)據(jù)報(bào)以及常用應(yīng)用層每一個協(xié)議每一個比特位的構(gòu)成和其作用，以及數(shù)據(jù)發(fā)送與傳輸?shù)脑砼c交互，可以讓學(xué)生產(chǎn)生感性的認(rèn)識。

3.4 協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本實(shí)驗(yàn)基于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以讓學(xué)生理解和掌握協(xié)議的部分細(xì)節(jié)和原理，但是學(xué)生無法從源代碼層次上控制或掌握協(xié)議在同一實(shí)體不同協(xié)議層次之間的交互、以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同實(shí)體間的互動，學(xué)生也無法掌握不同協(xié)議參數(shù)的效果以及協(xié)議優(yōu)化的思想。通用的NS2協(xié)議仿真平臺基于事件驅(qū)動，提供了離散事件的模擬功能，可以很好的從源代碼層面輔助學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體工作流程，提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)效果?；贑++和OTCL腳本語言來仿真網(wǎng)路協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)組件交互，其中承擔(dān)角度數(shù)據(jù)處理功能的網(wǎng)絡(luò)組件用C++開發(fā)，OTCL語言則用來描述網(wǎng)絡(luò)仿真的場景及一些簡單的網(wǎng)絡(luò)組件。

3.5 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)

通過網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)驗(yàn)和協(xié)議實(shí)驗(yàn)仿真，學(xué)生基本可以對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理、使用和修改有很好的掌握，最后一步就是從應(yīng)用層面的角度，來規(guī)劃和設(shè)計(jì)一個小型的網(wǎng)絡(luò)，使用集線器、交換機(jī)和路由器來構(gòu)建和配置網(wǎng)絡(luò)。由于購買相應(yīng)的硬件成本較高，可以使用思科公司提供的PacketTracer模擬軟件為學(xué)生設(shè)計(jì)、配置和排除網(wǎng)絡(luò)故障提供網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境。用戶通過圖形化的界面搭建一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓笤诿钚袑W(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置，同時可以觀察數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的詳細(xì)處理流程。通過配置IP地址、子網(wǎng)掩碼、路由協(xié)議、DHCP、VLAN和NAT等多種網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，來熟練掌握一個小型網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，同時理解和鞏固相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

4 總結(jié)

基于“五位一體”的復(fù)合教學(xué)模式，構(gòu)建全方位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，通過目標(biāo)定位、理論學(xué)習(xí)、協(xié)議基本實(shí)驗(yàn)、協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，從不同角度多層次來培養(yǎng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)思維和網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐能力，可以實(shí)現(xiàn)很好的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)效果，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)高層次的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)人才。

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