應(yīng)用型本科《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)改革探索*

王春林，陳曉林，秦海菲

(楚雄師范學(xué)院信息與技術(shù)學(xué)院，云南 楚雄 675000)

1.引言

應(yīng)用型本科培養(yǎng)目標(biāo)是本科層次應(yīng)用型人才的高等教育。它更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性、應(yīng)用性和技術(shù)性。要求學(xué)生具有較為寬廣的理論基礎(chǔ)和可供廣泛遷移的知識(shí)平臺(tái)。也要求學(xué)生具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和解決問題的能力，為后繼的發(fā)展奠定基石[1]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是網(wǎng)絡(luò)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)專業(yè)的核心課程，其主要任務(wù)是講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其工作原理，使學(xué)生掌握和理解網(wǎng)絡(luò)知識(shí)能夠使用這些知識(shí)解決實(shí)際問題。該課程的教學(xué)效果直接影響這兩個(gè)專業(yè)的人才培養(yǎng)，同時(shí)也是后繼課程：網(wǎng)絡(luò)安全，網(wǎng)絡(luò)工程，網(wǎng)絡(luò)性能分析等課程的前驅(qū)課程。另一方面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是碩士研究生入學(xué)統(tǒng)考科目之一、軟件資格考試網(wǎng)絡(luò)工程師的核心知識(shí)。為了符合社會(huì)的需求對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2.存在的問題

本文以應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型、重視實(shí)踐教學(xué)、強(qiáng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)為背景，圍繞課程特性，講授內(nèi)容，實(shí)踐教學(xué)等幾方面對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程在教學(xué)過程中如下4個(gè)普遍存在的問題進(jìn)行剖析。

2.1知識(shí)抽象，學(xué)生難以充分理解

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中主要講授網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其工作原理，而協(xié)議本身是抽象的、復(fù)雜的、摸不著看不到，只有通過實(shí)驗(yàn)才能充分地理解這些內(nèi)容。對(duì)于這些知識(shí)點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難去驗(yàn)證和分析。教師在講授過程中雖然花費(fèi)了許多精力和時(shí)間，但由于僅停留在理論講授，學(xué)生最終一知半解，遠(yuǎn)沒有達(dá)到教學(xué)要求，最終無法應(yīng)用這些知識(shí)去分析和解決問題。

2.2教學(xué)內(nèi)容選擇不合理，學(xué)生難以全面掌握

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各層及其協(xié)議的講授過程。在教學(xué)過程中，由于協(xié)議的嚴(yán)謹(jǐn)性和抽象性，學(xué)生需要先理解再記憶。而完整的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論體系大概需要800頁才能完整描述。另一方面，多數(shù)學(xué)校只為該課程設(shè)置72個(gè)或者90個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)時(shí)間，這顯然是無法完成教學(xué)內(nèi)容的。所以必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精簡，把陳舊的、不常用的知識(shí)進(jìn)行刪除或者不講授，集中精力抓住重點(diǎn)形成一個(gè)較為合理和實(shí)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心知識(shí)體系，使學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)掌握這個(gè)知識(shí)體系，然后在后續(xù)的課程中根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和深入。

2.3實(shí)驗(yàn)教材不配套，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有針對(duì)性

目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中沒有與之配套的實(shí)驗(yàn)教材。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中任課教師根據(jù)自身特點(diǎn)和理解任意開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通常用服務(wù)器設(shè)置、路由器與交換機(jī)的配置等實(shí)驗(yàn)來替代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的理論驗(yàn)證和佐證實(shí)驗(yàn)，甚至出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理相關(guān)性弱。最終使學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)覺：懷疑所講授的內(nèi)容和知識(shí)是否真實(shí)存在，隨后開始排斥甚至厭惡計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)，更無法達(dá)到利用知識(shí)去分析和解決問題的教學(xué)目的。

2.4不同專業(yè)教學(xué)內(nèi)容取舍的不統(tǒng)一，使得課程在對(duì)應(yīng)專業(yè)的地位與作用未充分體現(xiàn)

除網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這兩個(gè)專業(yè)外，信息技術(shù)、通信工程、計(jì)算數(shù)學(xué)等專業(yè)也會(huì)開設(shè)該門課程，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是無法滿足所有專業(yè)對(duì)本課程的要求。但由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)過于繁多，該課程在不同專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中的地位與作用、課時(shí)設(shè)置、對(duì)學(xué)生的要求也不盡相同。因此，在教學(xué)中教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的取舍也會(huì)有所不同。但在具體教學(xué)的過程中，由于一些特殊的原因(如不同專業(yè)合班課等)，往往教學(xué)內(nèi)容會(huì)發(fā)生較大的變動(dòng)。所以我們要根據(jù)不同專業(yè)特性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、突出重點(diǎn)和專業(yè)特性，避免過于簡單和繁重。網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這兩個(gè)專業(yè)對(duì)本課程的要求是最高的，所以在講授過程中應(yīng)該形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系，否則將無法達(dá)到本專業(yè)的培養(yǎng)目的。

3.教改實(shí)施

針對(duì)上述4個(gè)普遍存在的問題及課程特點(diǎn)，筆者在教學(xué)的過程中從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了大膽的嘗試。通過教改，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生更好地理解和掌握該課程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，并取得了較好的效果。

3.1教學(xué)內(nèi)容篩選

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程講授中，存在TCP/IP四層和OSI七層兩種體系結(jié)構(gòu)。OSI七層體系結(jié)構(gòu)理論完整，但由于過于復(fù)雜又不實(shí)用，在工業(yè)界幾乎沒有設(shè)備支持它，同時(shí)它又是國際標(biāo)準(zhǔn)。與它對(duì)應(yīng)的是事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP四層體系結(jié)構(gòu)，工業(yè)界所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)和研究中為了兼顧OSI和TCP/IP兩種體系結(jié)構(gòu)，一般采用折中的五層體系結(jié)構(gòu)，而五層體系結(jié)構(gòu)是不存在的，它是綜合OSI和TCP/IP兩者的優(yōu)點(diǎn)。在講授中圍繞五層體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)際層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，及其各層協(xié)議的封裝和解封裝展開講解。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)我們?cè)趯?shí)施教改的過程中，主要選擇了如下內(nèi)容講解。

1.物理層，講授傳輸媒體，復(fù)用技術(shù)，常見編碼；

2.數(shù)據(jù)鏈路層，講授CSMA/CD、碰撞域和廣播域概念和控制、網(wǎng)橋(交換機(jī))的工作原理、無線局域網(wǎng)等；

3.網(wǎng)絡(luò)層，講授IP協(xié)議、ARP、RIP、OSPF、IP地址及子網(wǎng)和超網(wǎng)的劃分等；

4.運(yùn)輸層，講授不可靠協(xié)議UDP和可靠協(xié)議TCP，重點(diǎn)講授TCP的實(shí)現(xiàn)、流量控制、擁塞控制和連接管理；

5.應(yīng)用層，講授DNS、FTP、HTTP，Email，DHCP等服務(wù)器工作原理，并介紹應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)編程。

6.其它，在講授中適當(dāng)引入接入網(wǎng)技術(shù)、虛擬局域網(wǎng)，NAT和VPN等知識(shí)，最后通過綜合案例對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融合慣通。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全、路由與交換、服務(wù)器配置等知識(shí)根據(jù)學(xué)時(shí)安排進(jìn)行調(diào)整，一般在后繼的專業(yè)學(xué)習(xí)中會(huì)開設(shè)對(duì)應(yīng)的課程進(jìn)行講授。

3.2理論與實(shí)踐相結(jié)合

由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性、復(fù)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(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)它進(jìn)行驗(yàn)證和佐證直接影響到本課程的學(xué)習(xí)情況，是教學(xué)環(huán)節(jié)中最重要的組成部分。通過實(shí)驗(yàn)使知識(shí)從抽象到具體，讓學(xué)習(xí)者理解每個(gè)原理的具體步驟及實(shí)現(xiàn)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件首先捕捉協(xié)議單元，然后對(duì)其進(jìn)行分析來驗(yàn)證各層及協(xié)議封裝和服務(wù)調(diào)用，最后歸納其工作原理。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)我們?cè)趯?shí)施教改的過程中，主要開設(shè)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀、IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP、RIP、OSPF、UDP、TCP、可靠通信、流量控制等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生加強(qiáng)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。從理論到實(shí)踐再回到理論的探討，提高學(xué)習(xí)樂趣和興趣，最終達(dá)到教學(xué)目的。另一方面協(xié)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(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)來聯(lián)想理解和記憶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。例如協(xié)議的封裝和解封裝可以與快遞系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)進(jìn)行講授，用已有的知識(shí)來理解和記憶新的知識(shí)。

3.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建是本文的重點(diǎn)，也是應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的突破口，直接影響學(xué)習(xí)情況和教學(xué)效果。在我們的教學(xué)改革中，主要使用了“網(wǎng)絡(luò)捕捉器”來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)捕捉器也稱之為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件、或者嗅探器。網(wǎng)絡(luò)捕捉器負(fù)責(zé)捕捉網(wǎng)絡(luò)上的各種數(shù)據(jù)包，解析其各層協(xié)議及調(diào)用,通常用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單元和流量分析，同時(shí)也是學(xué)習(xí)和分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理的好助手。網(wǎng)絡(luò)捕捉器主要包含數(shù)據(jù)包捕捉模塊和協(xié)議分析模塊。常見的協(xié)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(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖1為Ethereal網(wǎng)絡(luò)捕捉器視圖，窗口一為協(xié)議單元摘要匯總；窗口二為協(xié)議單元各層及協(xié)議各字段的封裝；窗口三為選中某個(gè)字段時(shí)對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制及字符。

圖1 Ethereal網(wǎng)絡(luò)捕捉器視圖

在實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)驗(yàn)證協(xié)議字段的取值范圍，通過不同的取值實(shí)現(xiàn)協(xié)議的調(diào)用和功能。

通過網(wǎng)絡(luò)捕捉器的仿真，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的各種抽象協(xié)議和理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為具體實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單元的分析和驗(yàn)證培養(yǎng)學(xué)生的解決和分析問題的能力，達(dá)到應(yīng)用型本科轉(zhuǎn)型的目的。

4.教學(xué)演示

本文以TCP建立連接為例。在課程開始時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)捕捉器對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉和分析，引入課程“TCP建立連接”的知識(shí)點(diǎn)及工作原理，圍繞如何建立連接及步驟展開教學(xué)，最后利用捕捉到的數(shù)據(jù)對(duì)“TCP建立連接”的工作原理進(jìn)行驗(yàn)證和分析。具體如下：

根據(jù)TCP協(xié)議建立鏈接的步驟如圖二所示：A主機(jī)(客戶端)的TCP客戶進(jìn)程向服務(wù)器B發(fā)出建立連接請(qǐng)求，首部中的同步位SYN=1，同時(shí)選擇一個(gè)初始序號(hào)SEQ=x；B收到連接請(qǐng)求報(bào)文段后，如同意建立連接，則向A發(fā)送確認(rèn)，在確認(rèn)報(bào)文段中應(yīng)把SYN=1，ACK=1，序號(hào)SEQ=y和確認(rèn)序號(hào)Ack=x+1；A客戶進(jìn)程收到B的確認(rèn)后，還要向B確認(rèn)，確認(rèn)報(bào)文段的ACK=1，序號(hào)為SEQ=x+1，確認(rèn)號(hào)為Ack=y+1；當(dāng)B主機(jī)收到該確認(rèn)號(hào)后，建立連接完成進(jìn)入通信階段。在這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解上，由于協(xié)議和工作原理的抽象性，學(xué)習(xí)者較難掌握，使用網(wǎng)絡(luò)捕捉器對(duì)TCP建立連接的協(xié)議單元進(jìn)行捕捉，通過對(duì)捕捉到協(xié)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(shí)點(diǎn)變成具體的數(shù)據(jù)和步驟。

圖2 TCP建立連接

圖3 TCP建立連接具體實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)中啟動(dòng)Ethereal協(xié)議捕捉器開始捕捉：(1)調(diào)用TCP協(xié)議單元，打開IE瀏覽器輸入任意網(wǎng)址；待捕捉到協(xié)議后停止協(xié)議捕捉器；(2)分析捕捉到的協(xié)議單元；(3)根據(jù)協(xié)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(xié)議單元編號(hào)60、62、63號(hào)分別對(duì)應(yīng)著三次握手協(xié)議三個(gè)過程。其中客戶端A，IP地址=192.168.31.213，端口號(hào)=58970；服務(wù)器B，IP地址=111.13.101.191，端口號(hào)=80(http);A主機(jī)的TCP客戶進(jìn)程向服務(wù)器B發(fā)出建立連接請(qǐng)求，這時(shí)TCP首部中的同步位SYN=1，同時(shí)選擇一個(gè)初始序號(hào)SEQ=0,如圖四中編號(hào)60的協(xié)議單元；B收到連接請(qǐng)求報(bào)文段后，如同意建立連接，則向A發(fā)送確認(rèn)，在確認(rèn)報(bào)文段中應(yīng)把SYN=1，確認(rèn)號(hào)ACK=1和確認(rèn)序號(hào)Ack=1，SEQ=0如圖四中編號(hào)62的協(xié)議單元；A的TCP客戶進(jìn)程收到B的確認(rèn)后，還要向B給出確認(rèn)如圖四中編號(hào)63的協(xié)議單元，確認(rèn)報(bào)文段的ACK=1，序號(hào)SEQ=1，確認(rèn)號(hào)Ack=1。當(dāng)B主機(jī)收到該確認(rèn)號(hào)后，完成建立連接進(jìn)入通信階段。通過以上實(shí)驗(yàn)的分析，畫出圖三完成該實(shí)驗(yàn)。

圖4 TCP三次握手協(xié)議單元

使用本文的教學(xué)方法對(duì)TCP建立連接的原理及步驟進(jìn)行講授和驗(yàn)證舉例，該教學(xué)方法使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的抽象知識(shí)到具體實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)難點(diǎn)和重點(diǎn)的剖析和驗(yàn)證，達(dá)到學(xué)以致用，深入淺出，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解與實(shí)踐應(yīng)用。

5.小結(jié)

作者使用本文的教學(xué)方法對(duì)楚雄師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程作為教學(xué)改革試點(diǎn)。圍繞教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)手段，實(shí)踐內(nèi)容和方法等幾方面進(jìn)行改革。經(jīng)過三屆的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)連續(xù)三年的軟考通過率、期末平均成績進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示，教學(xué)改革明顯提高教學(xué)質(zhì)量效果非常好呈上升趨勢(shì)。

圖5歷年軟考通過率

圖6歷年期末平均成績