計算機網(wǎng)絡(luò)課程中基于網(wǎng)絡(luò)事件的三步啟發(fā)式教學(xué)法

袁藝 聶秀山

[摘要]為進一步提升計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)效果，基于經(jīng)典的啟發(fā)式教學(xué)法，課題組提出了基于網(wǎng)絡(luò)事件的三步啟發(fā)式教學(xué)方法：提出問題——分析問題——解決問題，并以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析這一重要知識點為例，詳細說明了基于網(wǎng)絡(luò)丟包事件的三步啟發(fā)式教學(xué)方法應(yīng)用案例。實踐證明，本方法的邏輯性強，適用面廣，能顯著地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對知識點的理解程度，提高應(yīng)用所學(xué)知識的能力。

[關(guān)鍵詞]計算機網(wǎng)絡(luò);啟發(fā)式教學(xué)法;三步;網(wǎng)絡(luò)事件

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2019）12-0062-03

計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機相關(guān)專業(yè)本科生、研究生教育都開設(shè)的一門重要專業(yè)課程。傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)普遍偏重于課堂知識點的講授，實踐偏少。同時，由于計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)容比較抽象、理解難度較大，學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心普遍不足。此外，學(xué)生在課堂上以被動接受為主，動腦少，對很多知識點往往“知其然不知其所以然”，不能舉一反三，學(xué)習(xí)靈活度不足。

為此，曲霖潔在教材選擇、課程內(nèi)容展示、實驗設(shè)置幾個方面探索了該課程的改革方向;馮偉分析了翻轉(zhuǎn)課堂在本課程教學(xué)中的優(yōu)勢和局限性，并設(shè)計出基于翻轉(zhuǎn)課堂的計算機網(wǎng)絡(luò)課程構(gòu)建步驟;王昊翔也將翻轉(zhuǎn)課堂的方式引入了計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué);胡永東等提出在SPOC平臺的基礎(chǔ)上實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)課程的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，綜合運用主動學(xué)習(xí)、混合教學(xué)、問題式教學(xué)、CDIO等教學(xué)方法設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂，充分體現(xiàn)以學(xué)生的學(xué)為主的教學(xué)理念;顏學(xué)雄等擴展了基于問題教學(xué)模式的思路，具體介紹了所在課程組在計算機網(wǎng)絡(luò)課程理論教學(xué)中的實踐過程;郭昌建等基于MOOC課程建設(shè)的特點，設(shè)計了一個開放性強、交互靈活的計算機網(wǎng)絡(luò)課程微課教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者為中心的師生多重交互分享，切實提高了教學(xué)活動的創(chuàng)造性和實效性;孫華提出要設(shè)計符合不同水平學(xué)生、不同功能的虛擬學(xué)習(xí)軟件，以提升形象化教學(xué)水平;徐磊也探討了利用虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)框架，建設(shè)實驗教學(xué)平臺的方法，提出了基于單機模式建立低成本、易擴展的一體化實驗平臺的教改方案;張千等探討了在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中開展研究性教學(xué)改革的途徑，認為引入研究性教學(xué)這一教學(xué)模式可以較好地培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和創(chuàng)新精神，增加學(xué)生的參與度，有助于提升專業(yè)課的授課質(zhì)量;劉彬也探討了基于項目教學(xué)的計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)法，著重于提高學(xué)生的團隊合作能力、協(xié)同學(xué)習(xí)與公關(guān)的能力。

但由于本課程的學(xué)生層次多樣，接受新教學(xué)法的程度不同，自身的教學(xué)軟硬件條件不同，難以用一種教學(xué)法惠及所有學(xué)生。尤其是在當(dāng)前特別重視本科教育的大背景下，為了切實實現(xiàn)“以本為本、四個回歸”，需要繼續(xù)研究教學(xué)理論與方法。為此，課題組將基于經(jīng)典的啟發(fā)式教學(xué)法，探討一種針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的基于網(wǎng)絡(luò)事件的三步啟發(fā)式教學(xué)方法，達到了較好的實踐效果。

一、方法介紹

所謂啟發(fā)式教學(xué)，是指教師在教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律，從學(xué)生的實際出發(fā)，采用多種方式，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，促使他們生動活潑地學(xué)習(xí)的一種教學(xué)指導(dǎo)思想。啟發(fā)式教學(xué)法源于西方的“知識的產(chǎn)婆”思想，不直截了當(dāng)?shù)匕褜W(xué)生所應(yīng)知道的知識告訴他，而是通過討論、實踐的方式，逐步引導(dǎo)學(xué)生得出最終的解決方法。采用啟發(fā)式教學(xué)，可以有效調(diào)動學(xué)生的主動性，啟發(fā)學(xué)生獨立思考，發(fā)展其邏輯思維能力，培養(yǎng)其獨立解決問題的能力，有利于學(xué)生認知主體作用的發(fā)揮。

針對計算機網(wǎng)絡(luò)課程的特點，基于啟發(fā)式教學(xué)法的基本思想，這里可提出一種由問題牽引的三步啟發(fā)式教學(xué)法，基本框架如圖1所示：

從圖1可以看出，從問題的提出到問題的解決，中間經(jīng)歷了思考討論以及實例分析的環(huán)節(jié)。下面詳細介紹三步啟發(fā)式教學(xué)法的實施方法。

（一）提出問題

提出一個在當(dāng)前知識背景下可能會出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象或網(wǎng)絡(luò)事件，充分講解網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象或事件出現(xiàn)的原因及表現(xiàn)，生動地將學(xué)生帶入學(xué)習(xí)情景，由此調(diào)動學(xué)生主動思考的積極性。在此階段，教師應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)膯栴}，既能與已學(xué)內(nèi)容銜接，又能引出新的知識點，這要求教師對教學(xué)內(nèi)容融會貫通，并具備一定的實踐經(jīng)驗。

（二）思考問題

針對提出的網(wǎng)絡(luò)事件或現(xiàn)象，在小組內(nèi)討論解決的方法。在這一過程中，學(xué)生團體內(nèi)部要有明確的分工，如討論領(lǐng)導(dǎo)者、討論記錄者、討論報告者等，教師則需擔(dān)任引導(dǎo)者的角色，提前準備好一系列層層深入的問題，適時引導(dǎo)學(xué)生積極思考。

（三）解決問題

“知之不如見之”。教師在學(xué)生積極討論并最大限度調(diào)動思考積極性的時候，引導(dǎo)學(xué)生進行密切觀察，再討論觀察到的結(jié)果，并結(jié)合理論知識，總結(jié)出問題解決的思想和方法。最后，應(yīng)用發(fā)散性思維，對解決問題的方法進行舉一反三的運用。

二、教學(xué)案例

目前世界上最流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析軟件是Wire-shark（前身為Ethereal），它是一款免費開源的數(shù)據(jù)包分析器，可以將捕獲的二進制數(shù)據(jù)流翻譯成人們?nèi)菀桌斫獾奈淖趾蛨D表，同時具備強大的統(tǒng)計分析功能，可以用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)故障診斷等，支持多個平臺的使用。其中，Wireshark的故障診斷功能非常強大，例如專家信息（Expertinfo）能夠自動識別網(wǎng)絡(luò)中異常，并給出導(dǎo)致異常的具體原因，其事件包括嚴重錯誤（Errors）、一般性問題（Warn）以及可能引發(fā)故障的異常現(xiàn)象（Note）等。此外，Wireshark默認有一組著色規(guī)則，可以將異常數(shù)據(jù)包通過顏色高亮顯示出來。同時，Wireshark還有功能強大的圖表功能，其輸入輸出圖（IO圖）可以使用不同顏色顯示不同對話的吞吐量，發(fā)現(xiàn)吞吐量下降與TCP異常包的關(guān)系，還可以使用10圖的高級功能對數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計等，如圖2所示。

TCP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議家族中出現(xiàn)最早的協(xié)議，TCP的連接管理、流量控制、擁塞控制是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)中的重點和難點。

下面以TCP中的經(jīng)典事件——網(wǎng)絡(luò)丟包事件為例，詳細說明基于網(wǎng)絡(luò)事件的三步啟發(fā)式教學(xué)方法的運用。

網(wǎng)絡(luò)丟包事件的知識背景是已知TCP數(shù)據(jù)段頭中的序列號（Sequence number）、數(shù)據(jù)載荷（Data）與下一個數(shù)據(jù)段的序列號（Next sequence number）之間的關(guān)系。在Wireshark中添加三個新的列：SEQ#，DATA，NEXT-SEQ#，可以看出這三者的關(guān)系為：NEXTSEQ#=SEQ#+DATA，關(guān)系實例如圖3所示：

第一步：問題的提出

TCP是可靠的傳輸層協(xié)議，要確保發(fā)送方的字節(jié)流準確無誤地傳送到接收方，圖4中的10414號數(shù)據(jù)包與10416號數(shù)據(jù)包是10.9.9.9連續(xù)發(fā)送的兩個數(shù)據(jù)段，10414的NEXTSEQ#與10416的SEQ#一致。而10416號數(shù)據(jù)包的NEXTSEQ#與10417號數(shù)據(jù)包的SEQ#不一致，這說明在這兩個數(shù)據(jù)包之間出現(xiàn)了丟包事件。

教師可以根據(jù)實際抓到的數(shù)據(jù)包，啟發(fā)學(xué)生總結(jié)出TCP丟包事件的基本特征：當(dāng)Wireshark捕獲到的連續(xù)的數(shù)據(jù)包具有不連續(xù)的序列號時，可能出現(xiàn)了丟包事件。

第二步：問題的思考

教師組織學(xué)生分小組討論。針對TCP的丟包問題，教師可以依次提出的問題和學(xué)生可能的討論結(jié)果如表1所示：

第三步：問題的解決

丟包事件之后的實際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包截圖如圖5所示，教師引導(dǎo)學(xué)生仔細觀察兩個方向的數(shù)據(jù)包，并為Wire-shark增加一個列ACK#（該列標識了接收方的確認號），從而更加清晰地觀察序列號，確認號之間的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)發(fā)送方在丟包之后并沒有停止發(fā)包，而接收方發(fā)來的確認號始終是9164761。當(dāng)發(fā)送方收到足夠多的重復(fù)確認之后，開始重傳缺失的數(shù)據(jù)段，如圖5中的第12035個TCP段。

實際的數(shù)據(jù)包告訴我們，TCP并沒有執(zhí)行超時重傳，而是執(zhí)行了某種快速算法，其前提條件是不斷收到重復(fù)的確認。原來，根據(jù)Van Jacobson的算法，超時重傳的時間RTO由RTT的估計值與RTT的偏移量所決定（RTO=u* EstimatedRTT+ψ*Deviation），通常該時間比較長，而TCP為了提高效率對丟包事件進行了區(qū)分對待。一種為網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降為零的情況，該情況下TCP執(zhí)行慢啟動算法（slow start），等到計時器超時，重傳丟失的數(shù)據(jù)包;而另一種情況為網(wǎng)絡(luò)吞吐量不為零的情況，該情況下TCP執(zhí)行快速重傳算法（fast retransmit），而不用等到計時器超時。

最后，教師可以用一個更加深入的問題引發(fā)學(xué)生進一步思考：同樣的丟包事件，TCP層與鏈路層采用了不同的策略，這是為什么呢？

三、結(jié)語

基于網(wǎng)絡(luò)事件的三步啟發(fā)式教學(xué)法是傳統(tǒng)啟發(fā)式教學(xué)法的合理改進，符合“來源于實踐，又高于實踐”的哲學(xué)思想。經(jīng)實踐證明，三步啟發(fā)式教學(xué)法既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能鍛煉學(xué)生綜合運用知識、舉一反三的能力。同時，啟發(fā)式的學(xué)習(xí)思路也能有效提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力，為研究性學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，更好地適應(yīng)將來讀研或工作的需要。