基于認(rèn)知建構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)串口通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳 宏 吳建德 郭 清 鄧 焰

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 浙江·杭州 310027）

0 引言

在當(dāng)今遍布互聯(lián)網(wǎng)的信息時代，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)人才的培養(yǎng)顯得愈來愈重要。高校面向社會發(fā)展需求，開設(shè)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程。提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才的科研和實(shí)踐工作能力。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)必修課。[1]高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程知識面廣、專有名詞多、技術(shù)原理抽象、實(shí)踐操作性強(qiáng)。[2]計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)課程的核心是諸多各具功能的協(xié)議，在考核中如果簡單考核這些協(xié)議的原理和功能，多數(shù)同學(xué)都能正確回答，學(xué)生也確實(shí)把握了協(xié)議基本原理，可他們沒有接觸通信協(xié)議工作真實(shí)環(huán)境，缺乏實(shí)際動手操作，對知識的看法就始終停留在表面，也無法運(yùn)用知識解決問題。[3]傳統(tǒng)的課堂模式以教師為中心和主導(dǎo)來組織教學(xué)過程，教育者的目標(biāo)在于傳遞客觀世界知識，而學(xué)習(xí)者的目標(biāo)就是完全得到與教育者相同的對于知識的理解。[4]網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)容很抽象，協(xié)議的字面意思很難和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系起來，學(xué)生感到缺乏學(xué)習(xí)的自信，影響了教學(xué)效果。

培養(yǎng)高質(zhì)量的人才，必須有高質(zhì)量的教學(xué)內(nèi)容。[5]在互聯(lián)網(wǎng)信息時代，在教學(xué)活動中的教師和學(xué)生將逐漸形成平等的關(guān)系，教師將轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)組織者和管理者，甚至是學(xué)習(xí)伙伴。學(xué)習(xí)是學(xué)生運(yùn)用智能不斷獲取知識的迭代過程，是通過“重新組織并轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)材料”不斷獲取“附加的新領(lǐng)悟”的過程。[6]為了使學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)問題的解決能力，本文采用以學(xué)生為主，理解通信協(xié)議，編寫數(shù)據(jù)幀，發(fā)送通信指令，傳輸數(shù)據(jù)，提出建構(gòu)主義教學(xué)模式。實(shí)踐證明，這種模式對于提高運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，具有很好的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

串口通信是計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間通過USB 端口或者RS232 端口，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的約定，建立通信，傳輸信息的通訊方式。串口通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是使學(xué)生理解串口通信的工作原理和方法，用串口通信，接收完整無誤的數(shù)據(jù)。瑞士心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為，知識既非來自主體，也非來自客體，而是在主體與客體之間的相互作用過程中通過同化與順應(yīng)過程逐步建構(gòu)起來的，并在“平衡—不平衡—平衡”的循環(huán)中得到不斷的豐富、提高和發(fā)展。[7]在實(shí)驗(yàn)過程中不斷深入理解通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

教師編寫網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括文件傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層2 個層次。首先設(shè)定好文件傳輸層的文件格式，包括文件名，文件長度，校驗(yàn)方式和相應(yīng)的字節(jié)長度，如圖2 所示。在文件傳輸層按照這個格式開始數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 文件傳輸層格式

其次設(shè)定數(shù)據(jù)鏈路層，定義數(shù)據(jù)幀的格式，包括數(shù)據(jù)幀格式和應(yīng)答幀的格式，其中應(yīng)答幀的數(shù)據(jù)用0 填充。如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)鏈路層格式

教師編寫上位機(jī)程序，按照網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，完整的數(shù)據(jù)是一個圖像，要求學(xué)生使用Cortex 處理器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編寫數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀，接收到完整、正確的數(shù)據(jù)，在顯示屏上顯示圖像。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，預(yù)先設(shè)立實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，提供?shí)驗(yàn)設(shè)備，教師參與學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主動建構(gòu)串口通信的知識和能力。

2 串口通信實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

連接實(shí)驗(yàn)板和計(jì)算機(jī)，如圖4 所示。在計(jì)算機(jī)上編寫程序發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收上位機(jī)軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)。串口通信成功時，在實(shí)驗(yàn)板上顯示完整的上位機(jī)的圖像。

圖4 串口通信的實(shí)現(xiàn)（右邊是上位機(jī)）

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按照圖1 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)中的問題，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)容中，找到原因，使自己對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的認(rèn)知更加接近實(shí)際情況，能夠收到上位機(jī)的完整無誤的1 幀數(shù)據(jù)，能夠應(yīng)答，接著能夠收到完整無誤的圖像數(shù)據(jù)，最后完整地顯示圖像。

2.3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中真正理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的內(nèi)容，主要包括以下幾個方面的知識建構(gòu)過程：

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的層次是實(shí)際情況決定的，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電報電話咨詢委員會(CCITT)聯(lián)合制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，從低到高分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。但是在實(shí)際使用中，根據(jù)需要建立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以只使用其中的2 層。

（2）數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀在數(shù)據(jù)鏈路層的功能不同，但是共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)長度是可以根據(jù)實(shí)際需要改變的，但是每2 幀之間的傳輸間隔時間是已知的。

經(jīng)過這個實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠深入理解網(wǎng)絡(luò)分層系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全理解、并且學(xué)會應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)串口通信了。

3 結(jié)語

布魯納認(rèn)為“教學(xué)過程是一個學(xué)生探究和發(fā)現(xiàn)的過程”。[8]實(shí)驗(yàn)教學(xué)在空間和時間上給學(xué)生的探究和發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了積極有效的條件。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)過程中，抽象的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在實(shí)驗(yàn)中成為數(shù)據(jù)格式和文件格式，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的同時，還掌握了串口通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了關(guān)于串口通信中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的認(rèn)知建構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)因其自身的特點(diǎn)和作用可以全方位地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新教育的重要途徑。[9]本文采用建構(gòu)主義教學(xué)模式設(shè)計(jì)串口通信的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，遵循學(xué)生的認(rèn)知方式，理論知識聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，靈活掌握相關(guān)知識點(diǎn)，與學(xué)生進(jìn)行積極交流和溝通，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性, 提高了學(xué)生的自我領(lǐng)悟，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，真正成為科研和工程技能型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人才，具有重要的實(shí)踐意義。