面向新工科的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)混合式教學(xué)模式

王鐵霖

一、引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心課程，本課程的重點(diǎn)是深入掌握網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議算法及其應(yīng)用，難點(diǎn)在于覆蓋了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法分析、故障分析和協(xié)議程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容，綜合性強(qiáng)，協(xié)議抽象不易理解，網(wǎng)絡(luò)編程比單機(jī)程序更難。目前，許多教師對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課提出了多種教學(xué)思路和實(shí)踐方法。一方面，選用平臺(tái)開(kāi)展混合式教學(xué)，設(shè)計(jì)了課前、課中和課后教學(xué)階段，開(kāi)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)、問(wèn)題探究等多元教學(xué)方式。另一方面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)考證、網(wǎng)絡(luò)競(jìng)賽和網(wǎng)絡(luò)編程等方法，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。也有的高校開(kāi)始探索新方法，文獻(xiàn)中圍繞內(nèi)容主線(xiàn)，將知識(shí)點(diǎn)劃分成基礎(chǔ)知識(shí)、重點(diǎn)難點(diǎn)、前沿技術(shù)3個(gè)部分，形成層級(jí)知識(shí)體系。在終期考核中，試題包含10%～20%的開(kāi)放性試題。在文獻(xiàn)中，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程分配了3個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)，分別是1-2、6-2和12-1，但該分配在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方案方面存在著缺陷。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，金課標(biāo)準(zhǔn)的“兩性一度”與專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求是一致的。金課建設(shè)要求高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，具有創(chuàng)新意識(shí)。這種要求分解落實(shí)到各門(mén)課程中，涵蓋理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，需要通過(guò)“高質(zhì)量的教學(xué)實(shí)踐”有效地落實(shí)課程教學(xué)目標(biāo)?？梢?jiàn)，對(duì)照金課標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)存在較大差距。

二.教學(xué)目標(biāo)

在課程建設(shè)中，課程教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)是頭等大事。對(duì)于專(zhuān)業(yè)核心課程而言，主要內(nèi)容包括課程教學(xué)目標(biāo)、達(dá)成途徑、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程評(píng)價(jià)等方面?；诮鹫n標(biāo)準(zhǔn)，需從課程教學(xué)目標(biāo)入手，滿(mǎn)足解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)需求。在具體目標(biāo)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)按照專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，將合理的畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)分配到該課程。

三、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程原理的分析與運(yùn)用

金課標(biāo)準(zhǔn)的高階性要求知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，其本質(zhì)就是需要深入學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)工程原理及其應(yīng)用，包括網(wǎng)絡(luò)模型、協(xié)議和算法等內(nèi)容。

典型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型有2個(gè)：OSI模型和TCP/IP協(xié)議簇。既要正確理解其中的服務(wù)和協(xié)議概念，又要能夠分析協(xié)議包的封裝和拆解過(guò)程。下面對(duì)各網(wǎng)絡(luò)層次的協(xié)議和工作原理進(jìn)行分析，部分內(nèi)容舉例如下。（1）物理層：數(shù)據(jù)編碼、串口通信協(xié)議RS232-C;（2）數(shù)據(jù)鏈路層：滑動(dòng)窗口協(xié)議、HDLC協(xié)議、PPP協(xié)議;（3）局域網(wǎng)：CSMA/CD、CSMA/CA、透明網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表生成算法;（4）網(wǎng)絡(luò)層：子網(wǎng)劃分原理與算法、IP協(xié)議、ARP協(xié)議、RIP協(xié)議、OSPF協(xié)議、距離矢量算法、洪泛算法;（5）傳輸層：UDP協(xié)議、TCP協(xié)議、TCP可靠傳輸機(jī)制、TCP協(xié)議的擁塞控制算法;（6）應(yīng)用層：DNS、HTTP協(xié)議、FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議、POP3協(xié)議、MQTT協(xié)議。

UDP協(xié)議首部只包括4個(gè)字段，其中，第4個(gè)字段是校驗(yàn)和，是難點(diǎn)之一。其計(jì)算范圍包括了UDP協(xié)議首部和數(shù)據(jù)部分，以及來(lái)自于IP協(xié)議的偽首部?jī)?nèi)容。校驗(yàn)和計(jì)算原理。計(jì)算之前，需要對(duì)IP協(xié)議和UDP協(xié)議進(jìn)行分析，抽取其中的字段信息;計(jì)算時(shí)，需要采用帶進(jìn)位二進(jìn)制累加計(jì)算，最后求反可得。

通常，教師在完成以上內(nèi)容教學(xué)后就認(rèn)為UDP協(xié)議部分講解結(jié)束，但是要讓學(xué)生深入掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議原理，單單如此推算是不夠的，應(yīng)繼續(xù)深入分析，將結(jié)果驗(yàn)證方法和解算過(guò)程引入到教學(xué)中。

四、教學(xué)內(nèi)容

在課堂上開(kāi)展多種教學(xué)方式，特別是對(duì)于學(xué)生的關(guān)注度和個(gè)性化問(wèn)題，可立即評(píng)價(jià)和反饋。（1）在線(xiàn)下教學(xué)中，針對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程原理內(nèi)容，分主題進(jìn)行精講精練，精講內(nèi)容配合課件，并以板書(shū)方式進(jìn)行過(guò)程化演練。針對(duì)教材例題，在課堂上提出其他解決方案，為學(xué)生擴(kuò)展思路。（2）基于云班課的隨堂測(cè)試。在以上精講精練結(jié)束后，立即開(kāi)展隨堂測(cè)試，通過(guò)布置類(lèi)似的任務(wù)，組織全體學(xué)生做題，學(xué)生須將演算過(guò)程和答案寫(xiě)在白紙上，限時(shí)作答。如此，能夠提升網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)的高階性。具體做法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式，組織學(xué)生編寫(xiě)校驗(yàn)和計(jì)算程序，要求通過(guò)界面輸入U(xiǎn)DP協(xié)議的各字段數(shù)據(jù)，包括偽首部數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)來(lái)源必須是通過(guò)協(xié)議抓包工具Wireshark獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)。只有校驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果與抓包數(shù)據(jù)中的校驗(yàn)和字段值是一致的，才認(rèn)為程序通過(guò)。這樣，既培養(yǎng)學(xué)生深入掌握IP協(xié)議和UDP協(xié)議，又能通過(guò)編程訓(xùn)練，提升學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用設(shè)計(jì)能力。進(jìn)一步，還可以擴(kuò)展為UDP協(xié)議包發(fā)送程序，通過(guò)編寫(xiě)套接字程序發(fā)送字符串。如果能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)助手工具正確接收到信息，則認(rèn)為設(shè)計(jì)任務(wù)順利完成。這時(shí)，單機(jī)編程思維擴(kuò)展到了網(wǎng)絡(luò)編程思維，使網(wǎng)絡(luò)工程原理的分析得以深入。3混合式教學(xué)的創(chuàng)新思路“基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)網(wǎng)絡(luò)”的思想實(shí)際上突破了典型的線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式，擴(kuò)展為“線(xiàn)上學(xué)習(xí)+線(xiàn)下教學(xué)+互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索+互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐”的教學(xué)理念，打破原有線(xiàn)上慕課資源定時(shí)定課的1422022計(jì)算機(jī)教育ComputerEducation行通過(guò)手機(jī)拍照，上傳答題圖片到云班課上，形成手寫(xiě)的電子材料。教師在課后通過(guò)云班課直接批閱，學(xué)生能立即看到批閱圖片和成績(jī)。這種方式的好處是，每次隨堂測(cè)試占分?jǐn)?shù)，學(xué)生愿意投入。反之，如果課堂上不認(rèn)真聽(tīng)講或者未到課的，則丟分嚴(yán)重。因此，隨堂測(cè)試的安排能夠有效促進(jìn)課堂教學(xué)效果。

在網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，構(gòu)造真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一直是個(gè)難題，涉及網(wǎng)絡(luò)建模、系統(tǒng)部署、網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選用、工程造價(jià)和性?xún)r(jià)比計(jì)算等。這些內(nèi)容除了課堂講解之外，更多要依靠實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)完成。以“小型局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例，綜合采用CDIO和PDCA的理念，設(shè)計(jì)該項(xiàng)目的執(zhí)行流程圖，如圖所示。

首先，由教師給出設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，要求在2個(gè)房間內(nèi)部署100臺(tái)PC機(jī)、若干服務(wù)器及刷卡設(shè)備。需要學(xué)生自行完成全部設(shè)計(jì)任務(wù)，提供采購(gòu)清單和設(shè)計(jì)文檔。具體流程如下。（1）學(xué)生以2人小組方式，進(jìn)行需求分析并構(gòu)思方案;第1期教育與教學(xué)研究143題調(diào)研、學(xué)生報(bào)告設(shè)計(jì)與制作、學(xué)生課堂演講、教師課堂點(diǎn)評(píng)、學(xué)生報(bào)告完善、教師成績(jī)?cè)u(píng)定共7個(gè)階段。所有學(xué)生劃分為至多3人的小組，選擇教師預(yù)先設(shè)置的10余道選題，全部關(guān)注網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)。選題每年更新，并增強(qiáng)課程思政。學(xué)生需要至少8學(xué)時(shí)，在課外通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)查閱整理，撰寫(xiě)PPT和調(diào)研報(bào)告。然后，所有小組在課堂上進(jìn)行講解。經(jīng)過(guò)教師點(diǎn)評(píng)后，學(xué)生獲得講解成績(jī)。學(xué)生繼續(xù)完善調(diào)研報(bào)告后，再獲得報(bào)告成績(jī)。講解和報(bào)告各占總成績(jī)的5分，合計(jì)10分。結(jié)果表明，該專(zhuān)題調(diào)研方式所支撐的課程目標(biāo)1和目標(biāo)2，一直達(dá)到良好狀態(tài)。

五、總結(jié)

本課程堅(jiān)持“通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)思想，在課堂課外、理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)，都能結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行教學(xué)。在課堂上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)命令測(cè)試、路由跟蹤、網(wǎng)絡(luò)抓包等方式，不斷強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的真實(shí)感。在課外，通過(guò)多類(lèi)型的課程在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)，解決專(zhuān)題學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)測(cè)試問(wèn)題，大大擴(kuò)展了學(xué)習(xí)空間和資源空間?；诮鹫n和工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)工程能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。課堂上采用難點(diǎn)精講和云班課的在線(xiàn)測(cè)試，有力地促進(jìn)了課堂教學(xué)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)方面，基于CDID理念完成“小型局域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等挑戰(zhàn)度項(xiàng)目。