“計算機網(wǎng)絡與通信”課程的教學改革研究
——以高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)為例

張 萍

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術學院 計算機與信息工程學院，廣東 廣州 510510）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)應用技術主要研究信息采集、無線傳輸、信息處理等方面基本知識和技能，進行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計、項目管理、終端節(jié)點的安裝與調(diào)試、系統(tǒng)集成、施工等，學生未來主要從事物聯(lián)網(wǎng)設備的生產(chǎn)、應用和維護，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和維護，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品銷售與推廣等方面的工作。物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的課程一般是按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層、傳輸層、應用層進行設計安排?！坝嬎銠C網(wǎng)絡與通信”屬于傳輸層的基礎課程，為學生理解萬物互聯(lián)互通提供理論依據(jù)，為學生在未來工作中調(diào)試系統(tǒng)的通信功能提供技能支持，同時為學生學習“無線傳感網(wǎng)絡”等專業(yè)課程提供知識基礎。針對“計算機網(wǎng)絡與通信”課程原理部分概念抽象、較難理解和實操部分靈活多變等問題，結(jié)合專業(yè)背景，在教學設計和教學模式上做出探索和改進，以期提高學生滿意度。

1 “計算機網(wǎng)絡與通信”課程教學內(nèi)容

“計算機網(wǎng)絡與通信”主要包含了TCP/IP屬性配置、路由器基本配置、IP地址規(guī)劃、協(xié)議報文分析、VLAN配置、VLAN間路由和無線局域網(wǎng)等內(nèi)容，既包含了基本的計算機網(wǎng)絡原理，又包含了較多的網(wǎng)絡基本操作技術[1]。在課程教學中，以OSI五層模型為線索串聯(lián)教學內(nèi)容，按照物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層的順序組織教學內(nèi)容，有助于學生從整體掌握網(wǎng)絡通信的原理及網(wǎng)絡的使用。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)特性及后續(xù)的課程教學需要，對于網(wǎng)絡設備的地址規(guī)劃、尋址、協(xié)議報文分析等內(nèi)容進行重點講解并進行必要拓展。見表1所列，以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡為例，比較其和計算機通信網(wǎng)絡的異同，凸顯“計算機網(wǎng)絡與通信”這門課程的基礎性。

表1 ZigBee網(wǎng)絡與計算機通信網(wǎng)絡

2 教學設計

“計算機網(wǎng)絡與通信”的教學內(nèi)容可以分為兩大類：一部分內(nèi)容偏理論，包括網(wǎng)絡分層模型，TCP/UDP、IP、ARP、DNS等網(wǎng)絡通信協(xié)議，這部分內(nèi)容概念抽象，原理復雜，較難理解；另一部分偏應用，包括IP地址的規(guī)劃、路由器基本配置、VLAN配置等，這部分內(nèi)容實踐性強，需學生靈活使用。針對不同類型的教學內(nèi)容，采用了不同的教學方法。

2.1 偏理論內(nèi)容的教學設計

對于偏理論的內(nèi)容，將抽象的概念實例化，在模擬網(wǎng)絡通信的過程中去理解原理。下面以網(wǎng)絡分層模型和TCP/UDP協(xié)議為例進行說明。

2.1.1 網(wǎng)絡分層模型

網(wǎng)絡分層模型是理解網(wǎng)絡通信的基石，也是學習的重難點。整個通信過程是分層的，通信協(xié)議是對應層之間的協(xié)議，層與層之間只存在簡單的接口關系，學生對于分層、通信協(xié)議、接口、對等實體等概念難以理解。教材通常以郵政信函的通信過程為例，幫助學生理解分層模型，但是這與實際的網(wǎng)絡通信過程存在差距。下面用具體情境結(jié)合Wireshark網(wǎng)絡[2]抓包工具來闡述分層模型的實現(xiàn)。

本文模擬了服務器和客戶端的通信過程，在Ubuntu虛擬機（192.168.80.128）上運行服務器程序?？蛻舳撕头掌魍ㄐ攀疽鈭D如圖1所示，效果如圖2所示。

圖1 客戶端和服務器通信示意圖

圖2 服務器程序運行效果

在另一臺IP是192.168.80.130的電腦上輸入如下命令“telnet 192.168.80.128 2323”；再輸入測試數(shù)據(jù)，比如“123456”。效果如圖3所示。圖4是服務端接收到的數(shù)據(jù)截圖。

圖3 客戶端運行效果

圖4 服務端接收數(shù)據(jù)截圖

使用Wireshark工具捕獲的通信過程如圖5所示。

圖5 Wireshark工具捕獲的客戶端和服務端通信過程

通信過程包括了完整的TCP建鏈過程、數(shù)據(jù)傳輸過程、斷鏈過程。選中客戶端往服務端發(fā)送“123456”這一次的數(shù)據(jù)傳輸過程，從分層模型的角度進行詳細分析。

客戶端向服務端發(fā)送的信息僅僅只是“123456”，但是抓包工具抓到的內(nèi)容遠不止這些，那么這些被添加的內(nèi)容及其作用是什么值得思考。日常生活中寄信時需要將信紙裝進信封，信封上寫上發(fā)件人、收件人等額外信息，信件到了郵局，還會進行分揀，蓋上郵戳等信息，最后收件人收到的是帶有中間傳輸信息的信封，但是他關注的僅僅只是信紙寫的內(nèi)容。同樣，在網(wǎng)絡的世界里，如果只發(fā)“123456”，計算機、網(wǎng)絡設備是不知道如何發(fā)送數(shù)據(jù)的，應該有類似于發(fā)件人、收件人、郵戳等信息。從圖6可以看出，“123456”是應用層數(shù)據(jù)，服務器程序在調(diào)用Socket 函數(shù)接口時，會添加上端口、IP等信息；在經(jīng)過網(wǎng)卡處理后，會添加上MAC地址等信息，最后變成數(shù)字信號通過網(wǎng)線傳輸。

圖6 客戶端向服務端發(fā)送數(shù)據(jù)的分層解析

從圖7可以看出，用戶提供的只是“123456”應用程序數(shù)據(jù)，但是最后傳輸?shù)膬?nèi)容附加了很多信息。表2具體列出了各層增加的關鍵項以及在實際通信過程中負責添加、處理關鍵項的模塊實例。

表2 網(wǎng)絡層次與模塊實例的對應關系

圖7 應用數(shù)據(jù)的封裝過程

2.1.2 TCP/UDP協(xié)議

TCP/UDP是傳輸層的兩個重要協(xié)議。TCP是面向連接的協(xié)議，服務質(zhì)量有保證；UDP是無連接協(xié)議，服務質(zhì)量沒有保證[3]。在進行網(wǎng)絡編程時，協(xié)議類型是重要的函數(shù)參數(shù)，體現(xiàn)了不同的傳輸特性。TCP/UDP的不同特性是由其協(xié)議報文決定的，圖8和圖9分別是TCP和UDP協(xié)議的報文格式。

圖8 TCP協(xié)議報文

圖9 UDP協(xié)議報文

從協(xié)議報文可以看出，TCP協(xié)議報文比UDP協(xié)議報文復雜，包含了較多的字段。正是這些字段，支持了TCP的各種特性。而UDP的協(xié)議報文非常簡單，因此它是無連接的、無流量控制機制、不保證可靠傳輸?shù)摹CP協(xié)議報文字段與TCP特性對應關系見表3所列。

表3 TCP協(xié)議報文字段與TCP特性對應關系

2.2 偏應用內(nèi)容的教學設計

偏應用的內(nèi)容重點在于訓練學生能針對不同場景熟練使用所需技能[4]。設計了一系列的實驗，從簡單到復雜，循序漸進，先是針對各個獨立知識點訓練，再是知識的綜合使用，使學生能熟練掌握網(wǎng)絡通信的基本技能并靈活使用。實驗項目與相關技能對應關系見表4所列。

表4 實驗項目與相關技能對應關系

3 教學模式

“計算機網(wǎng)絡與通信”是實踐性很強的課程，課堂上教師也需要進行較多的實驗操作，但學生往往看過之后容易忘記，等到自己做實驗時，不知如何動手，或者只能完成部分。針對這種情況，采用線上線下相結(jié)合的教學模式能取得較好的教學效果[5]，在優(yōu)慕課上建立網(wǎng)絡課程，提供實驗操作文檔、實驗演示視頻，不同層次的學生按需使用[6]。理解能力好、接受能力強的學生可以按照實驗文檔操作完成實驗；而能力弱一些的學生可以先按實驗文檔操作，遇到困難再去觀看實驗演示視頻，不建議直接跟著實驗演示視頻做實驗，避免失去碰到問題、解決問題的機會，鼓勵學生不要害怕問題、在解決問題的過程中成長。

4 結(jié) 語

“計算機網(wǎng)絡與通信”是高職物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的一門基礎課，有助于學生理解網(wǎng)絡通信原理，理解物物互聯(lián)。本文將教學內(nèi)容分為理論和實踐兩類[7]，分別采用了不同的教學設計。對于偏理論的內(nèi)容，從網(wǎng)絡分層模型的角度出發(fā)，將抽象的理論實例化[8]，在具體的網(wǎng)絡通信場景中解釋理論，降低學習的門檻；對于偏實踐的內(nèi)容，設計了一系列的實驗，學生在反復實踐中掌握技能，學會靈活使用。采用線上和線下相結(jié)合的教學模式[9]，突破傳統(tǒng)課堂時間和空間的限制，學生可以根據(jù)自身能力情況選擇合適的學習模式[10]，做到因材施教。這些措施在實際教學中起到了較好效果，學生學習效果較好，滿意度得到提高。