計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)教學(xué)法

秦娜 劉宴濤

摘? 要： “計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”是計(jì)算機(jī)和電子信息等專業(yè)的基礎(chǔ)課。傳統(tǒng)的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)存在理論與實(shí)踐相脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容封閉孤立的缺點(diǎn)。為此提出一種關(guān)聯(lián)教學(xué)法，把“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”和其他課程相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)案例，建立關(guān)聯(lián)案例集，并以三個(gè)關(guān)聯(lián)案例演示其實(shí)施過程。教學(xué)實(shí)踐證明關(guān)聯(lián)教學(xué)法有助于提高學(xué)生知識(shí)的廣度和深度，進(jìn)而建立起立體化網(wǎng)狀知識(shí)體系。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)； 關(guān)聯(lián)教學(xué)； 信號(hào)與系統(tǒng)； C語言程序設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2023）06-145-04

Correlative teaching method for computer networks

Qin Na1，2， Liu Yantao1

（1. College of Computer Science， Jiaying University， Meizhou， Guangdong 514015， China; 2. Graduate University of Mongolia）

Abstract： "Computer Networks" is a foundation course for the majors of computer and electronic information. Traditional teaching for "computer networks" is deficient in disconnecting theory and practice， and closed contents. To this end， a correlative teaching method is proposed， which connects "computer networks" with other courses by designing teaching cases and building a correlative set. Three teaching cases are presented to demonstrate the implementation of the method. Teaching practice shows that the correlative teaching method helps students develop the breadth and depth of knowledge and construct a cubic mesh knowledge architecture.

Key words： computer networks; correlative teaching; signals and systems; C programming

0 引言

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”是電氣類、電子信息類、自動(dòng)化類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)的基礎(chǔ)課，具有鮮明的跨學(xué)科、跨專業(yè)的特點(diǎn)。現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入“萬物互聯(lián)，無網(wǎng)不勝”的時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)必然融入新型產(chǎn)業(yè)格局中。

對(duì)于該課程的教學(xué)探索顯得十分重要。何止戈[1]將OBE（Outcome based Education）理念貫穿到“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，建立了以產(chǎn)出為導(dǎo)向的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)體系。文獻(xiàn)[2-5]對(duì)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程提出不同角度的教學(xué)改革探討。黃寶琦[6]提出了一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)思路，采用“以太網(wǎng)協(xié)議”的教學(xué)案例設(shè)計(jì)，按照問題、任務(wù)、思路、方案和總結(jié)的順序進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)存在的問題

綜合現(xiàn)有研究成果可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程大多是采用面向協(xié)議的教學(xué)思路，基本上是分章節(jié)介紹分層協(xié)議的基本原理和工作過程，這種教學(xué)理念和教學(xué)安排經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)被證明是正確的，有利于幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的精髓。但是，在具體教學(xué)大綱制訂和教學(xué)實(shí)施過程中突出存在著如下問題。

⑴ 理論與實(shí)踐相脫節(jié)

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。學(xué)生期望的學(xué)習(xí)方式是“你告訴我網(wǎng)絡(luò)是什么樣子，不如讓我看到網(wǎng)絡(luò)是什么樣子；你告訴我網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)行，不如讓我控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行”。相對(duì)于基于PPT的說教式教學(xué)，學(xué)生更喜歡通過組網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、程序設(shè)計(jì)等活動(dòng)來學(xué)習(xí)。所以，為了改善該課程的學(xué)習(xí)效果，需要在理論教學(xué)之外，加入更多的程序設(shè)計(jì)和設(shè)備操作環(huán)節(jié)。

⑵ 封閉孤立式教學(xué)

專業(yè)與專業(yè)之間、課程與課程之間缺乏關(guān)聯(lián)教學(xué)是本科教育長期普遍存在的問題?，F(xiàn)代科學(xué)體系的發(fā)展越來越呈現(xiàn)出鮮明的學(xué)科和專業(yè)交叉特征，高等教育也應(yīng)該在不同專業(yè)、不同課程之間建立廣泛的知識(shí)關(guān)聯(lián)。然而，目前本科教育的現(xiàn)狀是各個(gè)專業(yè)之間、各門課程之間存在嚴(yán)重的藩籬，知識(shí)體系呈現(xiàn)明顯的“煙囪效應(yīng)”，即各個(gè)專業(yè)、各門課程孤立封閉地制訂培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，不顧及與其他課程的內(nèi)容交叉，導(dǎo)致學(xué)生無法透徹理解課程之間的知識(shí)關(guān)聯(lián)，無法建立立體化網(wǎng)狀知識(shí)體系。

這個(gè)問題在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中也凸顯，現(xiàn)行的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)只講授本課程的內(nèi)容，缺少與其他課程、理論、技術(shù)、行業(yè)的關(guān)聯(lián)。為了解決這個(gè)問題，需要“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的授課教師能夠廣泛關(guān)聯(lián)，旁征博引，縱向上既要關(guān)聯(lián)過去學(xué)過的知識(shí)，又要展望將來可能遇到的問題；橫向上既要和其他課程（比如信號(hào)與系統(tǒng)、交換、通信原理等）相關(guān)聯(lián)，又要和其他專業(yè)（通信工程、軟件工程等）、其他行業(yè)（物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等）相關(guān)聯(lián)。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)教學(xué)法

為了促進(jìn)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與不同學(xué)科、不同專業(yè)和不同課程的交叉融合，擯棄為了講網(wǎng)絡(luò)而講網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)教學(xué)思想，拓展知識(shí)的廣度和深度，提高學(xué)生綜合素質(zhì)，本文提出了一種“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的關(guān)聯(lián)教學(xué)法，基本思想是把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與其他課程進(jìn)行知識(shí)關(guān)聯(lián)，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)教學(xué)案例，建立關(guān)聯(lián)案例集。關(guān)聯(lián)教學(xué)法的實(shí)施過程包括三步。

⑴ 設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)案例

關(guān)聯(lián)教學(xué)法的關(guān)鍵是發(fā)掘和設(shè)計(jì)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”和其他課程之間的關(guān)聯(lián)案例。這需要教師具有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和廣闊的專業(yè)知識(shí)，必須對(duì)本專業(yè)的知識(shí)體系非常熟悉，能找到關(guān)聯(lián)案例的切入點(diǎn)，并準(zhǔn)確地洞悉學(xué)生的困惑所在。

⑵ 建立關(guān)聯(lián)案例集

以持續(xù)、開放、滾動(dòng)、更新的方式建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其他課程之間的關(guān)聯(lián)案例集，這是關(guān)聯(lián)教學(xué)法的主要工作。

⑶ 關(guān)聯(lián)教學(xué)實(shí)踐

應(yīng)用關(guān)聯(lián)案例進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，解析“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”和其他課程知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。教學(xué)形式可以非常靈活，不必拘泥于課上教學(xué)，可以采用微課、講座、Brain Storming、Case Study等多種方式。這種靈活可說是松散的學(xué)習(xí)方式，更能激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維和學(xué)習(xí)興趣，更適用于臨時(shí)性的、非系統(tǒng)教學(xué)的、針對(duì)比較小的知識(shí)點(diǎn)的、以啟發(fā)興趣和發(fā)現(xiàn)問題為主要目的的學(xué)習(xí)。

為了解釋和演示關(guān)聯(lián)教學(xué)法的本質(zhì)和實(shí)施過程，下節(jié)通過三個(gè)關(guān)聯(lián)案例來說明如何在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”和其他課程之間建立知識(shí)關(guān)聯(lián)。

3 關(guān)聯(lián)案例

3.1 “計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與“通信原理”相關(guān)聯(lián)

無線網(wǎng)絡(luò)以無線通信為基礎(chǔ)，無線信號(hào)的延時(shí)直接影響無線網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)。理解信號(hào)延時(shí)的產(chǎn)生機(jī)理和本質(zhì)屬性有助于學(xué)生理解通信收發(fā)信機(jī)的工作原理。為此，本文首先把“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與“通信原理”相關(guān)聯(lián)，詳細(xì)解釋信號(hào)延時(shí)的組成和產(chǎn)生原理。事實(shí)上，無論是有線通信還是無線通信，信號(hào)延時(shí)大致都是由以下三部分構(gòu)成。

⑴ 收發(fā)信機(jī)的排隊(duì)和處理延時(shí)

這部分延時(shí)的構(gòu)成比較復(fù)雜，包括①收發(fā)信機(jī)速率匹配造成的延時(shí)；②多用戶請(qǐng)求單發(fā)射機(jī)服務(wù)所需的排隊(duì)延時(shí)；③收發(fā)信機(jī)的信號(hào)處理延時(shí)；④網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工作延時(shí)；⑤交換機(jī)、路由器等中間設(shè)備帶來的排隊(duì)和處理延時(shí)，等等。由于這類延時(shí)的構(gòu)成復(fù)雜多樣且與應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)，需要具體問題具體分析，所以為了簡(jiǎn)化問題和理清概念，本文不討論這部分延時(shí)。

⑵ 發(fā)信機(jī)的傳輸延時(shí)

發(fā)射機(jī)的傳輸速率是指發(fā)射機(jī)把比特進(jìn)行脈沖成型并以電磁波的形式向傳輸媒介輻射出去的速率，即我們通常所說的比特率，其單位是bit/s，簡(jiǎn)記為bps。比特率的倒數(shù)就是發(fā)射一個(gè)比特所需要的傳輸延時(shí)。

⑶ 信號(hào)在媒介中的傳播延時(shí)

傳播延時(shí)是指比特脈沖以電磁波的形式從發(fā)射機(jī)輻射出去后，在傳輸媒介中傳播所經(jīng)歷的時(shí)間，該延時(shí)等于傳播距離除以電磁波在媒介中的傳播速度。

圖1展示出傳輸速率和傳播速率的關(guān)系，其中傳輸速率R是指比特從信源傳輸?shù)教炀€的速率，與比特脈沖寬度成反比，傳播速率是比特脈沖在媒介中前行的速度，圖1中以光速示意，電纜和光纖中的傳播速率比光速低一些。在圖1中，以8個(gè)比特的比特串傳輸為例，從信源輸出到接收機(jī)收到所經(jīng)歷的總延時(shí)為：

[t=8（bit）R（bps）+d（m）3*108（m/s）]? ? ? ⑴

明確傳輸延時(shí)和傳播延時(shí)的區(qū)別有助于學(xué)生理清數(shù)據(jù)比特在網(wǎng)絡(luò)中的處理流程，理解收發(fā)信機(jī)的工作原理，這一點(diǎn)在下一個(gè)案例中將得到進(jìn)一步的詮釋。

3.2 “計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與“信號(hào)與系統(tǒng)”相關(guān)聯(lián)

學(xué)生在學(xué)習(xí)光纖通信和光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)了解到光網(wǎng)絡(luò)的速率和容量比電網(wǎng)絡(luò)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但對(duì)于為什么光網(wǎng)絡(luò)的速率快、容量大卻缺乏透徹的理解。大多數(shù)學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為光信號(hào)在光纖中傳播的速率要高于電信號(hào)在電纜中傳播的速率。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)得知光信號(hào)在光纖中的傳播速率約為20.5萬km/s，電磁波信號(hào)在銅線中的傳播速率約為23.1萬km/s，可見前者比后者還要慢一些。那么為什么光網(wǎng)絡(luò)的速率和容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)絡(luò)呢？本節(jié)將“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與“信號(hào)與系統(tǒng)”相關(guān)聯(lián)，對(duì)這一問題給予透徹的解釋。

“信號(hào)與系統(tǒng)”中學(xué)習(xí)的傅立葉變換將時(shí)域中的信號(hào)波形和頻域中的頻譜相互映射和計(jì)算。以圖2中寬度為τ的矩形脈沖x（t）為例，其傅立葉變換為X（f），頻譜的第一個(gè)過零點(diǎn)為1/τ，該參數(shù)也被稱為頻譜帶寬。圖2反映出時(shí)頻域的一個(gè)基本原理：時(shí)域脈寬和頻域帶寬成反比，脈寬越窄，帶寬越寬?！巴ㄐ旁怼闭n程講到光信號(hào)位于THz（1012Hz）頻段，電信號(hào)位于MHz（106Hz）頻段，前者的帶寬是后者的百萬倍，這就意味著光通信中脈沖的寬度可以做到電通信中脈沖的百萬分之一。因此，根據(jù)上一節(jié)的分析，盡管光脈沖的傳播速率略低于電脈沖的傳播速率，但光脈沖的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電脈沖，脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者。因此總的速率光信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電信號(hào)，這就是為什么光通信的速率高、容量大的根本原因。

3.3 “計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”與“程序設(shè)計(jì)”相關(guān)聯(lián)

在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課堂上，教師主要講授的是協(xié)議的工作原理，很少解釋協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程，讓學(xué)生有一種隔靴搔癢、知其然而不知其所以然的感覺。如果能夠在教學(xué)中介紹一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的編程實(shí)現(xiàn)過程，讓學(xué)生觀察協(xié)議是如何解析和控制每個(gè)數(shù)據(jù)包和每個(gè)字段的，就能像拿著顯微鏡觀察生物實(shí)驗(yàn)一樣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大地幫助學(xué)生理解協(xié)議的工作原理。

秦娜[7，8]曾提出了一種“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的仿真實(shí)驗(yàn)方法，把“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”和C語言程序設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)。以圖3（a）為例，這是在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中建立的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)無線節(jié)點(diǎn)以時(shí)分的方式輪流每4秒接入信道發(fā)射數(shù)據(jù)包，每次占用信道時(shí)隙1秒，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)只能接收數(shù)據(jù)，不能發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧如圖3（b）所示，其中source、sink是節(jié)點(diǎn)的信源和信宿，transmitter和receiver是無線收發(fā)信機(jī)。TDMA模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)分接入功能，其進(jìn)程模型的有限狀態(tài)機(jī)如圖4所示。就某個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，如果當(dāng)前時(shí)隙不是自己的時(shí)隙，則該節(jié)點(diǎn)的TDMA進(jìn)程處于idle狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)程會(huì)收到兩類數(shù)據(jù)包：

如果收到來自其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)程跳轉(zhuǎn)到Rec_PK狀態(tài)接收數(shù)據(jù)包并發(fā)送給sink模塊。如果收到本節(jié)點(diǎn)source模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)包，則暫存起來等待自己時(shí)隙的到來，代碼如下（op開頭的函數(shù)是用C語言封裝的核心函數(shù)）。

PK=op_pk_get（op_intrpt_strm（））; //接收數(shù)據(jù)包

op_subq_pk_insert（0， PK， OPC_QPOS_TAIL）;

//把數(shù)據(jù)包插入隊(duì)列

此外，TDMA模塊設(shè)置定時(shí)中斷以4秒為周期重復(fù)進(jìn)入Send_data狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)，代碼如下：

op_intrpt_schedule_self（op_sim_time（） + 4， TIMER）;

//以4秒為周期重復(fù)進(jìn)入Send_data狀態(tài)

op_pk_send （pkptr， 0）; //把該數(shù)據(jù)包從空口發(fā)射出去

可見Send_data狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了圖3（a）中4個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔4秒接入信道發(fā)送數(shù)據(jù)包的功能。通過對(duì)Rec_PK和Send_data狀態(tài)的詮釋和C語言單步調(diào)試可以使學(xué)生明白協(xié)議進(jìn)程是如何編程實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)程和進(jìn)程之間是如何通信并協(xié)同工作的，從而，更透徹地理解協(xié)議的工作原理。

4 結(jié)束語

針對(duì)本科生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)各門課程的知識(shí)缺乏融會(huì)貫通的問題，本文以“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”為例提出了一種關(guān)聯(lián)教學(xué)法，其核心思想是在各門課程知識(shí)之間設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)案例并進(jìn)行關(guān)聯(lián)教學(xué)。關(guān)聯(lián)教學(xué)法并不僅限于“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程，各個(gè)專業(yè)、各門課程都可以引入關(guān)聯(lián)教學(xué)法，把知識(shí)點(diǎn)互相關(guān)聯(lián)，彼此詮釋。就“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”而言，本文以“通信原理”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“C語言程序設(shè)計(jì)”為例演示了如何在各門課程之間建立關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)過程，教學(xué)實(shí)踐證明該方法有助于學(xué)生透徹地理解知識(shí)的來龍去脈。未來研究中，可以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和排隊(duì)論、圖論、博弈論、組合數(shù)學(xué)、信息論等多門學(xué)科或課程之間進(jìn)行交叉融合，設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)案例。為了強(qiáng)化關(guān)聯(lián)教學(xué)，教師在教學(xué)過程中應(yīng)該打破學(xué)科和專業(yè)界限，廣泛聯(lián)系，融會(huì)貫通地加強(qiáng)各門課程之間的關(guān)聯(lián)度，提高對(duì)知識(shí)的理解度，拓展知識(shí)的廣度和深度，從而把本科生的專業(yè)知識(shí)體系從封閉隔離的“煙囪狀”變?yōu)榱Ⅲw化網(wǎng)格式的“山脈狀”，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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