“五位一体”计算机网络课程教学模式

2015-10-08彭碧涛罗海蛟

山东工业技术 2015年18期

彭碧涛,罗海蛟

（广东外语外贸大学思科信息学院,广州 510006）

1 问题提出

计算机网络作为计算机专业和网络工程专业的专业主干课程[1]，是很多后续课程的基础，了解和掌握计算机网络知识及具备相应的能力对本专业学生非常重要。但当前的专业课不同程度地存在教学内容与实践环节相脱节、教师教学手段单一、课堂交互性差等问题，导致学生对专业课的学习兴趣淡漠。走出旧的教学樊篱，构建全新的科学合理的教学模式，培养学生的创新精神和实践能力，是计算机网络课程的教学重点[2]。

1.1 协议的理论学习与实际掌握的矛盾

在计算机网络的教学中，由于学生第一次接触网络协议、服务等概念，加上网络协议本身的专业性、规范性、严谨性和抽象性，使得其对网络术语、网络协议等感到晦涩难懂，即使能够熟记书本上的相关概念和内容，但是还是很难理解所学习的网络协议到底如何工作，没有感性认识，只是背诵概念和理论。而教师只是在课堂上通过教学花费大量的时间讲解网络术语、协议规范等，这并不能帮助学生很好的理解和掌握所学习的内容。因此，简单的“理论讲解——背诵协议——期末考试”的教学方式难以达到较好的教学效果，更无法培养学生网络思维能力和运用网络知识解决实际问题的能力。

1.2 理论教学与实践应用脱离

计算机网络的协议理论较多，而且内容抽象，因此大多采用理论教授为主，而缺乏对网络技术的实际应用学习，与实际应用脱节。有的老师认为，理论学习学好尚且困难，就不用考虑实际应用了；有的老师追求协议理论的掌握，认为实际应用可以等以后工作了再去学习；有的老师虽然意识到了实践应用教学的优势，但是只是纸上谈兵，无法与理论教学实现融会贯通，学生最终还是只有概念，而无法形成具体的实际认识。这样缺乏实践应用的教学最终让学生对网络知识的理解还是停留在似懂非懂的阶段。

1.3 网络协议基本掌握与深入理解的矛盾

在计算机网络教学内容中，由于教材中对网络协议的描述和解释多采用文字和图表的方式进行阐述，学生很难深入理解网络协议的动态运行过程，以及各种运行环境、协议算法和参数对网络性能的影响，无法真正理解不同的协议的原理和算法的含义，也无法从源代码层次上来控制或显示协议在同一实体中不同协议层次间的交互实现。从而导致学生对网络协议的学习，只是停留在浅层次的基本掌握，而无法深入认识网络体系结构的关键环节，以及各种关键协议和算法的内在原理与实现。

2 问题切入

“五位一体”教学模式，是指在计算网络教学中，遵循“教学目标定位——协议理论学习——协议基本实验——协议实验仿真——网络规划与设计”五位一体的思路，采用复合教学的方式，在教师的引导和组织下，通过从多个层次和多个角度的学习和实践，来理解隐藏在基本网络概念背后的协议内涵，从而使学生深入理解网络协议的思想，以及掌握从不同维度运用计算机网络理论分析和解决网络问题的一种全新的教学模式。

“五位一体”教学模式的主要特点是通过具体的多层次的实验，运用协议分析、协议模拟仿真和网络规划等多钟实验手段，将抽象的、生涩的网络协议理论转化为具体的、可操作的案例，把书本上的理论学习体现在具体的实际操作中。这样，计算机网络中每一章和每一节的学习不再是一个个协议理论的堆砌和原理的背诵，而变成了一个个具体的可见的问题和对应的解决方案；网络协议的学习不再是被动的接受和背诵，而变成了问题的讨论、主动思考和实现。通过设计适当的案例和问题，教师适当的讲解、点拨与指导，营造学生主动学习的氛围，促进学生知识的自我理解、能力的自主提高和素质的自然培养。

“五位一体”的复合教学模式，从理论出发，结合各个层次和角度的实验，深入浅出，化抽象为具体，可以更好的帮助学生认识和理解计算机网络的相关协议理论。这种教学模式，注重理论与实践的结合，注重培养学生的网络能力培养，可以更好的实现计算机网络教学的教学目标和培养要求。下面，将对“五位一体”复合教学模式展开深入具体的展开和论述，以实现计算机网络教学目标和教学要求，同时便于在实际教学中推广。

3 问题解决

3.1 教学目标定位

教学目标是整个计算机网络教学的基础，是制定教学计划、教学内容、教学模式的基石。计算机网络的教学目标是：熟练掌握计算机网络的相关协议，理解网络协议的内涵，掌握相关协议的设计与原理，并最终能够熟练的对协议进行仿真和修改，同时能够规划和设计小型的网络，培养学生网络思维能力和运用网络知识解决实际问题的能力。要实现这样的目标，一方面需要教师能够对整个网络协议的原理、网络协议的底层源代码、网络协议的仿真与模拟，以及网络规划与设计软件的熟练掌握；另一方面需要在制定教学计划、教学内容和教学模式上，切实结合计算机网络的特点，在总体网络框架的基础上，分离出教学的重点，然后针对每一个教学重点，设计对应的理论和实践教学内容。

3.2 协议理论学习

计算机网络学习内容主要在于物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的各种协议的理解、掌握与运用，通过重点学习各个层次中的关键知识点，合理安排教学内容和教学计划，使得既能涵盖相应的网络知识点，又能够通过实验和实践以满足掌握网络的思维，能够分析和解决网络各层中的问题。

在物理层，重点学习通信的基本模型和几种信道复用技术的原理；在数据链路层，重点学习点对点链路和广播链路的原理，以及如何使用集线器和交换机扩展以太网；在网络层，重点学习IP地址，ARP，IP数据报格式，IP转发流程，子网和超网，ICMP协议，路由协议：RIP、OSPF和BGP，路由转发原理，多播、VPN和NAT；在传输层，主要学习UDP协议和TCP协议的原理，包括报文的结构，可靠传输的原理与实现，流量控制技术，拥塞控制技术和TCP连接管理；在应用层，重点学习DNS，FTP，WWW和邮件协议；在网络协议的扩展上，重点学习两种密码体制的原理，以及利用PKI实现网络安全；对于因特网上的音视频协议、无线网络协议和IPV6协议可以简单讲解即可。经典教材可以使用谢希仁教授出版的《计算机网络》（第6版）。

3.3 协议基本实验

由于协议理论部分非常抽象且生涩，仅仅理论的学习完全无法掌握计算机网络相关协议的内容，因此基本的协议实验可以辅助理解网络协议的内容。当前比较成熟的网络协议仿真教学系统主要是中软吉大开发的《网络协议仿真教学系统》，针对网络协议的相关内容，该实验系统设计了相关的实验环境和实验内容，可以辅助学生很好的理解和掌握相关的网络协议，其中主要包括：以太网数据帧的构成、IP地址分类与IP数据包的组成、ARP地址协议解析、ICMP Internet控制报文协议、UDP用户数据报协议、TCP传输控制协议、FTP协议、DNS协议、DHCP协议、SMTP协议等从数据链路层、网络层、传输层到应用层等各种具体协议的实验。通过这些实验的练习，可以很好的理解每个数据帧、IP数据包、传输层数据报以及常用应用层每一个协议每一个比特位的构成和其作用，以及数据发送与传输的原理与交互，可以让学生产生感性的认识。

3.4 协议仿真实验

网络协议基本实验基于实验环境，可以让学生理解和掌握协议的部分细节和原理，但是学生无法从源代码层次上控制或掌握协议在同一实体不同协议层次之间的交互、以及网络协议在不同实体间的互动，学生也无法掌握不同协议参数的效果以及协议优化的思想。通用的NS2协议仿真平台基于事件驱动，提供了离散事件的模拟功能，可以很好的从源代码层面辅助学生理解网络协议的具体工作流程，提高计算机网络的教学效果。基于C++和OTCL脚本语言来仿真网路协议和网络组件交互，其中承担角度数据处理功能的网络组件用C++开发，OTCL语言则用来描述网络仿真的场景及一些简单的网络组件。

3.5 网络规划与设计

通过网络基本实验和协议实验仿真，学生基本可以对网络协议的原理、使用和修改有很好的掌握，最后一步就是从应用层面的角度，来规划和设计一个小型的网络，使用集线器、交换机和路由器来构建和配置网络。由于购买相应的硬件成本较高，可以使用思科公司提供的PacketTracer模拟软件为学生设计、配置和排除网络故障提供网络模拟环境。用户通过图形化的界面搭建一个网络拓扑，然后在命令行学习网络参数的配置，同时可以观察数据包在网络中的详细处理流程。通过配置IP地址、子网掩码、路由协议、DHCP、VLAN和NAT等多种网络的参数，来熟练掌握一个小型网络的实施，同时理解和巩固相关的网络协议。