《网络信息系统工作原理》教学案例

焦学仕

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将“信息系统与社会”作为必修模块设置，突出了信息系统的重要地位，要求学生能了解人、信息系统与社会的关系，认识信息系统在社会中的作用，合理使用信息系统解决生活、学习中的问题。基于此，提出了两项学习要求：（1）理解计算机、移动终端在信息系统中的作用，描述计算机和移动终端的基本工原理；（2）通过组建小型无线网络，了解常见网络设备的功能，知道接入方式、带宽等因素对信息系统的影响。

对比2013版课标选修三《网络技术应用》中“网络技术基础”主题的内容标准可以看出，网络系统工作原理属于学生应当深入理解的关键内容。新课标降低了对本部分记忆性内容的要求，但对学生应达到的理解程度做了提升，要求学生不能仅仅停留在解释、了解的层面，还要能在释义的基础上领悟原理，甚至能应用于组网实践。

基于以上理解，在“三新一旧”的教学背景下，“网络信息系统工作原理”内容的教学必然要做出相应的调整，以下是笔者根据近几年的教学实践所做的一点尝试。

● 环节一：情境导入，提出问题（5分钟）

师：假设我们进入一所新的学校，周围同学来自天南海北，互不相识，现在想要相互认识一下，该如何进行？

学生活动：四位同学为代表，做一个自我介绍，介绍完毕，四个人相互握手，任意两人之间建立了联系。

设计意图：引出广播概念。

师：刚才做自我介绍的同学实际上进行了一个“广播”活动。任一同学“广播”后，所有同学都能听到他发出的信息。局域网中广播是多点投递的最普遍的形式，它向每一个目的站投递一个分组的拷贝。它可以通过多个单次分组的投递完成，也可以通过单独的连接传递分组的拷贝，直到每个接收方均收到一个拷贝为止。

学生活动：①双击桌面上的“网络”（Win7系统），观察通过广播的形式收集到该局域网中所有在线的计算机名称，并将服务器“Serve”上的共享文件文件“测试”拷贝到桌面。②查看本机的计算机名称，将其写在学习卡片上。（方法：右击桌面上的“计算机”图标，选择“属性”）

设计意图：学生间相互自我介绍与局域网中的“广播”极为相似，自我介绍完成后，每个学生都会得到其他同学的信息，随时可以发起对话。局域网中电脑广播后同样建立了一个握手信号，相互间可以通信。

● 环节二：新知学习，重点铺垫（10分钟）

1.了解计算机的身份证：MAC地址（5分钟）

师：计算机在局域网中是怎样标识自己的身份的？世界上每个人都有独一无二的特征，局域网中的计算机会不会也有呢？答案是肯定的。局域网中标识计算机身份的是网卡的物理地址，也就是MAC地址（Media Access control）。访问目标主机时，无论是通过IP地址还是通过计算机名，系统都要先查询该地址或名称对应的MAC地址，才能找到。在底层的物理传输过程中，就是通过物理地址来识别主机的。

学生活动：①单击开始菜单，输入cmd进入命令提示符，输入“ipconfg/all”查看本机的物理地址（MAC地址）、IP地址，并将它们写在学习卡片上。②随机找几位同学念出自己计算机的MAC地址，查看是否有重复。

设计意图：学生自己动手查看本机MAC地址并与相邻计算机进行比较，观察是否有重复。

2.MAC地址（3分钟）

教师活动：明确MAC地址采用16进制表示，共六个字节（48个二进制位），其中，前三个字节是由IEEE的注册管理机构RA负责给不同厂家分配的代码（高位24位），后三个字节（低位24位）由各厂家自行指派给生产的适配器接口。每块网卡MAC地址都不同，具有全球唯一性。

学生活动：①打开计算器，计算总地址数：2^48；②假设每年消耗网卡10亿块，看看多少年能用完？

设计意图：通过计算，看看网卡的物理地址是否紧缺，引导学生思考计算机名、IP地址和MAC地址的区别与联系。

3.MAC地址和计算机名称以及IP地址的对应（2分钟）

师：以太网中的主机通过广播将自己的身份告诉其他主机，每台主机缓存里就会存有其他主机的MAC地址和计算机名称以及IP地址的对应表。用户在访问目标主机时也可以通过计算机名称或者IP地址来访问。（为方便操作，后面各环节使用计算机名来标识各节点机器）

学生活动：教师请A1同学念出卡片上的“广播语”。

设计意图：采用对应方法，明确概念。MAC地址：每个人与生俱来的独一无二的特征。IP地址：根据地域人为指定的身份证号；计算机名：父母为我们取的名字。

● 环节三：活动模拟，落实重点（15分钟）

师：本节课所讲局域网是基于IEEE802.3协议的以太网，以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）机制。以太网中所有节点都可以监测到在网络中发送的信息，所以它是一种广播网络。广播网络中如何传递信息呢？接下来通过游戏的方式体验局域网中信息的发送。（CSMA/CD的工作原理：任意节点发送数据前先侦听信道是否为空，若空，则立即发送数据。若信道忙碌，则等待信道中的数据传输结束再请求发送数据；若同时有两个或两个以上的节点要发送数据，则停止发送，等待一段随机时间，再重新尝试）

学生活动：A5、B5、C5、D5四位同学模拟四台计算机，将手中的data“数据包”送达各自的目的地，教室中的通道即为通信线路，每次只能有一位同學使用。请一名同学作为评委判断谁最快举卡、是否有冲突。规则如下：①游戏开始，当通道中没有正在传递信息的同学时看作“信道”为空，此时需要传递信息的同学迅速举起手中的卡片。②第一个举起卡片的同学如A5起立并读出目标地址，传送“数据包”到目标机器。此时“信道”被占用，其他同学要放下卡片。③传送者将数据送达后，“信道”重置为空，其他同学可再次举卡。④如果有两位或两位以上同时举起卡片（传递冲突），则全部放下卡片，等待随机一段时间（一秒左右）后，再重新举起，若还有冲突，则重复此步骤。⑤重复以上步骤，直到所有“数据”传送完毕。

师：数据接收过程中，网上每台计算机都在监听，如果有信息传输，则收集该信息，并分析接收地址，如果接收地址为本节点地址，则复制接收该数据包，否则，不予理会，简单丢弃该数据包。

学生活动：以A5同学传递数据为例，其目标地址为C3。①A5传递数据过程中读出广播语，并说出数据包的目的地址。数据包送达C3过程中，所有同学均能听到广播。②目标地址C3将A5数据包内容抄写至自己的卡片，完成数据接收，其他同学不做处理，本次数据通信结束。

设计意图：类比一——广播。四台计算机要将数据传送到各自的目的地，教室内通道只有一条，因此是共享一条“信道”。通过该游戏可以体验“载波侦听多路访问冲突检测”（CSMA/CD）机制的工作原理。

教师总结：网络通信系统的工作原理——先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。

● 环节四：问题引领，突破难点（10分钟）

1.什么是广播风暴（5分钟）

师：以太交换机对广播包的处理，是不管从哪个端口收到广播包，都完整地复制一份转发到其他端口。当局域网中电脑数量增多时，数据量变大，同时请求线路的数据包大大增加，冲突的概率进而增大。同一数据包往往需要多次重传才能请求到线路（当重传达16次仍不能成功时即丢弃该包），大大降低了网络的传输速度，这就是广播风暴。

学生活动：体验当数据量增大时，处理信息会变难、变慢。①所有同学同时举起卡片，申请传递数据，此时评委同学很难判断举手的先后顺序。②教师在交换机上人为设置环路，模拟计算机数量增多情况，再请学生打开“网络”，将服务器“Server”上的共享文件“测试”拷贝到D盘，并与“环节一”中的传输速度进行比较。

设计意图：类比二——广播风暴。在一个房间里，多人同时争抢使用同一个话筒，获得发言权利，容易造成拥堵。随着人数的增多，同时要处理、发送的信息就越多，有序交流就会越发困难，一条信息可能需要重复发送多次才能到达对方，甚至会丢失。

2.避免广播风暴的方法——划分虚拟局域网（VLAN）（5分钟）

师：虚拟局域网的主要思想是，将所有计算机设备按照地域或需求划分为若干组，每个小组都是1个虚拟局域网（VLAN），一个传统局域网可划分为多个VLAN，一个VLAN中的广播信息只能被该VLAN中的站点接收，VLAN之间的相互通信必通过网络层协议实现，不能直接相互通信。

学生活动：假设A、B、C、D是四个不同的VLAN，现在A1、B1、C1、D1四位同学将自己的数据包送到目的地，分别是A8、B8、C8、D8。方法：四位1号同学拿着自己的“数据包”，从本组通道中走，并念出目标地址。同组其他同学认真听所念出的目标地址，若目标地址与自己的号卡相同，则亮出自己的号卡，并抄写数据，接收“数据包”。

设计意图：类比三——VLAN。因VLAN分割了广播域，A、B、C、D各组成員的广播只能被本组听到，因此本模拟过程中四位同学可以同时传输数据。VLAN之间的通信要用到第三层协议，即IP协议，IP地址将是VLAN中的主角，也是下次课的重点，本环节重在为下节课“IP地址”做铺垫。

● 课堂小结（2分钟）

（1）MAC地址是计算机的身份标识。（2）当网络中有数据传输时，所有机器都能检测到，这种机制称为广播。（3）网络通信的工作原理：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。

● 总结反思

本节课通过大量的学生活动，将学生从枯燥的理论知识中解脱出来，取而代之的是贴近生活的实例，将学生带入到网络环境中，使其化身为局域网中的一台“电脑”，在实践中理解网络通信的基本原理。循序渐进的知识引导，使整堂课的知识点散而不乱，顺利完成教学目标。

为了达到更好的教学效果，除了在课中使用学习卡片之外，还在最后提供了一些练习题，以便进行学习效果评价。

（本案例由山东省济南市教研室周燕提供指导）