计算机网络课程中基于网络事件的三步启发式教学法

袁艺 聂秀山

[摘要]为进一步提升计算机网络课程的教学效果，基于经典的启发式教学法，课题组提出了基于网络事件的三步启发式教学方法：提出问题——分析问题——解决问题，并以网络协议分析这一重要知识点为例，详细说明了基于网络丢包事件的三步启发式教学方法应用案例。实践证明，本方法的邏辑性强，适用面广，能显著地调动学生的学习兴趣，加深对知识点的理解程度，提高应用所学知识的能力。

[关键词]计算机网络;启发式教学法;三步;网络事件

[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0062-03

计算机网络是计算机相关专业本科生、研究生教育都开设的一门重要专业课程。传统的计算机网络教学普遍偏重于课堂知识点的讲授，实践偏少。同时，由于计算机网络协议内容比较抽象、理解难度较大，学生的学习自信心普遍不足。此外，学生在课堂上以被动接受为主，动脑少，对很多知识点往往“知其然不知其所以然”，不能举一反三，学习灵活度不足。

为此，曲霖洁在教材选择、课程内容展示、实验设置几个方面探索了该课程的改革方向;冯伟分析了翻转课堂在本课程教学中的优势和局限性，并设计出基于翻转课堂的计算机网络课程构建步骤;王昊翔也将翻转课堂的方式引入了计算机网络课程教学;胡永东等提出在SPOC平台的基础上实现计算机网络课程的翻转教学，综合运用主动学习、混合教学、问题式教学、CDIO等教学方法设计翻转课堂，充分体现以学生的学为主的教学理念;颜学雄等扩展了基于问题教学模式的思路，具体介绍了所在课程组在计算机网络课程理论教学中的实践过程;郭昌建等基于MOOC课程建设的特点，设计了一个开放性强、交互灵活的计算机网络课程微课教学系统，实现了以学习者为中心的师生多重交互分享，切实提高了教学活动的创造性和实效性;孙华提出要设计符合不同水平学生、不同功能的虚拟学习软件，以提升形象化教学水平;徐磊也探讨了利用虚拟化技术和软件定义网络框架，建设实验教学平台的方法，提出了基于单机模式建立低成本、易扩展的一体化实验平台的教改方案;张千等探讨了在计算机网络课程教学中开展研究性教学改革的途径，认为引入研究性教学这一教学模式可以较好地培养学生的问题意识和创新精神，增加学生的参与度，有助于提升专业课的授课质量;刘彬也探讨了基于项目教学的计算机网络课程教学法，着重于提高学生的团队合作能力、协同学习与公关的能力。

但由于本课程的学生层次多样，接受新教学法的程度不同，自身的教学软硬件条件不同，难以用一种教学法惠及所有学生。尤其是在当前特别重视本科教育的大背景下，为了切实实现“以本为本、四个回归”，需要继续研究教学理论与方法。为此，课题组将基于经典的启发式教学法，探讨一种针对计算机网络课程的基于网络事件的三步启发式教学方法，达到了较好的实践效果。

一、方法介绍

所谓启发式教学，是指教师在教学过程中根据教学内容和学习的客观规律，从学生的实际出发，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，调动学生的学习主动性和积极性，促使他们生动活泼地学习的一种教学指导思想。启发式教学法源于西方的“知识的产婆”思想，不直截了当地把学生所应知道的知识告诉他，而是通过讨论、实践的方式，逐步引导学生得出最终的解决方法。采用启发式教学，可以有效调动学生的主动性，启发学生独立思考，发展其逻辑思维能力，培养其独立解决问题的能力，有利于学生认知主体作用的发挥。

针对计算机网络课程的特点，基于启发式教学法的基本思想，这里可提出一种由问题牵引的三步启发式教学法，基本框架如图1所示：

从图1可以看出，从问题的提出到问题的解决，中间经历了思考讨论以及实例分析的环节。下面详细介绍三步启发式教学法的实施方法。

（一）提出问题

提出一个在当前知识背景下可能会出现的网络现象或网络事件，充分讲解网络现象或事件出现的原因及表现，生动地将学生带入学习情景，由此调动学生主动思考的积极性。在此阶段，教师应选择恰当的问题，既能与已学内容衔接，又能引出新的知识点，这要求教师对教学内容融会贯通，并具备一定的实践经验。

（二）思考问题

针对提出的网络事件或现象，在小组内讨论解决的方法。在这一过程中，学生团体内部要有明确的分工，如讨论领导者、讨论记录者、讨论报告者等，教师则需担任引导者的角色，提前准备好一系列层层深入的问题，适时引导学生积极思考。

（三）解决问题

“知之不如见之”。教师在学生积极讨论并最大限度调动思考积极性的时候，引导学生进行密切观察，再讨论观察到的结果，并结合理论知识，总结出问题解决的思想和方法。最后，应用发散性思维，对解决问题的方法进行举一反三的运用。

二、教学案例

目前世界上最流行的网络协议分析软件是Wire-shark（前身为Ethereal），它是一款免费开源的数据包分析器，可以将捕获的二进制数据流翻译成人们容易理解的文字和图表，同时具备强大的统计分析功能，可以用于网络协议分析、网络故障诊断等，支持多个平台的使用。其中，Wireshark的故障诊断功能非常强大，例如专家信息（Expertinfo）能够自动识别网络中异常，并给出导致异常的具体原因，其事件包括严重错误（Errors）、一般性问题（Warn）以及可能引发故障的异常现象（Note）等。此外，Wireshark默认有一组着色规则，可以将异常数据包通过颜色高亮显示出来。同时，Wireshark还有功能强大的图表功能，其输入输出图（IO图）可以使用不同颜色显示不同对话的吞吐量，发现吞吐量下降与TCP异常包的关系，还可以使用10图的高级功能对数据包进行统计等，如图2所示。

TCP协议是TCP/IP协议家族中出现最早的协议，TCP的连接管理、流量控制、拥塞控制是网络协议教学中的重点和难点。

下面以TCP中的经典事件——网络丢包事件为例，详细说明基于网络事件的三步启发式教学方法的运用。

网络丢包事件的知识背景是已知TCP数据段头中的序列号（Sequence number）、数据载荷（Data）与下一个数据段的序列号（Next sequence number）之间的关系。在Wireshark中添加三个新的列：SEQ#，DATA，NEXT-SEQ#，可以看出这三者的关系为：NEXTSEQ#=SEQ#+DATA，关系实例如图3所示：

第一步：问题的提出

TCP是可靠的传输层协议，要确保发送方的字节流准确无误地传送到接收方，图4中的10414号数据包与10416号数据包是10.9.9.9连续发送的两个数据段，10414的NEXTSEQ#与10416的SEQ#一致。而10416号数据包的NEXTSEQ#与10417号数据包的SEQ#不一致，这说明在这两个数据包之间出现了丢包事件。

教师可以根据实际抓到的数据包，启发学生总结出TCP丢包事件的基本特征：当Wireshark捕获到的连续的数据包具有不连续的序列号时，可能出现了丢包事件。

第二步：问题的思考

教师组织学生分小组讨论。针对TCP的丢包问题，教师可以依次提出的问题和学生可能的讨论结果如表1所示：

第三步：问题的解决

丢包事件之后的实际网络数据包截图如图5所示，教师引导学生仔细观察两个方向的数据包，并为Wire-shark增加一个列ACK#（该列标识了接收方的确认号），从而更加清晰地观察序列号，确认号之间的关系。可以发现发送方在丢包之后并没有停止发包，而接收方发来的确认号始终是9164761。当发送方收到足够多的重复确认之后，开始重传缺失的数据段，如图5中的第12035个TCP段。

实际的数据包告诉我们，TCP并没有执行超时重传，而是执行了某种快速算法，其前提条件是不断收到重复的确认。原来，根据Van Jacobson的算法，超时重传的时间RTO由RTT的估计值与RTT的偏移量所决定（RTO=u* EstimatedRTT+ψ*Deviation），通常該时间比较长，而TCP为了提高效率对丢包事件进行了区分对待。一种为网络吞吐量下降为零的情况，该情况下TCP执行慢启动算法（slow start），等到计时器超时，重传丢失的数据包;而另一种情况为网络吞吐量不为零的情况，该情况下TCP执行快速重传算法（fast retransmit），而不用等到计时器超时。

最后，教师可以用一个更加深入的问题引发学生进一步思考：同样的丢包事件，TCP层与链路层采用了不同的策略，这是为什么呢？

三、结语

基于网络事件的三步启发式教学法是传统启发式教学法的合理改进，符合“来源于实践，又高于实践”的哲学思想。经实践证明，三步启发式教学法既能激发学生的学习兴趣，又能锻炼学生综合运用知识、举一反三的能力。同时，启发式的学习思路也能有效提高学生的团队协作能力，为研究性学习打下良好的基础，更好地适应将来读研或工作的需要。