基于认知建构的网络串口通信实验教学设计

陈 宏 吴建德 郭 清 邓 焰

（浙江大学电气工程学院 浙江·杭州 310027）

0 引言

在当今遍布互联网的信息时代，网络通信技术人才的培养显得愈来愈重要。高校面向社会发展需求，开设了计算机网络课程。提高计算机网络课程的教学质量，增强计算机网络技术人才的科研和实践工作能力。计算机网络技术是一门实践性很强的专业必修课。[1]高校计算机网络课程知识面广、专有名词多、技术原理抽象、实践操作性强。[2]计算机通信网课程的核心是诸多各具功能的协议，在考核中如果简单考核这些协议的原理和功能，多数同学都能正确回答，学生也确实把握了协议基本原理，可他们没有接触通信协议工作真实环境，缺乏实际动手操作，对知识的看法就始终停留在表面，也无法运用知识解决问题。[3]传统的课堂模式以教师为中心和主导来组织教学过程，教育者的目标在于传递客观世界知识，而学习者的目标就是完全得到与教育者相同的对于知识的理解。[4]网络协议的内容很抽象，协议的字面意思很难和实际网络通信联系起来，学生感到缺乏学习的自信，影响了教学效果。

培养高质量的人才，必须有高质量的教学内容。[5]在互联网信息时代，在教学活动中的教师和学生将逐渐形成平等的关系，教师将转变为学生的学习组织者和管理者，甚至是学习伙伴。学习是学生运用智能不断获取知识的迭代过程，是通过“重新组织并转化学习材料”不断获取“附加的新领悟”的过程。[6]为了使学生掌握网络协议的实际应用，提高学生对网络技术问题的解决能力，本文采用以学生为主，理解通信协议，编写数据帧，发送通信指令，传输数据，提出建构主义教学模式。实践证明，这种模式对于提高运用网络协议实现数据通信的能力，培养学生创新能力，具有很好的指导作用。

1 实验教学设计

串口通信是计算机和外部设备之间通过USB 端口或者RS232 端口，按照网络协议的约定，建立通信，传输信息的通讯方式。串口通信实验教学目的是使学生理解串口通信的工作原理和方法，用串口通信，接收完整无误的数据。瑞士心理学家皮亚杰认为，知识既非来自主体，也非来自客体，而是在主体与客体之间的相互作用过程中通过同化与顺应过程逐步建构起来的，并在“平衡—不平衡—平衡”的循环中得到不断的丰富、提高和发展。[7]在实验过程中不断深入理解通信协议和数据传输的原理，如图1 所示。

图1 实验教学流程

教师编写网络通信协议，网络协议包括文件传输层和数据链路层2 个层次。首先设定好文件传输层的文件格式，包括文件名，文件长度，校验方式和相应的字节长度，如图2 所示。在文件传输层按照这个格式开始数据传输。

图2 文件传输层格式

其次设定数据链路层，定义数据帧的格式，包括数据帧格式和应答帧的格式，其中应答帧的数据用0 填充。如图3 所示。

图3 数据链路层格式

教师编写上位机程序，按照网络通信协议发送数据和接收数据，完整的数据是一个图像，要求学生使用Cortex 处理器根据网络协议编写数据帧和应答帧，接收到完整、正确的数据，在显示屏上显示图像。

在实验教学设计中，预先设立实验目的，提供实验设备，教师参与学生发现问题、分析问题和解决问题的学习过程，使学生在实验教学中主动建构串口通信的知识和能力。

2 串口通信实验过程

2.1 实验内容

连接实验板和计算机，如图4 所示。在计算机上编写程序发送数据帧，接收上位机软件发送的数据。串口通信成功时，在实验板上显示完整的上位机的图像。

图4 串口通信的实现（右边是上位机）

2.2 实验步骤

按照图1 的实验教学流程，学生通过分析实验中的问题，从网络协议的内容中，找到原因，使自己对网络协议的认知更加接近实际情况，能够收到上位机的完整无误的1 帧数据，能够应答，接着能够收到完整无误的图像数据，最后完整地显示图像。

2.3 实验总结

学生在实验中真正理解网络协议的内容，主要包括以下几个方面的知识建构过程：

（1）网络协议中的层次是实际情况决定的，国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互联参考模型，从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。但是在实际使用中，根据需要建立的网络协议可以只使用其中的2 层。

（2）数据帧和应答帧在数据链路层的功能不同，但是共同实现数据传输。

（3）数据传输时的数据长度是可以根据实际需要改变的，但是每2 帧之间的传输间隔时间是已知的。

经过这个实验，学生能够深入理解网络分层系统设计的优点，已经完全理解、并且学会应用网络协议来实现串口通信了。

3 结语

布鲁纳认为“教学过程是一个学生探究和发现的过程”。[8]实验教学在空间和时间上给学生的探究和发现创造了积极有效的条件。在计算机网络的教学过程中，抽象的网络协议在实验中成为数据格式和文件格式，学生在完成实验内容的同时，还掌握了串口通信的网络协议，学生实现了关于串口通信中网络协议的认知建构。

实验教学因其自身的特点和作用可以全方位地培养学生的创新意识和创造能力，是实现创新教育的重要途径。[9]本文采用建构主义教学模式设计串口通信的实验教学，遵循学生的认知方式，理论知识联系实际进行实训，灵活掌握相关知识点，与学生进行积极交流和沟通，激发了学生学习的积极性, 提高了学生的自我领悟，对于培养学生的创新能力，真正成为科研和工程技能型网络技术人才，具有重要的实践意义。