“计算机网络与通信”课程的教学改革研究——以高职物联网应用技术专业为例

张 萍

（广东工贸职业技术学院 计算机与信息工程学院，广东 广州 510510）

0 引 言

物联网应用技术主要研究信息采集、无线传输、信息处理等方面基本知识和技能，进行物联网系统设计、项目管理、终端节点的安装与调试、系统集成、施工等，学生未来主要从事物联网设备的生产、应用和维护，嵌入式系统的开发和维护，物联网系统产品销售与推广等方面的工作。物联网应用技术专业的课程一般是按照物联网体系结构感知层、传输层、应用层进行设计安排。“计算机网络与通信”属于传输层的基础课程，为学生理解万物互联互通提供理论依据，为学生在未来工作中调试系统的通信功能提供技能支持，同时为学生学习“无线传感网络”等专业课程提供知识基础。针对“计算机网络与通信”课程原理部分概念抽象、较难理解和实操部分灵活多变等问题，结合专业背景，在教学设计和教学模式上做出探索和改进，以期提高学生满意度。

1 “计算机网络与通信”课程教学内容

“计算机网络与通信”主要包含了TCP/IP属性配置、路由器基本配置、IP地址规划、协议报文分析、VLAN配置、VLAN间路由和无线局域网等内容，既包含了基本的计算机网络原理，又包含了较多的网络基本操作技术[1]。在课程教学中，以OSI五层模型为线索串联教学内容，按照物理层、链路层、网络层、传输层、应用层的顺序组织教学内容，有助于学生从整体掌握网络通信的原理及网络的使用。结合物联网应用技术专业特性及后续的课程教学需要，对于网络设备的地址规划、寻址、协议报文分析等内容进行重点讲解并进行必要拓展。见表1所列，以ZigBee无线传感网络为例，比较其和计算机通信网络的异同，凸显“计算机网络与通信”这门课程的基础性。

表1 ZigBee网络与计算机通信网络

2 教学设计

“计算机网络与通信”的教学内容可以分为两大类：一部分内容偏理论，包括网络分层模型，TCP/UDP、IP、ARP、DNS等网络通信协议，这部分内容概念抽象，原理复杂，较难理解；另一部分偏应用，包括IP地址的规划、路由器基本配置、VLAN配置等，这部分内容实践性强，需学生灵活使用。针对不同类型的教学内容，采用了不同的教学方法。

2.1 偏理论内容的教学设计

对于偏理论的内容，将抽象的概念实例化，在模拟网络通信的过程中去理解原理。下面以网络分层模型和TCP/UDP协议为例进行说明。

2.1.1 网络分层模型

网络分层模型是理解网络通信的基石，也是学习的重难点。整个通信过程是分层的，通信协议是对应层之间的协议，层与层之间只存在简单的接口关系，学生对于分层、通信协议、接口、对等实体等概念难以理解。教材通常以邮政信函的通信过程为例，帮助学生理解分层模型，但是这与实际的网络通信过程存在差距。下面用具体情境结合Wireshark网络[2]抓包工具来阐述分层模型的实现。

本文模拟了服务器和客户端的通信过程，在Ubuntu虚拟机（192.168.80.128）上运行服务器程序。客户端和服务器通信示意图如图1所示，效果如图2所示。

图1 客户端和服务器通信示意图

图2 服务器程序运行效果

在另一台IP是192.168.80.130的电脑上输入如下命令“telnet 192.168.80.128 2323”；再输入测试数据，比如“123456”。效果如图3所示。图4是服务端接收到的数据截图。

图3 客户端运行效果

图4 服务端接收数据截图

使用Wireshark工具捕获的通信过程如图5所示。

图5 Wireshark工具捕获的客户端和服务端通信过程

通信过程包括了完整的TCP建链过程、数据传输过程、断链过程。选中客户端往服务端发送“123456”这一次的数据传输过程，从分层模型的角度进行详细分析。

客户端向服务端发送的信息仅仅只是“123456”，但是抓包工具抓到的内容远不止这些，那么这些被添加的内容及其作用是什么值得思考。日常生活中寄信时需要将信纸装进信封，信封上写上发件人、收件人等额外信息，信件到了邮局，还会进行分拣，盖上邮戳等信息，最后收件人收到的是带有中间传输信息的信封，但是他关注的仅仅只是信纸写的内容。同样，在网络的世界里，如果只发“123456”，计算机、网络设备是不知道如何发送数据的，应该有类似于发件人、收件人、邮戳等信息。从图6可以看出，“123456”是应用层数据，服务器程序在调用Socket 函数接口时，会添加上端口、IP等信息；在经过网卡处理后，会添加上MAC地址等信息，最后变成数字信号通过网线传输。

图6 客户端向服务端发送数据的分层解析

从图7可以看出，用户提供的只是“123456”应用程序数据，但是最后传输的内容附加了很多信息。表2具体列出了各层增加的关键项以及在实际通信过程中负责添加、处理关键项的模块实例。

表2 网络层次与模块实例的对应关系

图7 应用数据的封装过程

2.1.2 TCP/UDP协议

TCP/UDP是传输层的两个重要协议。TCP是面向连接的协议，服务质量有保证；UDP是无连接协议，服务质量没有保证[3]。在进行网络编程时，协议类型是重要的函数参数，体现了不同的传输特性。TCP/UDP的不同特性是由其协议报文决定的，图8和图9分别是TCP和UDP协议的报文格式。

图8 TCP协议报文

图9 UDP协议报文

从协议报文可以看出，TCP协议报文比UDP协议报文复杂，包含了较多的字段。正是这些字段，支持了TCP的各种特性。而UDP的协议报文非常简单，因此它是无连接的、无流量控制机制、不保证可靠传输的。TCP协议报文字段与TCP特性对应关系见表3所列。

表3 TCP协议报文字段与TCP特性对应关系

2.2 偏应用内容的教学设计

偏应用的内容重点在于训练学生能针对不同场景熟练使用所需技能[4]。设计了一系列的实验，从简单到复杂，循序渐进，先是针对各个独立知识点训练，再是知识的综合使用，使学生能熟练掌握网络通信的基本技能并灵活使用。实验项目与相关技能对应关系见表4所列。

表4 实验项目与相关技能对应关系

3 教学模式

“计算机网络与通信”是实践性很强的课程，课堂上教师也需要进行较多的实验操作，但学生往往看过之后容易忘记，等到自己做实验时，不知如何动手，或者只能完成部分。针对这种情况，采用线上线下相结合的教学模式能取得较好的教学效果[5]，在优慕课上建立网络课程，提供实验操作文档、实验演示视频，不同层次的学生按需使用[6]。理解能力好、接受能力强的学生可以按照实验文档操作完成实验；而能力弱一些的学生可以先按实验文档操作，遇到困难再去观看实验演示视频，不建议直接跟着实验演示视频做实验，避免失去碰到问题、解决问题的机会，鼓励学生不要害怕问题、在解决问题的过程中成长。

4 结 语

“计算机网络与通信”是高职物联网应用技术专业的一门基础课，有助于学生理解网络通信原理，理解物物互联。本文将教学内容分为理论和实践两类[7]，分别采用了不同的教学设计。对于偏理论的内容，从网络分层模型的角度出发，将抽象的理论实例化[8]，在具体的网络通信场景中解释理论，降低学习的门槛；对于偏实践的内容，设计了一系列的实验，学生在反复实践中掌握技能，学会灵活使用。采用线上和线下相结合的教学模式[9]，突破传统课堂时间和空间的限制，学生可以根据自身能力情况选择合适的学习模式[10]，做到因材施教。这些措施在实际教学中起到了较好效果，学生学习效果较好，满意度得到提高。