计算机网络的关联教学法

2023-06-15秦娜刘宴涛

计算机时代 2023年6期

秦娜刘宴涛

摘要： “计算机网络”是计算机和电子信息等专业的基础课。传统的“计算机网络”课程教学存在理论与实践相脱节，教学内容封闭孤立的缺点。为此提出一种关联教学法，把“计算机网络”和其他课程相关联，设计关联案例，建立关联案例集，并以三个关联案例演示其实施过程。教学实践证明关联教学法有助于提高学生知识的广度和深度，进而建立起立体化网状知识体系。

关键词：计算机网络；关联教学；信号与系统； C语言程序设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2023）06-145-04

Correlative teaching method for computer networks

Qin Na1，2， Liu Yantao1

（1. College of Computer Science， Jiaying University， Meizhou， Guangdong 514015， China; 2. Graduate University of Mongolia）

Abstract： "Computer Networks" is a foundation course for the majors of computer and electronic information. Traditional teaching for "computer networks" is deficient in disconnecting theory and practice， and closed contents. To this end， a correlative teaching method is proposed， which connects "computer networks" with other courses by designing teaching cases and building a correlative set. Three teaching cases are presented to demonstrate the implementation of the method. Teaching practice shows that the correlative teaching method helps students develop the breadth and depth of knowledge and construct a cubic mesh knowledge architecture.

Key words： computer networks; correlative teaching; signals and systems; C programming

0 引言

“计算机网络”是电气类、电子信息类、自动化类、计算机类等专业的基础课，具有鲜明的跨学科、跨专业的特点。现代社会已经进入“万物互联，无网不胜”的时代，互联网必然融入新型产業格局中。

对于该课程的教学探索显得十分重要。何止戈[1]将OBE（Outcome based Education）理念贯穿到“计算机网络”教学的各个环节，建立了以产出为导向的“计算机网络”教学体系。文献[2-5]对“计算机网络”课程提出不同角度的教学改革探讨。黄宝琦[6]提出了一种任务驱动的教学思路，采用“以太网协议”的教学案例设计，按照问题、任务、思路、方案和总结的顺序进行任务驱动教学优化设计。

1 计算机网络教学存在的问题

综合现有研究成果可以发现，国内的“计算机网络”课程大多是采用面向协议的教学思路，基本上是分章节介绍分层协议的基本原理和工作过程，这种教学理念和教学安排经过实践检验被证明是正确的，有利于帮助学生理解计算机网络的精髓。但是，在具体教学大纲制订和教学实施过程中突出存在着如下问题。

⑴ 理论与实践相脱节

“计算机网络”是一门理论与实践紧密结合的课程。学生期望的学习方式是“你告诉我网络是什么样子，不如让我看到网络是什么样子；你告诉我网络如何运行，不如让我控制网络运行”。相对于基于PPT的说教式教学，学生更喜欢通过组网工程、网络运行、程序设计等活动来学习。所以，为了改善该课程的学习效果，需要在理论教学之外，加入更多的程序设计和设备操作环节。

⑵ 封闭孤立式教学

专业与专业之间、课程与课程之间缺乏关联教学是本科教育长期普遍存在的问题。现代科学体系的发展越来越呈现出鲜明的学科和专业交叉特征，高等教育也应该在不同专业、不同课程之间建立广泛的知识关联。然而，目前本科教育的现状是各个专业之间、各门课程之间存在严重的藩篱，知识体系呈现明显的“烟囱效应”，即各个专业、各门课程孤立封闭地制订培养方案和教学大纲，不顾及与其他课程的内容交叉，导致学生无法透彻理解课程之间的知识关联，无法建立立体化网状知识体系。

这个问题在“计算机网络”教学中也凸显，现行的“计算机网络”教学只讲授本课程的内容，缺少与其他课程、理论、技术、行业的关联。为了解决这个问题，需要“计算机网络”的授课教师能够广泛关联，旁征博引，纵向上既要关联过去学过的知识，又要展望将来可能遇到的问题；横向上既要和其他课程（比如信号与系统、交换、通信原理等）相关联，又要和其他专业（通信工程、软件工程等）、其他行业（物联网、云计算等）相关联。

2 计算机网络的关联教学法

为了促进“计算机网络”与不同学科、不同专业和不同课程的交叉融合，摈弃为了讲网络而讲网络的传统教学思想，拓展知识的广度和深度，提高学生综合素质，本文提出了一种“计算机网络”的关联教学法，基本思想是把计算机网络与其他课程进行知识关联，关键在于设计关联教学案例，建立关联案例集。关联教学法的实施过程包括三步。

⑴ 设计关联案例

关联教学法的关键是发掘和设计“计算机网络”和其他课程之间的关联案例。这需要教师具有丰富的教学经验和广阔的专业知识，必须对本专业的知识体系非常熟悉，能找到关联案例的切入点，并准确地洞悉学生的困惑所在。

⑵ 建立关联案例集

以持续、开放、滚动、更新的方式建立计算机网络和其他课程之间的关联案例集，这是关联教学法的主要工作。

⑶ 关联教学实践

应用关联案例进行实践教学，解析“计算机网络”和其他课程知识点之间的关系。教学形式可以非常灵活，不必拘泥于课上教学，可以采用微课、讲座、Brain Storming、Case Study等多种方式。这种灵活可说是松散的学习方式，更能激发学生的发散性思维和学习兴趣，更适用于临时性的、非系统教学的、针对比较小的知识点的、以启发兴趣和发现问题为主要目的的学习。

为了解释和演示关联教学法的本质和实施过程，下节通过三个关联案例来说明如何在“计算机网络”和其他课程之间建立知识关联。

3 关联案例

3.1 “计算机网络”与“通信原理”相关联

无线网络以无线通信为基础，无线信号的延时直接影响无线网络的延时。理解信号延时的产生机理和本质属性有助于学生理解通信收发信机的工作原理。为此，本文首先把“计算机网络”与“通信原理”相关联，详细解释信号延时的组成和产生原理。事实上，无论是有线通信还是无线通信，信号延时大致都是由以下三部分构成。

⑴ 收发信机的排队和处理延时

这部分延时的构成比较复杂，包括①收发信机速率匹配造成的延时；②多用户请求单发射机服务所需的排队延时；③收发信机的信号处理延时；④网络协议的工作延时；⑤交换机、路由器等中间设备带来的排队和处理延时，等等。由于这类延时的构成复杂多样且与应用场景密切相关，需要具体问题具体分析，所以为了简化问题和理清概念，本文不讨论这部分延时。

⑵ 发信机的传输延时

发射机的传输速率是指发射机把比特进行脉冲成型并以电磁波的形式向传输媒介辐射出去的速率，即我们通常所说的比特率，其单位是bit/s，简记为bps。比特率的倒数就是发射一个比特所需要的傳输延时。

⑶ 信号在媒介中的传播延时

传播延时是指比特脉冲以电磁波的形式从发射机辐射出去后，在传输媒介中传播所经历的时间，该延时等于传播距离除以电磁波在媒介中的传播速度。

图1展示出传输速率和传播速率的关系，其中传输速率R是指比特从信源传输到天线的速率，与比特脉冲宽度成反比，传播速率是比特脉冲在媒介中前行的速度，图1中以光速示意，电缆和光纤中的传播速率比光速低一些。在图1中，以8个比特的比特串传输为例，从信源输出到接收机收到所经历的总延时为：

[t=8（bit）R（bps）+d（m）3*108（m/s）] ⑴

明确传输延时和传播延时的区别有助于学生理清数据比特在网络中的处理流程，理解收发信机的工作原理，这一点在下一个案例中将得到进一步的诠释。

3.2 “计算机网络”与“信号与系统”相关联

学生在学习光纤通信和光纤网络时了解到光网络的速率和容量比电网络高出几个数量级，但对于为什么光网络的速率快、容量大却缺乏透彻的理解。大多数学生错误地认为光信号在光纤中传播的速率要高于电信号在电缆中传播的速率。事实上，实验得知光信号在光纤中的传播速率约为20.5万km/s，电磁波信号在铜线中的传播速率约为23.1万km/s，可见前者比后者还要慢一些。那么为什么光网络的速率和容量要远远高于电网络呢？本节将“计算机网络”与“信号与系统”相关联，对这一问题给予透彻的解释。

“信号与系统”中学习的傅立叶变换将时域中的信号波形和频域中的频谱相互映射和计算。以图2中宽度为τ的矩形脉冲x（t）为例，其傅立叶变换为X（f），频谱的第一个过零点为1/τ，该参数也被称为频谱带宽。图2反映出时频域的一个基本原理：时域脉宽和频域带宽成反比，脉宽越窄，带宽越宽。“通信原理”课程讲到光信号位于THz（1012Hz）频段，电信号位于MHz（106Hz）频段，前者的带宽是后者的百万倍，这就意味着光通信中脉冲的宽度可以做到电通信中脉冲的百万分之一。因此，根据上一节的分析，尽管光脉冲的传播速率略低于电脉冲的传播速率，但光脉冲的传输速率远远高于电脉冲，脉冲宽度远远小于后者。因此总的速率光信号远远高于电信号，这就是为什么光通信的速率高、容量大的根本原因。

3.3 “计算机网络”与“程序设计”相关联

在“计算机网络”课堂上，教师主要讲授的是协议的工作原理，很少解释协议的实现过程，让学生有一种隔靴搔痒、知其然而不知其所以然的感觉。如果能够在教学中介绍一些网络协议的编程实现过程，让学生观察协议是如何解析和控制每个数据包和每个字段的，就能像拿着显微镜观察生物实验一样，充分调动学生的学习兴趣，极大地帮助学生理解协议的工作原理。

秦娜[7，8]曾提出了一种“计算机网络”的仿真实验方法，把“计算机网络”和C语言程序设计相关联。以图3（a）为例，这是在OPNET网络仿真环境中建立的一个无线网络，4个无线节点以时分的方式轮流每4秒接入信道发射数据包，每次占用信道时隙1秒，在某个节点的时隙内其他节点只能接收数据，不能发送数据。节点协议栈如图3（b）所示，其中source、sink是节点的信源和信宿，transmitter和receiver是无线收发信机。TDMA模块实现时分接入功能，其进程模型的有限状态机如图4所示。就某个节点而言，如果当前时隙不是自己的时隙，则该节点的TDMA进程处于idle状态，此时进程会收到两类数据包：

如果收到来自其他节点发送的数据包，进程跳转到Rec_PK状态接收数据包并发送给sink模块。如果收到本节点source模块发来的数据包，则暂存起来等待自己时隙的到来，代码如下（op开头的函数是用C语言封装的核心函数）。

PK=op_pk_get（op_intrpt_strm（））; //接收数据包

op_subq_pk_insert（0， PK， OPC_QPOS_TAIL）;

//把数据包插入队列

此外，TDMA模块设置定时中断以4秒为周期重复进入Send_data状态发送数据，代码如下：

op_intrpt_schedule_self（op_sim_time（） + 4， TIMER）;

//以4秒为周期重复进入Send_data状态

op_pk_send （pkptr， 0）; //把该数据包从空口发射出去

可见Send_data状态实现了图3（a）中4个节点每隔4秒接入信道发送数据包的功能。通过对Rec_PK和Send_data状态的诠释和C语言单步调试可以使学生明白协议进程是如何编程实现的，进程和进程之间是如何通信并协同工作的，从而，更透彻地理解协议的工作原理。

4 结束语

针对本科生在学习过程中对各门课程的知识缺乏融会贯通的问题，本文以“计算机网络”为例提出了一种关联教学法，其核心思想是在各门课程知识之间设计关联案例并进行关联教学。关联教学法并不仅限于“计算机网络”课程，各个专业、各门课程都可以引入关联教学法，把知识点互相关联，彼此诠释。就“计算机网络”而言，本文以“通信原理”、“信号与系统”、“C语言程序设计”为例演示了如何在各门课程之间建立关联的设计过程，教学实践證明该方法有助于学生透彻地理解知识的来龙去脉。未来研究中，可以在计算机网络和排队论、图论、博弈论、组合数学、信息论等多门学科或课程之间进行交叉融合，设计关联案例。为了强化关联教学，教师在教学过程中应该打破学科和专业界限，广泛联系，融会贯通地加强各门课程之间的关联度，提高对知识的理解度，拓展知识的广度和深度，从而把本科生的专业知识体系从封闭隔离的“烟囱状”变为立体化网格式的“山脉状”，提高学生的综合素质。

参考文献（References）：

[1] 何止戈，路晶.面向成果导向的计算机网络教学实践[J].计算

机时代，2022（6）：123-126

[2] 王崇霞，侯慧玲.线上线下混合式教学模式研究与实践[J].

计算机时代，2022（3）：107-109

[3] 白英，陈颖，张少仲，面向工程教育认证的计算机网络实验教

学改革实践[J].计算机时代，2021（9）：74-76

[4] 章玥，彭超，刘鲜忠.新工科建设背景下计算机网络课程教学

改革与实践[J].计算机教育，2019（12）：40-42

[5] 张淳，任务主导的计算机网络课程教学方式研究[J].电脑

知识与技术，2020.16（3）：170-171

[6] 黄宝琦，卢慧，问题引导下的计算机网络原理课程任务驱动