问题与系统建构导向的计算机网络教学方法

黄传河

摘要：针对研究性大学计算机类专业的培养目标和定位，提出问题导向的计算机网络课程内容体系，即以构造性思维代替解析性思维，引导学生面向问题，从需求出发，一步一步地设计网络的相关构件和要素，构造出满足应用要求的计算机网络，以培养学生的系统思维和创新思维。

关键词：计算机网络；问题导向；构造性思维

引 言

计算机网络是计算机类专业的基础性课程，所有学生都要学习。设有计算机类专业的学校众多，学生数量庞大，教师显然不应该按照相同的教学内容和教学模式组织课程教学，而应区分学校类别和培养目标，安排不同的课程内容和教学方法。例如，“珠峰计划”（国家基础学科拔尖学生培养试验计划的简称）是教育部出台的一项旨在培育21世纪科坛顶尖人才的培养计划，目前共有10所高水平研究型大学人选。该计划首先从数学、物理、化学、生物、计算机5个基础学科开始试验，每年动态选拔特别优秀的学生，配备一流师资，提供一流的学习条件，创新培养方式，营造一流学术环境与氛围，构筑基础科学拔尖人才培养的专门通道，努力使受该计划支持的学生成长为相关基础科学领域的领军人物。对该类学生采用传统的方式组织教学，其负面效果显而易见。

传统的计算机网络课程主要以解析性方式设置课程内容和教学模式，其主要内容一般按网络体系结构的层次进行组织，分别介绍每层的功能及主要原理、方法、技术。从底层（物理层）开始的称为自底向上方式，从顶层（应用层）开始的称为自顶向下方式。该模式方便学生了解网络内部原理，但不利于学生从系统级了解网络，不利于培养学生的创新性思维。

1 传统的计算机网络课程教学内容与教学方法

常规的计算机网络课程教学思路基本上是对现有的计算机网络进行分解，然后分别介绍每一部分的原理和实现技术。课程内容有两种主要的组织方式：第一种以体系结构为主线，将网络分成物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层等层次（早期的7层模型现在已经不再采用），介绍各层的功能、实现方法以及各层之间的关系，是对网络进行纵向切分的解析，根据内容先后顺序的不同分为自顶向下和自底向上两种模式；第二种是以网络的组成要素为主线，网络的主要要素有通信介质、网卡、交换机、路由器、服务器、通信协议、网络应用与软件等，分别介绍各要素的功能和实现技术，是对网络进行横向切分的解析。

从微观上看，两种体系各有优缺点。层次结构模式便于学生了解局部的知识点，但容易使学生陷入只见树木不见森林的状态，不便于学生了解网络的总体构成和工作流程。要素模式更便于学生从应用和直观的角度了解网络的构成、工作原理和工作过程，但某些要素太复杂，需要穿插介绍多方面的知识，不便于组织教学内容，因此为方便教学，教师在实践中通常将二肯融合。

从宏观上看，两种体系存在共同的缺点，就是注重对现有网络的分解和对现有原理、知识、技术的传授，对学生系统思维和创新思维的训练不足。针对传统的内容体系，教学方法也相对单调，通常是按层次和模块逐一介绍功能、原理、算法、协议，叙事型讲授，易出现枯燥的情况。

2 面向研究璎教学的计算机网络课程内容与教学方法

2.1 问题导向型教学内容体系的构建

教师可按照构造型模式，从应用需求出发，明确计算机网络的每一项任务，据此探讨其实现原理和重要的实现方法。为此，教师可以将计算机网络课程的内容组织成如下几个部分并按步骤依次推进。

第1步：网络要满足的条件和目标是什么？其主要问题和任务可细化为：

计算机网络应满足的应用需求（即设计计算机网络的前提）是什么？

设计计算机网络的技术条件（即应满足的连通性条件、网络拓扑条件、数据传输条件、通信模型）及其限制性因素有哪些？

计算机网络提供的服务模型是什么？

设汁计算机网络可采用的方法论（即网络体系结构模型）有哪些？

支撑计算机网络有效工作的软件、硬件应满足的条件是什么？

可用于计算机网络设计的主要素材（软、硬件）有哪些？

评价计算机网络优劣的主要性能指标有哪些？

第2步：怎么把独立的计算机连接成简单的网络？其主要问题和任务可细化为：

可用的传输介质有哪些？其性能及适用条件是什么？

保证数据正确传输的主要技术措施有哪些（编码、组帧、检错、纠错、可靠性传输机制、介质访问控制）？

可用的简单组网形式有哪些（点到点连接、多路访问、无线广播等）？其特点及适用条件是什么？

第3步：怎么把小网络互联起来组成大网络？其主要问题和任务可细化为：

将小网络连接组成大网络的方法有哪些？设计什么样的设备可以完成网络互联的功能？

实现网络互联协议应具备的功能及其实现技术有哪些？协议设计过程是什么？

路由的功能是什么？怎么设计路由协议？

通用互联设备应具有何种结构？怎么设计满足性能要求的互联设备？

阻碍网络可扩展的因素有哪些？解决途径有哪些？

实现全球互联需要具有的基础性条件是什么（包括DNS，DHCP功能等）？

实现组播、P2P等不同应用可采用的方法和技术有哪些？

保证QoS的措施有哪些？提高网络性能的方法有哪些？

方便用户使用网络的关键软件（如浏览器）应如何设计？

移动通信给网络带来的问题及其解决方案有哪些？

第4步：应设计什么样的数据传输协议以保证传输的可靠性和正确性？其主要问题和任务可细化为：

如何设计并实现一个可靠性要求高的通川传输协议（如TCP）？

如何设计并实现一个可靠性要求不很高但简单高效的通用传输协议（如UDP）？

如何设计并实现一个满足特定需求的传输协议（如多媒体传输）？

协议的验证、测试、评估方法有哪些？

第5步：怎样设计网络资源分配与网络管理策略以有效使用资源？其主要问题和任务可细化为：

计算机网络可采用哪些资源分配模型与方法？

用于评测计算机网络资源利用与性能的方法有哪些（如排队能、网络流、多商品流）？

网络拥塞控制的方法和技术有哪些？

计算机网络管理的任务、目标、模型是什么？

怎么设计一个的计算机网络管理系统？

怎么设计网络内部信息的组织方式和表示格式？

第6步：可设计哪些公共服务以方便网络应用的设计？其主要问题和任务可细化为：

支持传统应用（如Web、邮件、文件下载）的公共服务及协议怎么设计？

支持新型应用（如网络即时通信、网络电话、交互电视、网络游戏）的公共服务及协议怎么设计？

支持安全敏感型应用（如电子商务、银行业务）的公共服务及协议怎么设计？

第7步：可设计哪些网络安全机制以加强网络安全？其主要问题和任务可细化为：

网络的不安全因素及攻击手段有哪些？

实现网络安全的主要技术有哪些？

设计一个安全协议的条件和构成要素是什么？如何设计一个安全的协议？

第8步：未来网络可能的形态和技术有哪些？其主要问题和任务可细化为：

现在网络存在的主要问题是什么？

未来的网络将是怎样的？其主要原理和技术是什么（如人机物一体化/物联化、DTN、携带一转发、存储一计算一转发、SDN、内容路由与转发）？

各国关于未来Internet的研究计划及主要内容有哪些？

2.2 问题导向型教学方法的探索

对每一项教学内容，上述问题都很大，难以用很小的篇幅在很短的时间内回答清楚。为便于教学的实施，教师应对每项内容细化为可解答的、具体而明确的小问题，以方便探索解决方案。我们以第2步中的前两项为例，说明其细化过程及细化后的小任务或问题。

1）传输介质及其性能、适用条件。

介质的形态：有线介质、无线介质。

介质的频谱特性：允许传输信号的频率。

典型介质及其特性：双绞线（UTP、STP）、同轴电缆、光纤（单模、多模）、电力线、无线电、微波、红外、无线光波。

介质的传输能力与数据率：Nyquist准则、Shannon定理；带宽与数据率的关系。

介质的连接方式与适用条件：点一点（串联型）、多点（并联型）、广播型。

2）保证数据正确传输的主要技术措施。

信号的形式：数字信号、模拟信号。

信号的时域与频域特征：时间函数、频率函数。

信号频谱：多频率构成。

数据与信号的关系：静止形态与传输形态。

传输形式：数字传输与模拟传输、基带传输与频带传输。

数据到信号的变换方式：调制与编码、数字数据编码为数字信号、数字数据调制为模拟信号、模拟数据编码为数字信号、模拟数据调制为模拟信号。

调制与编码的性能：效率与带宽。

无线信号的重要调制方式：扩频、OFDM。

数据传输的基本方式：按帧传输。

数据成帧的方法：字符型（字符界定型、字符计数型）、位串型（HDLC、PPP、802.3等）、时问同步型（SDH）。

检错方法：CRC。

纠错方法：ARQ。

帧的可靠传输机制：停止一等待、滑动窗口（全部重传、部分重传、选择重传）、效率分析。

介质访问控制：ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA、令牌、性能分析。

典型例子：以太网（10M、100M、1G、10G以太网原理及技术）。

多信道与广播信道：并发信道、多路访问。

典型例子：Wi-Fi。

其他无线传输技术：蓝牙、3G/4G/WiMAX。

通过分解成以上的小任务或问题，学生能够比较容易寻找到解决方案。基于此，教师在教学中可鼓励学生以开放性的思维寻找每个小问题的解决方案，逐步培养创新型思维习惯。

2.3 探究式教学过程的组织

教学过程的有效组织是保证教学效果的重要环节。通过将小任务/问题按逻辑关系组成问题链，使其环环相扣，一个问题的解决方案成为F一个任务的前提，这种递进式的求解过程可以使学生一直处于提出问题、分析问题、解决问题的循环过程中，其分析和解决问题的能乃、运用创新性思维的习惯得以逐步养成，思维能力得到提高。通过这样的教学训练，学生不再拘泥于背诵知识点和应付枯燥的试题，而是以开放的思维寻求现实问题的解决途径，教师对学生的评价也不冉是以知识题的分数为主要标准。

3 动手能力的训练

由于时间的限制，无法安排太多课程实验内容，教师可根据具体情况，安排3个层次的实验

第1层次：学会应用。主要是对网络的基本构成元素如传输介质、交换机、路由器等的安装、配置、测试，借助网络协议分析仪了解、分析数据的传输过程。

第2层次：简单实现。利用一些开源的模块，对已有的某个简单协议或算法如等待一重传算法、部分重传算法进行编程实现，并测试其效果

第3层次：设计并实现一项新功能，，例如，教师可要求设计一个基于距离向量算法且可避免无穷计算的改进路由算法并编程实现，在仿真系统上进行测试、评估；或者要求针对SDN设汁一个路由算法，并利用OpenDaylight等开源平台编程实现、测试、评估。通过上述实验，教师可进一步锻炼学生的实际能力。

4 结语

对计算机网络课程进行改造，以问题导向和系统建构模式组织内容体系，以探究式演绎推进教学过程，避免以解析式模式一个一个地讲解知识点，有利于调动学生积极思考并寻求新的解决方案，但该教学方式通常在学生很多的大课堂上实施效果受到限制，对以考试为日的的学生不适用，因此其过程组织还需要进一步精细化