应用型本科《计算机网络》课程教学改革探索*

2018-07-26王春林陈晓林秦海菲

楚雄师范学院学报 2018年3期

王春林，陈晓林，秦海菲

(楚雄师范学院信息与技术学院，云南楚雄 675000)

1.引言

应用型本科培养目标是本科层次应用型人才的高等教育。它更强调实践性、应用性和技术性。要求学生具有较为宽广的理论基础和可供广泛迁移的知识平台。也要求学生具备较强的学习和解决问题的能力，为后继的发展奠定基石[1]。计算机网络课程是网络工程和计算机科学与技术两个专业的核心课程，其主要任务是讲授计算机网络及其工作原理，使学生掌握和理解网络知识能够使用这些知识解决实际问题。该课程的教学效果直接影响这两个专业的人才培养，同时也是后继课程：网络安全，网络工程，网络性能分析等课程的前驱课程。另一方面计算机网络是硕士研究生入学统考科目之一、软件资格考试网络工程师的核心知识。为了符合社会的需求对其进行教学改革势在必行。

2.存在的问题

本文以应用型本科转型、重视实践教学、强化应用型人才培养为背景，围绕课程特性，讲授内容，实践教学等几方面对计算机网络课程在教学过程中如下4个普遍存在的问题进行剖析。

2.1知识抽象，学生难以充分理解

计算机网络在传统的教学过程中主要讲授网络协议及其工作原理，而协议本身是抽象的、复杂的、摸不着看不到，只有通过实验才能充分地理解这些内容。对于这些知识点，使用传统的教学方法很难去验证和分析。教师在讲授过程中虽然花费了许多精力和时间，但由于仅停留在理论讲授，学生最终一知半解，远没有达到教学要求，最终无法应用这些知识去分析和解决问题。

2.2教学内容选择不合理，学生难以全面掌握

计算机网络课程是对计算机网络各层及其协议的讲授过程。在教学过程中，由于协议的严谨性和抽象性，学生需要先理解再记忆。而完整的计算机网络理论体系大概需要800页才能完整描述。另一方面，多数学校只为该课程设置72个或者90个学时的教学时间，这显然是无法完成教学内容的。所以必须对教学内容进行精简，把陈旧的、不常用的知识进行删除或者不讲授，集中精力抓住重点形成一个较为合理和实用的计算机网络核心知识体系，使学生在最短的时间内掌握这个知识体系，然后在后续的课程中根据需要进行进一步的扩展和深入。

2.3实验教材不配套，实验内容没有针对性

目前计算机网络的教材主要是围绕着理论和抽象的工作原理展开讲授，在实验实践教学中没有与之配套的实验教材。因此在实验教学环节中任课教师根据自身特点和理解任意开设实验内容。通常用服务器设置、路由器与交换机的配置等实验来替代计算机网络的理论验证和佐证实验，甚至出现实验内容与计算机网络的原理相关性弱。最终使学生产生错觉：怀疑所讲授的内容和知识是否真实存在，随后开始排斥甚至厌恶计算机网络课程的学习，更无法达到利用知识去分析和解决问题的教学目的。

2.4不同专业教学内容取舍的不统一，使得课程在对应专业的地位与作用未充分体现

除网络工程、计算机科学与技术这两个专业外，信息技术、通信工程、计算数学等专业也会开设该门课程，统一的标准是无法满足所有专业对本课程的要求。但由于计算机网络理论知识过于繁多，该课程在不同专业的人才培养方案中的地位与作用、课时设置、对学生的要求也不尽相同。因此，在教学中教师对教学内容的取舍也会有所不同。但在具体教学的过程中，由于一些特殊的原因(如不同专业合班课等)，往往教学内容会发生较大的变动。所以我们要根据不同专业特性进行适当调整、突出重点和专业特性，避免过于简单和繁重。网络工程、计算机科学与技术这两个专业对本课程的要求是最高的，所以在讲授过程中应该形成一个完整的计算机网络知识体系，否则将无法达到本专业的培养目的。

3.教改实施

针对上述4个普遍存在的问题及课程特点，笔者在教学的过程中从以下几个方面进行了大胆的尝试。通过教改，激发了学生学习的兴趣，使学生更好地理解和掌握该课程，培养学生分析和解决问题的能力，并取得了较好的效果。

3.1教学内容筛选

在计算机网络课程讲授中，存在TCP/IP四层和OSI七层两种体系结构。OSI七层体系结构理论完整，但由于过于复杂又不实用，在工业界几乎没有设备支持它，同时它又是国际标准。与它对应的是事实上的国际标准TCP/IP四层体系结构，工业界所有的网络设备都支持TCP/IP体系结构。在学习和研究中为了兼顾OSI和TCP/IP两种体系结构，一般采用折中的五层体系结构，而五层体系结构是不存在的，它是综合OSI和TCP/IP两者的优点。在讲授中围绕五层体系结构的应用层、运输层、网际层、数据链路层和物理层，及其各层协议的封装和解封装展开讲解。对于网络工程、计算机科学与技术专业我们在实施教改的过程中，主要选择了如下内容讲解。

1.物理层，讲授传输媒体，复用技术，常见编码；

2.数据链路层，讲授CSMA/CD、碰撞域和广播域概念和控制、网桥(交换机)的工作原理、无线局域网等；

3.网络层，讲授IP协议、ARP、RIP、OSPF、IP地址及子网和超网的划分等；

4.运输层，讲授不可靠协议UDP和可靠协议TCP，重点讲授TCP的实现、流量控制、拥塞控制和连接管理；

5.应用层，讲授DNS、FTP、HTTP，Email，DHCP等服务器工作原理，并介绍应用层协议设计和网络编程。

6.其它，在讲授中适当引入接入网技术、虚拟局域网，NAT和VPN等知识，最后通过综合案例对所学知识进行融合惯通。对于网络安全、路由与交换、服务器配置等知识根据学时安排进行调整，一般在后继的专业学习中会开设对应的课程进行讲授。

3.2理论与实践相结合

由于计算机网络体系结构的严谨性、复杂性和抽象性，它是看不到摸不着，仅能感受到它的存在。所以构建实验平台对它进行验证和佐证直接影响到本课程的学习情况，是教学环节中最重要的组成部分。通过实验使知识从抽象到具体，让学习者理解每个原理的具体步骤及实现。通过网络协议分析软件首先捕捉协议单元，然后对其进行分析来验证各层及协议封装和服务调用，最后归纳其工作原理。

对于网络工程、计算机科学与技术专业我们在实施教改的过程中，主要开设了以太网数据帧、IP协议、ARP协议、ICMP、RIP、OSPF、UDP、TCP、可靠通信、流量控制等验证性实验。通过这些实验，让学生加强对教学内容的理解和掌握。从理论到实践再回到理论的探讨，提高学习乐趣和兴趣，最终达到教学目的。另一方面协议本身的算法和思路通常来源于生活，可以借用已掌握的知识和生活经验来联想理解和记忆网络协议。例如协议的封装和解封装可以与快递系统相关联进行讲授，用已有的知识来理解和记忆新的知识。

3.3实验平台构建

实验平台的构建是本文的重点，也是应用型本科转型在计算机网络课程的突破口，直接影响学习情况和教学效果。在我们的教学改革中，主要使用了“网络捕捉器”来构建实验仿真平台。网络捕捉器也称之为网络协议分析软件、或者嗅探器。网络捕捉器负责捕捉网络上的各种数据包，解析其各层协议及调用,通常用于网络协议单元和流量分析，同时也是学习和分析计算机网络原理的好助手。网络捕捉器主要包含数据包捕捉模块和协议分析模块。常见的协议分析软件有Ethereal、Sniffer、Wireshark等，这些捕捉软件功能基本相同。本文以Ethereal为例来构建实验平台。图1为Ethereal网络捕捉器视图，窗口一为协议单元摘要汇总；窗口二为协议单元各层及协议各字段的封装；窗口三为选中某个字段时对应的十六进制及字符。

图1 Ethereal网络捕捉器视图

在实验中重点验证协议字段的取值范围，通过不同的取值实现协议的调用和功能。

通过网络捕捉器的仿真，使计算机网络课程中的各种抽象协议和理论知识转换为具体实现和应用，达到理论与实践相结合。通过对网络协议单元的分析和验证培养学生的解决和分析问题的能力，达到应用型本科转型的目的。

4.教学演示

本文以TCP建立连接为例。在课程开始时通过网络捕捉器对网络数据进行捕捉和分析，引入课程“TCP建立连接”的知识点及工作原理，围绕如何建立连接及步骤展开教学，最后利用捕捉到的数据对“TCP建立连接”的工作原理进行验证和分析。具体如下：

根据TCP协议建立链接的步骤如图二所示：A主机(客户端)的TCP客户进程向服务器B发出建立连接请求，首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序号SEQ=x；B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中应把SYN=1，ACK=1，序号SEQ=y和确认序号Ack=x+1；A客户进程收到B的确认后，还要向B确认，确认报文段的ACK=1，序号为SEQ=x+1，确认号为Ack=y+1；当B主机收到该确认号后，建立连接完成进入通信阶段。在这个知识点的讲解上，由于协议和工作原理的抽象性，学习者较难掌握，使用网络捕捉器对TCP建立连接的协议单元进行捕捉，通过对捕捉到协议单元的分析来佐证TCP的建立连接的工作原理，使抽象的知识点变成具体的数据和步骤。

图2 TCP建立连接

图3 TCP建立连接具体实现

在实验中启动Ethereal协议捕捉器开始捕捉：(1)调用TCP协议单元，打开IE浏览器输入任意网址；待捕捉到协议后停止协议捕捉器；(2)分析捕捉到的协议单元；(3)根据协议单元画图佐证TCP建立连接的过程如图三所示。在图四中协议单元编号60、62、63号分别对应着三次握手协议三个过程。其中客户端A，IP地址=192.168.31.213，端口号=58970；服务器B，IP地址=111.13.101.191，端口号=80(http);A主机的TCP客户进程向服务器B发出建立连接请求，这时TCP首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序号SEQ=0,如图四中编号60的协议单元；B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认，在确认报文段中应把SYN=1，确认号ACK=1和确认序号Ack=1，SEQ=0如图四中编号62的协议单元；A的TCP客户进程收到B的确认后，还要向B给出确认如图四中编号63的协议单元，确认报文段的ACK=1，序号SEQ=1，确认号Ack=1。当B主机收到该确认号后，完成建立连接进入通信阶段。通过以上实验的分析，画出图三完成该实验。