赵婧如

(西安邮电大学 计算机学院,陕西 西安 710121)

0 引言

“计算机网络”课程是高等院校计算机专业的核心课程[1],网络互联部分为课程的重点内容,也是行业面试、工程认证考试以及研究生考试中出现频率较高的重点问题。在工程教育专业认证背景下,西安邮电大学网络课程组对本校计算机专业近三届学生的计算机网络课程目标达成数据进行分析后,发现部分学生路由设计能力达成度不理想的主要原因在于对路由基础知识的理解深度不够,存在认知误区,而解决这一问题的根本切入点是优化教学设计。“直连路由和静态路由”是学生理解和分析网络互联和路由决策的重要基础,科学合理的教学设计不仅可以帮助学生更好地理解路由过程和分析应用场景,提高课堂效率,而且能够培养学生的综合分析能力和应用能力,为学生后续学习动态路由协议打下坚实的基础。

1 总体设计思路

教学设计以教学目标为统领,以学生为主体,教师为主导[2],采用多样化的教学方式,如问题引导、小组合作、自主探究、实操演示、角色扮演等,注重学生的思维训练和能力发展,将课程思政潜移默化地融入趣味课堂活动[3],提升学生的学习兴趣和参与度,培养学生勇于探究、去伪存真的科学精神。

课前环节充分利用线上教学资源和文献资料,让学生高效预习;课中环节以精心设计的问题导向将课程知识点串接起来,步步设局,结合实操演示,引导学生积极思考和解决实际问题,通过小组合作,自主探究,让学生自行得出阶段性结论,并进一步通过实验验证去伪存真;课后作业理实结合,以解决工程性问题为主,同时增加一些有挑战性的拓展问题。

2 学情分析

学情分析是获取学生的知识水平、学习风格、学习需求以及薄弱环节和困惑点等信息的重要途径。学情分析结果有助于教师准确把握学生的个体差异,针对性地选择合适的教学策略和方法。

2.1 学习基础分析

对于当届学生,学情分析的侧重点是学生的学习基础。在学习本堂课程之前,教师应确保学生具备以下认知与能力:能够概括性阐述网络层基本功能和路由概念,已具备基本的网络拓扑设计与IP地址规划能力,已建立直接交付和间接交付的初步概念,能够熟练使用基于ICMP协议的ping和tracert工具进行网络测试与跟踪,熟悉路由器基本配置命令。否则,需要在课前任务中加大基础巩固内容的比例。

2.2 认知误区分析

为了准确判定学生的认知误区,教师需充分利用往届学生的学情分析,提前预判学生认知误区,并在教学过程中通过作业、讨论和随堂练习等把握当届学生的具体认知情况,以便及时调整教学进度和内容。以下例举本节课常见认知误区:学生没有认识到直连路由和间接路由的区别,认为需要为路由器直接连接的网络配置相关路由;学生不理解路由过程是基于目标网络(网络前缀)转发分组,认为路由表“目的地址”均是目标主机IP地址;学生对“下一跳”概念理解粗浅,认为下一跳路由器的任意接口的IP地址都可以作为当前路由条目的下一跳地址。

3 教学目标设定

教学目标是教学的出发点和归宿,一切教学活动都是围绕教学目标来进行和展开的。教学目标的分析和确定是教学设计的起点,“直连路由与静态路由”教学目标设定如下:

3.1 认知目标

认识路由器在IP分组转发过程中的作用;能够区分直连路由和间接交付路由;了解直连路由的产生方式;掌握静态路由的设计原则和配置方法,认识静态路由的应用场景;理解在路由表中路由条目的含义。

3.2 能力目标

能够正确表述路由的概念和路由表的作用;能够正确识别直连路由和静态路由,并能准确分析直接交付场景和间接交付场景中的路由以及分组转发过程;能够根据实际的网络拓扑需求,完成静态路由设计;能够归纳总结静态路由的优势与局限性。

3.3 素质目标

培养学生的工程思维、思辨能力和勇于探索的科学精神。

4 课前任务设计

课前任务包含基础回顾、新课预习和课前实践3个部分,课前资料以短小精悍为宜,避免学生因畏长畏难心理造成应付现象,切实提高学生课前任务的完成度。基础回顾主要针对与本节课程紧密关联的已学章节,包括IP分组首部格式、子网掩码、CIDR编址方案、网络地址规划、局域网内部通信;基础回顾采用前测方式,不仅便于学生查漏补缺而且便于教师对学生的相关基础知识掌握情况和能力水平进行统计分析。新课预习采用视频观看和文献阅读,内容简明,以引导性为主,保证预习时效性的同时激发学生的学习兴趣。课前实践包括ping和tracert命令以及路由器基本配置命令的练习,学生需以小组为单位,利用仿真软件自行搭建简单网络拓扑并完成IP地址规划,为课中环节做好准备。

5 课中教学设计

5.1 前课回顾设计

教师分析总结课前任务的完成情况,解答共性问题,重点回顾分组在互联网中的传送过程以及直接交付和间接交付的区别。

5.2 新课导入设计

教师提出引导性问题,如不同网络间通信时,分组转发过程中路由器的作用;路由表中的表项从何而来;路由器是否能自动发现网络等。学生以小组为单位进行第一轮讨论,讨论结束后随机抽选多个小组,由小组发言人表达小组观点。

5.3 课中环节设计

为了帮助学生更好地理解两种路由的概念、应用和实践,课中环节设计包括7个阶段,每个阶段都有特定的目标和活动,这7个阶段将系统而全面地引领学生逐步深入直连路由和静态路由的概念原理,并结合实践来深化学生对静态路由的理解和应用。

5.3.1 第一阶段:引入直连路由

教师首先在Packet Tracer(PT)软件中构建单个路由器互联两个网络的演示场景一(见图1),配置之前查看路由器的路由表为空,配置路由器接口参数之后,再次查看路由表,学生能够直观地看到路由表的变化,此时进行之前“新课导入”环节小组讨论观点的复盘,学生会主动将实验现象与小组先前的观点进行对比思考,自主评估“在初始化阶段路由器是否能自动发现网络”问题上小组观点的正确性,并据此得出初步结论。

图1 演示场景一

在阶段性结论的形成过程中,由于初学者对问题的深入程度有限,容易以偏概全,从而在下一阶段得出错误结论,因此需要设计恰当的问题推进环节,做好正向引导。在进入下一阶段之前,组织学生小组进行第二轮讨论:路由器为什么能够发现两个网络;两个网络之间通信,分组如何被转发;更多数量的网络通过多个路由器互联时,初始化阶段路由器能够自动发现哪些网络。

5.3.2 第二阶段:承转铺垫,引出中间问题

为了让学生顺利得出第二阶段的结论,教师在演示场景一的基础上扩建网络拓扑,形成2台路由器互联3个网络的演示场景二(见图2),并配置新增路由器接口参数,先让学生推断目前各路由器的路由条目,然后打开路由表验证,以巩固学生第一阶段的认知。接着抛出新的思考问题:2台路由器均已识别直连网络,自动产生了直连路由,非相邻网络中主机之间是否可以正常通信。在PT软件的Simulation模式下跟踪演示一台主机A向非相邻网络的另一台主机C发送分组的过程,可以观察到途经的路由器R1丢弃了分组,这时结合场景二中的路由表信息,组织学生讨论路由器丢包的原因,得出过渡性结论:目的网络net2为非直连网络,由于路由器无法自动识别非直连网络,造成路由表中缺少到达目的网络的路由信息,因此路由器丢弃了分组。

图2 演示场景二

5.3.3 第三阶段:解决问题,学习静态路由

为解决初始化阶段路由器无法发现非直连网络的问题,引入获取间接交付路由的方法之一:配置静态路由。这个阶段首先让学生熟悉静态路由配置命令,然后组织学生讨论在图2所示拓扑中如何添加静态路由以实现全网互通,抽选一个小组现场添加静态路由,并在PT软件的Simulation模式下跟踪演示非相邻网络的2台主机双向通信的过程:(1)先为R1添加静态路由;(2)发起A到C的ping请求;(3)观察C到A的ping响应传输是否成功,讨论不成功的原因并给出解决方法。(4)验证学生提出的解决方法(如:为R2添加静态路由)是否能够解决问题。(5)配置完成后,使用tracert命令跟踪路由。如果操作演示中遇到问题,由其他小组同学参与修正解决。

5.3.4 第四阶段:强化认知,融入思政

角色扮演的互动性和轻松有趣的氛围使得学生更愿意参与讨论和表达观点。通过角色扮演,学生可以在模拟情境中实践所学知识和技能,亲身经历和体验实际问题,强化对直连路由和静态路由的认知。教师抽选不同组的若干学生扮演路由器、网络及主机。“源主机”角色需按照观众同学的要求,制作2个分组道具(标注源地址和目的地址),分别针对网内通信和异网通信两种情况。“路由器”角色需通过板书展现其路由表,以便于观众同学查看路由表内容。“源主机”角色每次发送“分组”时,需讲解如何判断目的主机是否和自己在同一个网络中,如何决策发送给目的主机还是网关,并强调网关的作用。当“分组”传到第一个路由器时,扮演者需讲解和演示查表转发过程,并强调下一跳的作用。同样,当“分组”依次传送至第二个路由器和目的主机时,相应扮演者均需要讲解、演示当前设备对分组的处理过程。

角色扮演环节引入课程思政内容,路由器通过接力式合作完成从源站到目的站的路由。“路由”接力跑中人人奋力担当,尽职尽责,合力拼搏、合作共赢,体现了一种集体协作的精神,一种团结奋斗的力量。

5.3.5 第五阶段:拓展认知

教师首先要求学生在课前环节自行设计的网络拓扑中,完成静态路由的添加,并对最先正确完成的小组给予课程积分奖励,紧接着介绍2种特殊的静态路由:特定主机路由和默认路由的概念以及配置方法。然后教师提出针对性的应用需求,让学生在小组网络拓扑中完成路由配置的修改,添加必要的特定主机路由和默认路由,并验证全网连通性。最后通过摇号小游戏抽选一个小组在教师搭建的演示场景二中现场展示修改过程。教师可视具体情况要求各组将配置和验证结果上传至在线教学平台“小组任务”区,开展组间互评“课后找碴”活动,进一步促进组间学习交流,培养学生细致严谨的工作态度。

5.3.6 第六阶段:认识静态路由应用场景

教师组织学生现场搜索在线资料,认识常见的静态路由应用场景,如:备份路由、出口路由、末节网络路由等[4]。学生需要快速搜索、阅读、理解信息并进行总结归纳。这个环节不仅可以锻炼学生的信息检索和判断筛选能力,而且能够培养学生的综合思考和逻辑推理能力。如果课堂时间紧张,该环节可放置课后,以小组为单位提交整理内容和参考文献至在线教学平台的主题讨论区。

5.3.7 第七阶段:课程总结和随堂练习

教师结合板书或思维导图梳理本节内容及知识要点,引导学生自行归纳总结静态路由的优势以及局限性。依托在线教学平台组织学生在移动终端上完成“直连路由和静态路由”课堂习题。

5.4 课后任务设计

课后作业包含理论与实践两个部分,旨在让学生通过作业进一步将原理知识与实践紧密结合,培养学生在实践中寻求真知的习惯。理论作业依托在线教学平台发布,引入工程实例,主要训练学生根据企业联网需求配置静态路由的能力。实践作业基于仿真软件,给定多个较为复杂的网络拓扑,让各小组选择一种拓扑,完成静态路由的设计和实践练习。作业中需适当增加一些有挑战性的拓展问题,比如:如何解决静态路由配置错误导致的路由环路问题,助力能力水平较高的学生进一步提升工程实践能力。

6 结语

“直连路由和静态路由”教学设计方案采用递进式问题驱动、小组合作、实操演示、角色扮演等多种方法,帮助学生克服学习难点,消除认知误区,培养学生的工程思维和解决复杂问题的能力。在最近一学期的教学实践中,教学设计方案的实施取得了良好的教学效果,相对应的课程目标达成度较往届显著提升。本文提出的教学设计方案可为进一步探索和改进网络路由部分的教学方式与方法提供有益的参考。