本站原创摘 要：计算机网络原理是计算机专业的核心课程,具有很强的实践性.课程教学中采取的教学模式决定课程的教学质量.本文分析该课程“自顶向下”和“自底向上”两种经典的教学模式,并在此基础上详细阐述该课程的教学模式改革实践,希望对该课程教学人员有一定的参考价值.
关 键 词：计算机网络；网络原理；教学模式；自顶向下；自底向上
计算机网络原理是高等学校计算机相关专业的核心课程,也是网络工程、网络安全及网络编程等专业课的前导课程.该课程的教学目标是使学生能够学习和掌握计算机网络的基本概念、原理、方法和具体实现技术等基础知识[1-2],为学习其他相关课程及从事计算机网络应用与研究工作打下坚实的基础.计算机网络原理具有发展迅速、多学科交叉等特点,这对教师提出了较高要求[3-4].目前,计算机网络原理课程的理论教学中普遍采用两种教学模式：“自底向上”和“自顶向下”,即基于OSI参考模型和TCP/IP参考模型的混合层次结构,由底层(物理层)向高层(应用层)或者由高层向底层,对网络原理、协议等知识展开讲解.
1计算机网络原理的特点
计算机网络原理是一门兼具理论性和实践性的课程,网络原理、协议等理论知识纷繁复杂,且离不开实践应用环境的验证.总结该课程在高等院校计算机专业中的发展历程,具有如下特点.
1)计算机网络技术是计算机技术与通信技术相互渗透、密切结合而形成的一门交叉学科.
2)计算机网络涉及到的知识面众多,除基本的网络体系结构和网络通信技术以外,还包括各种广域网技术、局域网技术、无线网络、多媒体网络、网络管理、网络安全等.
3)计算机网络是当今计算机学科中发展最为迅速的技术之一,也是计算机应用中一个空前活跃的领域,无线网络、多媒体网络、网络安全等多个分支具有日新月异的更新速度.
4)计算机网络已经成为软件编程的基本环境,很多其他课程的学习是建立在学生掌握网络知识基础上的.
5)计算机网络课程的教学需要紧扣实践应用.
6)计算机网络课程中的很多原理、协议以及技术都有其特定的应用背景,要求教师有充分的知识储备,且需紧扣技术发展前沿.同时,教学活动中通过实验验证这类知识的难度也较大.
2计算机网络原理的理论教学模式
计算机网络原理的教学模式即内容组织形式,通常采取的都是分层结构.如图1所示,OSI七层模型只存在于理论中,表示层和会话层在实践中并不存在.TCP/IP参考模型并没有指明子网层究竟包含什么,只是指出其需支持IP协议[5].因此,几乎所有的计算机网络原理教材都基于混合的五层体系结构组织内容[5-7].按照国家硕士研究生入学考试计算机学科专业基础综合科目的大纲要求[8],及本科计算机专业的学时安排,计算机网络原理课程只包括基础理论部分,即网络体系结构和各层相关内容,而诸如网络安全、多媒体网络以及网络管理等专题,只作为选修或研究生阶段学习内容.
近年来,国内出现了很多优秀的计算机网络原理教材,如高传善等人编著的《数据通信与计算机网络》[6]等.但由于我国计算机网络研究起步较晚,仍然没有一个行业普遍认可的优秀教材出现.另一方面,国内教材普遍存在内容组织形式借鉴国外经典教材的特点.因此,笔者基于在计算机网络教学中国际公认的两本经典教材,展开对计算机网络原理理论教学模式的探讨.
2.1“自底向上”教学模式
所谓“自底向上”教学模式,就是指基于五层混合结构,由“网络体系结构概述,物理层,数据链路层,网络层,运输层,应用层”的顺序组织教学内容.AndrewS.Tanenbaum[5]编著的教材《ComputerNetworks,FourthEdition》是计算机网络的经典教材之一,属于典型的“自底向上”教学组织模式,这种内容组织形式也被国内大部分教材所采用和模仿.由表1可以看出,Tanenbaum的教材以7章的篇幅覆盖本科阶段的内容.其中额外加入了第4章――媒体访问子层,主要介绍以太网、千兆以太网、无线局域网、蓝牙等知识.
“自底向上”是采用的最为广泛的教学模式,这从国内外众多教材的内容组织形式可以看出.结合自身的教学实践经历,我们发现这种教学模式有如下特点.
1)强调通信原理、电信技术等基础理论的重要性,为计算机网络的数据通信奠定理论基础.
2)注重计算机网络发展沿革,提供计算机网路发展经历的各种网络技术脉络.
3)关注如物理层及数据链路层的具体实现技术.
4)内容包含全面,与计算机网络相关的网络技术几乎都要涉及和覆盖到.
计算机网络原理课程教学历经数十年发展,“自底向上”的教学模式已经非常成熟,但在计算机网络技术日新月异的今天,这种教学模式的缺点也非常鲜明.
1)不突出Inter实践.
实践性是计算机网络原理不同于其他理论课程的重要标志.基本理论和协议都需要在实践中验证.目前,计算机网络的基本实践环境就是Inter,它已经成为一切计算机网络技术的核心和应用背景.“自底向上”的教学模式往往忽略了紧扣实践展开理论教学这一点.例如,包括文献[5]在内的许多教材都将“可靠传输”这一计算机网络中最重要的理论放在数据链路层中进行探讨,到运输层TCP的可靠传输时,却因为理论的相似性而一笔带过.然而,在Inter中应用的最广泛的Ether,其数据链路层却不提供可靠传输.也就是说,在最常见的Inter应用环境中,只有运输层的TCP是提供可靠传输的.这是该教学模式不突出Inter实践环境的一个典型实例.
2)基础理论储备要求高.
“自底向上”的教学模式强调通信原理等基础理论的重要性,而计算机专业的本科生却很少开设通信原理课程,这无形中提高了对学生的基础理论储备要求.
3)过分纠缠于底层实现细节.
网络技术纷繁复杂,在本科阶段现有的学时安排下,不可能面面俱到,过分纠缠于底层实现细节只能造成重点内容不突出等问题.
4)很多技术通过实验验证难度大.
一些陈旧的网络技术在实践中难觅踪影,很难通过实践应用得以验证,而且受实验条件限制,在实验室也很难开展这些实验.
2.2“自顶向下”教学模式
所谓“自顶向下”教学模式,就是指基于五层混合结构,由“网络体系结构概述,应用层,运输层,网络层,数据链路层,物理层”的顺序组织教学内容.Kurose&Ross编著的《ComputerNetworking：ATop-DownApproach(5thEdition)》也是一本受到广泛认可的经典教材,属于典型的“自顶向下”教学组织模式.表1同样列出了该教材覆盖本科阶段的章节安排.可以看出,该教材没有专门针对物理层设置篇幅进行讲解.以该教材创立的“自顶向下”的教学模式,在国内计算机网络原理教学中应用较少,这一点同样通过国内大量的教材内容组织形式可以看出.解放军理工大学的陈鸣教授是“自顶向下”教学模式的坚定支持者,《ComputerNetworking：ATop-DownApproach》的多个版本均由其团队翻译出版.
“自顶向下”教学模式具有以下优点.
1)强调应用层,尽早激发学生的学习热情,并尽早强调自主开发网络应用程序.例如,以应用背景为驱动,设计如Web怎么写作器、邮件客户端等网络应用程序.
2)以Inter为研究对象,紧扣实践应用环境.强调理论结合实践,必须在实践应用环境中进行理论验证.例如,将知识重点放在Inter、Ether等实践中主流的网络技术上,学生可以很方便地在实践应用环境中验证原理知识,真正做到“做中学,学中做”.
3)内容重点突出,割舍底层的实现细节等难以验证的原理和技术,淡化通信原理等基础理论的作用,突出计算机网络的核心理论内容.例如,针对模拟信道的最大数据速率问题,本科学生只需要知道模拟信道上的最大数据速率取决于模拟信道的带宽(频率范围)即可,学有余力的学生可以选读通信原理中的奈奎斯特定理及香农定理知识.
3教学模式改革实践
笔者在讲授计算机网络原理课程五年十个学期的经历中,依托所选取的教材,采用的教学模式经历了“自底向上”和“自顶向上”两种.经过多年摸索,总结和实践了目前适合我校本科生的教学模式和体系.其特点涵盖如下.
1)选用国外经典原版教材《ComputerNetworking:ATop-DownApproach》,采用“自顶向下”的教学模式,以Inter为研究对象,紧扣计算机网络技术发展前沿和实践应用.强调应用层,减少物理层及其他底层实现技术和基础理论的课时比重,强调理论知识与网络实践的结合.
2)注重计算机网络核心基础理论.计算机网络领域已经发展得相当成熟,许多基础性的重要问题已经解决.教学中不但注重基础性网路原理的讲解,还注重讲授解决这些问题的方法.我们编写了《“计算机网络：自顶向下方法”课后习题指导》,在前五章教学活动结束后,要求学生完成相关的课后习题,辅助掌握理论知识.
3)注重实验环节.以教材作者提供的Wireshark实验指导为依据,开设10个理论验证实验.如表2所示,这些实验涵盖了Inter的大部分核心协议,均要求学生在真实的网络环境中利用Wireshark工具(原Ethereal)抓取真实的数据分组,并进行分析,帮助学生验证、理解和掌握网络原理.要求学生按照实验报告的标准格式完成每一个实验,并对实验过程中的细节进行抓图记录.可以看出,安排这些实验的目的是为理论知识的学习而怎么写作,这符合我校的计算机专业课程体系对计算机网络原理课程的要求.针对交换机、路由器等的工程性实验,将交由后续课程网络工程来解决.
4)注重基本的网络编程能力培养.以教材作者提供的编程作业为提纲,我们编写了《“计算机网络：自顶向下方法”网络编程习题指导》,其中所包含的编程作业如表3所示.要求学生选做其中一个或者自拟题目设计完成一个网络程序并加以考核.
5)强调实践环节的考核方式.在课程考核方式方面,坚持改革传统的考核方式,强调实践环节的重要性.表4给出了考核方式的比例分配,实践性环节和平时表现占到整个课程的40%,这突破了我校平时成绩不超过30%的界限,验证了该课程强调实践环节的举措.改革传统的以考试为主的一次性考核方式,将课程的要求平均分配到整个教学活动中,调动学生全程参与的积极性.
4结语
笔者结合自身的教学经历,详细分析了计算机网络原理课程的两种常见教学模式,并对比了优缺点,阐述了笔者所做的教学改革实践.需要指出的是,我们选取“自顶向下”的教学模式开展教学,主要是因为其强调实践性、强调应用,并不代表“自顶向下”的教学模式一定优于“自底向上”的教学模式.“自顶向下”教学模式的缺陷在于,使学生对底层实现技术的理解一直处于“悬而未决”的状态.因此,如何更好地发挥两种教学模式的优点,扬长避短,是下阶段该课程教学改革的重点.