“TCP通信過程”說課設計*

劉 超，張 品，張仲博

（1.杭州電子科技大學信息工程學院，浙江杭州310018；2.杭州電子科技大學通信工程學院，浙江杭州310018）

在高等教育領域不斷深化課程改革和教學創新的背景下，作為重要教學研究活動之一的說課競賽近年來在國內眾多高校得到推廣，并且取得了良好的效果。[1]說課的基本方式是教師針對某一特定的教學內容，用口頭表述的方式向評委全面闡述自己對教學內容的處理、學情的分析、教學理論的運用以及教學策略與方法的選擇等。要求教師在較短的時間內講清“教什么”、“怎么教”以及“為什么這樣教”之類的教學問題，從而展現教師的思維過程，體現教師對授課內容的把握程度以及運用教育教學理論的能力。[2]計算機通信與網絡課程是在大三下學期為信息與通信工程專業學生開設的專業限選課，包括課堂理論教學和課內實驗環節。其教學目標為要求學生熟悉計算機網絡的基礎知識，掌握TCP/IP協議棧的基本理論與應用，了解常用的網絡安全知識等。通過對網絡核心課程開展說課活動，可以促使教師將計算機網絡的教學內容與現代教育教學理論相結合，實現從以往的直覺型、經驗型教學向科學型教學轉化。

一、說課設計

筆者近年來參加了一些說課競賽活動，通過親歷比賽、觀摩學習以及與評委、同行交流切磋，得到了很多啟發與激勵。在此，筆者結合這幾年從事計算機通信與網絡課程教學的經歷，[3]圍繞“TCP通信過程”這一教學內容，從教學目標、教學內容、學情分析、課堂設計與實施、實驗與反饋等方面闡述其說課設計，以期達到拋磚引玉的目的。

1.教學目標

教學目標包括知識傳授、技能訓練以及能力培養三個部分。知識傳授要求學生了解TCP/IP協議棧分層體系結構以及數據分組處理過程，理解正常TCP通信過程中報文的交互情況；技能訓練要求學生能搭建實驗環境，獲取、觀察以及分析TCP報文段；能力培養則旨在增強學生“學以致用”的意識，養成理論和實踐相結合的自主學習能力。

2.教學內容

教學內容包括TCP/IP協議棧和TCP通信過程兩個主要知識點。兩者之間通過引入一個對等層模型實現過渡銜接。TCP/IP協議棧的重點知識包括TCP/IP五層協議棧架構、層間關系、分組封裝及處理流程，其中分組封裝為難點；TCP通信過程的重點知識包括TCP協議特點與作用、通信交互過程、首部格式、各字段含義與變化規則，其中各字段的變化規則為難點。由于篇幅所限，我們這里討論的TCP通信過程只包括簡單正常通信過程。TCP協議的其它復雜機制，如流量控制、擁塞控制、差錯控制以及狀態機等知識不在討論之列。

3.學情分析

教學活動的主體是學生，學情分析對成功實施課堂教學非常重要。[4]這門課程的授課對象是大三下學期學生，他們已經具備了相應的專業基礎，學生的形象思維能力較強，而抽象思維能力較弱。對學習復雜內容有畏難情緒，需要激發他們的學習興趣。所有學生都熟悉常見的網絡應用，對網絡知識和技術有極強的好奇心和求知欲。

4.課堂設計與實施

課堂設計與實施主要是結合課堂教學目標與內容、學情分析以及多媒體教學環境，設計相應的教學策略及教學方法，并將它們貫穿在整個教學活動中。筆者設計的教學策略包括：針對TCP/IP協議棧的設問式開場和創設熟悉情景；對等層的簡化模型導入；針對TCP通信過程的先分后合的講授策略等。下面我們以教學策略為主線，具體闡述課堂設計與實施細節。

（1）設問式開場

好的問題是激發學習動力的有效手段。筆者在課堂開頭有意識地給學生舉一些日常生活中使用TCP協議進行通信的應用實例，分析這些應用的業務流特點，然后提出相關問題。例如這些應用進程相互間是如何尋址的？為什么它們要使用TCP通信服務？TCP又是怎樣保證通信的可靠性的？讓學生帶著問題去聽課，并在聽講過程中有的放矢地思考問題、獲取答案，這樣能夠極大地增強教學效果，加深對相關問題的理解。

（2）從熟悉情景入手，立足學生的“最近區域”

盡管學生在前面的學習中已經了解TCP/IP協議棧的五層結構，但是在課堂開始階段再次強化TCP/IP的整體結構仍然是非常必要的，有利于保持知識間的連續性。筆者從學生熟悉的訪問Web網站的情景出發，由表及里逐步講解整個協議棧工作過程，并通過動畫的形式加以表現，如圖1所示。這個情景就是通過IE瀏覽器訪問網站。首先在IE瀏覽器中輸入網址，例如http://edu. cn。該網址以及其它相關信息會被IE瀏覽器發送到TCP/IP協議棧的應用層，應用層會在這些信息前面加上一個HTTP的首部，這個過程叫做封裝。然后繼續將形成的HTTP分組發到傳輸層。傳輸層會接著封裝TCP首部，形成TCP報文段，并繼續發送到網絡層。網絡層將通過DNS獲取的網站IP地址等相關信息封裝在IP首部，形成IP包，接著進一步發送到數據鏈路層。數據鏈路層會加上首部和尾部，形成數據鏈路層的幀。最后經過物理層轉變為一系列的電信號在網絡上傳輸，并經過沿途的網絡設備轉發后到達接收方服務器。在服務器的TCP/IP協議棧經過相反的解封裝過程后，將網址等相關信息交給服務器上運行的Web服務進程。該服務進程會尋找網址對應的網頁內容，并將其按相反過程發送給IE瀏覽器。IE瀏覽器解析收到的網頁，并最終在窗口顯示出網站主頁內容。采用基于熟悉情景的教學策略，一方面是為了以學生已有的知識和經驗為起點傳遞教學信息，便于在新舊知識之間建立聯系，促進知識網絡的構建；另一方面是想通過這個熟悉情景告訴學生，TCP/ IP協議離我們并不遙遠，它就在我們身邊。每當我們使用網絡服務時，它就會為我們提供服務。這樣可以減輕學生的陌生感，激發其興趣和求知欲，促進自主學習。

圖1 TCP/IP協議棧

（3）利用對等層模型實現從TCP/IP協議棧向TCP協議通信過程的過渡

學習完TCP/IP協議棧后就要進入TCP協議通信過程的學習。通過上文所述，TCP報文段先要封裝為IP包，然后再封裝成數據鏈路層的幀才能送往物理層發送，在接收端則執行相反的過程才能恢復出發送的TCP報文段。遵循這個過程來學習TCP協議通信過程太復雜了，不利于抓住重點。我們采用的策略是引入對等層模型。通過觀察TCP/IP協議?？梢园l現在假設傳輸層以下各層正常工作的前提下，可以認為在收發雙方的傳輸層之間存在一條虛擬的直連鏈路，而TCP報文段可以認為是直接在鏈路上傳輸，這樣的簡化模型稱為對等層模型，如圖2所示。采用對等層模型的好處有兩個：①該模型是簡化模型，屏蔽了下面各層的細節，但卻能反映真實系統的工作情況，有利于學生將注意力集中到TCP協議本身；②該模型保證了教學思維的連續性和教學邏輯的完整性。使學生的思維能夠自然地實現從TCP/IP協議棧向TCP協議通信過程的過渡。

圖2 對等層模型

（4）先分解后合并，開展TCP通信過程的教學

TCP為可靠的面向連接的協議，將TCP協議通信過程分解為連接建立、數據傳輸、連接終止三個階段，逐個講解。最后再將三個階段合并成一個完整的場景進行總結。在簡單介紹完TCP首部格式以及各字段含義后，即講解TCP通信過程的三個階段。先講解TCP連接建立階段，特別向學生強調上層應用的數據請求是TCP活動的觸發源。正是因為上層要收發數據 （比如說訪問網站），才觸發了TCP連接建立階段。

筆者采用了三種教學方法來講解這個階段：①用動畫的方式呈現整個階段。TCP連接建立階段也稱為“三次握手”，筆者把這三個握手報文按照時間先后順序一一呈現出來。這樣做是因為學生的形象思維能力較強，易于接受形象化、視覺化的事物，動畫的表現方式會給他們留下深刻的印象；②用強調法來處理關鍵字段變化規則這一教學難點，我們把所有需要關注的關鍵字及其取值都在圖上突出標示出來，這使得它們的變化情況一目了然；③交互的三個TCP報文段都是簡化版的TCP首部，我們利用PPT的動畫功能，專門在頁面合適處設計了一個小的TCP首部圖標，點擊就顯示一個放大的完整TCP首部，方便學生對照學習。連接建立以后，就進入數據傳輸階段，所采用的教學方法和連接建立階段一樣，特別強調的是Sequence number和acknowledgement number兩個關鍵字段的變化規則，強調它們在確保可靠性通信中所起的重要作用，并通過一個實例采用圖示化的方法進行說明。數據傳輸完成以后，進入連接終止階段。采用同樣的教學方法來說明關鍵字段FIN標志位的變化規則。最后將這三個階段合并成一個完整的TCP通信過程進行整體講解，并進一步闡述TCP通信過程為何要分為三個階段的理由。這種先分解后合并的策略，符合TCP通信過程的特點，層次分明，邏輯清楚，容易被學生接受。

5.實驗與反饋

在講完理論知識以后，筆者及時通過隨堂實驗來展示真實的TCP報文段在網絡中的傳輸情況，鞏固所學知識。筆者也從網絡實驗中引出了一些問題要求學生作答，答題情況可以作為教學反饋以評估教學效果。該實驗的配置很簡單，包括一臺聯網PC機、wireshark抓包程序和IE瀏覽器。首先啟動wireshark抓包程序準備捕獲TCP報文段，然后在IE瀏覽器地址欄輸入網站地址，比如http://www.hdu.edu.cn，回車后IE瀏覽器會發起對網站的訪問請求，該請求會觸發TCP通信過程，完成連接建立、數據傳輸以及連接終止三個階段。所發送的報文段會同時被wireshark以及IE瀏覽器獲取，IE瀏覽器把收到的報文解析為網頁，而wireshark則會將捕獲的報文段及其內部細節逐條顯示出來。要求學生對這些TCP報文段進行分析，區分出TCP通信過程的三個階段，并且計算出每個TCP報文所承載的上層數據的長度以及交互過程中所發送的總的數據量。這種來源于真實網絡世界的題目既能檢驗學生所學，又能培養學生學以致用的意識。筆者也會對學生的答題情況進行分析總結，并據此對課堂設計與實施過程作出改進。

二、關于將說課作為教學評價體系指標的一點思考

近年來，說課比賽在教師中的影響力不斷擴大。杭州電子科技大學已經連續舉辦了七屆青年教師教學技能大賽，該比賽以說課形式開展，對提高教師的教育教學理論和教學基本功，深化教育模式改革起到了積極作用。然而筆者認為應該審慎看待說課的作用，不能將說課作為評價教師教學技能優劣的唯一指標。

說課是參賽教師投入大量精力、精心準備的成果在15分鐘內的集中展示，往往體現出優良的教學水平。然而這種競賽中的教學水平能否代表一個教師在長期的日常教學實踐中所表現出的一貫水平值得商榷。此外，說課缺少學生這一教學活動的主體，而學生對教師的教學質量最有發言權。與基于教師視角的、反映較短時間內（15分鐘左右）教學效果的說課相比，學生對教師的教學評價則從學生的視角出發，反映了一個教師在較長時間內（一個學期甚至幾年）的教學水平。因此，將說課成績與學評教成績綜合考慮會更加客觀全面地反映教師的綜合教學水平。這樣的評價考核指標會促使教師將更多的精力集中在平時的教學活動中，踏踏實實地備好每一節課，認認真真地上好每一節課，戒除浮躁，靜心鉆研，為學生提供更好的教學服務，最終實現師生間教學相長，共同進步。

三、結語

本文圍繞TCP通信過程這一授課內容，詳細討論了說課的相關方面，重點突出了教學策略與方法，展現了授課整體思路和過程，基本達到了預定教學目標。說課水平能夠從一定程度上反映教師教學水平的優劣，但是應該理性看待說課在教學評價中發揮的作用，既不應輕視也不應過分夸大，應該強調日常教學質量和學生的學評教感受，以避免投機心理，形成正確導向，促使教師的教學水平和技能得到扎實穩步的提高。

[1]農秀麗.開展說課活動,提高教學水平[J].廣西民族師范學院學報,2012,29(2):113-116.

[2]周拴龍.《計算機網絡》課程“說課”探討[J].新課程研究,2011(10):22-23.

[3]劉超,張品,王玉娜.《計算機網絡與電信網絡》雙語教學實踐探討[J].杭州電子科技大學學報（社會科學版）,2012,8(2):71-74.

[4]詹燕.圍繞基本要素,抓住特點,針對學情,寫好說課教案[J].北京電力高等專科學校學報(社會科學版)，2012(6):40-41.

[5]于合龍,馬麗,鄧蕾蕾.《計算機網絡》課程實施雙語教學的探索與實踐[J].長春師范大學學報（自然科學版）,2010,29(3):135-137.