計算機網絡中啟發式教學模式的作用

劉新　葉德建　姜秀艷

摘要：針對計算機網絡課程內容零散的特點，提出將啟發式教學模式應用在計算機網絡教學過程中，通過不斷提問和啟發并結合身邊的事例，引導學生不斷思考，對學生的回答情況予以點評，最后分析啟發式教學在計算機網絡課程中的作用。

關鍵詞：啟發式；教學模式；計算機網絡課程；協議

隨著知識的飛速發展和社會競爭程度的加劇，教師在教學方面只傳授學生知識是遠遠不夠的，應該適應社會形勢的變化，著重培養學生自我學習的能力。特別是計算機網絡這門學科，誕生于20世紀70年代，在近十幾年發展迅速。即便是今天，各種網絡技術仍在不斷地發展變化，且涵蓋的內容非常廣泛。學生從學校教育中獲得的計算機網絡知識，遠遠滿足不了將來工作和學習的需要。因此，教師在教學中必須重視學生能力的培養，尤其是自學能力和創造能力的培養，而現代教育中的啟發式教學法就是一種比較有效的教學手段。

在啟發式教學中，教師只起到啟發和誘導學生的作用，指導學生自己思考問題和發現規律，從而解決問題并獲取知識，充分體現學生的主體作用。從學生的反應看，由于課堂教學充分調動了學生的積極性，使得學生的參與熱情高漲，啟發式教學的受歡迎程度遠遠勝于傳統的填鴨式教學方式。不斷地提問激發了學生的學習興趣和動機，學生開始積極思考，并逐漸把這種獨立思考與開放性的思維模式應用在計算機科學相關領域和日常生活中，提高了解決實際問題的能力。

1、啟發式教學在基礎知識方面的應用

目前計算機網絡教材多以講述ISO/OSI和TCP/IP 2種網絡模型為人手點，但其中的內容零散、理論抽象，我們就從Intemet的最初設計目標講起。雖然文獻是一篇很早的論文，但文章里提到的網絡協議設計思路、歷史回溯和對未來的展望，可以加深學生對當前網絡結構的理解。Intemet在訂立合同時的設計目標包括：①首要目標，DARPAIntemet體系結構的首要目標是找到合適的技術，使現有的網絡互連，最初的目標就是使ARPAnet互連；②其次目標，按照重要性，要實現的具體目標包括當部分網絡或者網關損壞時，Intemet連接必須能夠繼續，能夠支持多種類型的通信服務，能夠互連不同種類的網絡；③其他目標，包括分布式的資源管理、資源有效、連網方法簡單及資源可統計等。在課程講述的整個過程中，我們始終以此為綱，牢牢把握這些設計目標的優先級，更深層次地了解網絡現狀。

在網絡的架構搭建方面，網絡發展了幾十年的時間，盡管應用范圍和物理環境等與設計之初已是天壤之別，但計算機網絡一直都在使用，且擴展性極強，這與網絡最初的設計目標息息相關。設計的其次目標中最重要的一點就是“當部分網絡或者網關損壞時，Internet連接必須能夠繼續”。當前的網絡現狀是包的可靠傳輸、排序、資源分配等很多復雜的功能都由終端實現，而中間層的功能則比較簡單，也只有這樣設計才能確保當初設計目標的實現。網絡的分組方式為什么選擇分組交換而非電話網的電路交換方式？原因之一就是計算機網絡為魯棒性而設計，通信雙方是否成功僅取決于雙方的狀況，至于中間的鏈路則可以選擇不同的路徑，這正是分組交換方式的特性，電路交換則要求采用固定的一條物理鏈路。另外，教師還可以啟發學生從應用層的業務特性回答這個問題。電話中的業務——語音占用的帶寬是穩定的，事先建立好的物理鏈路比較合適，而人們在上網時傳輸的業務——數據是突發的，帶寬波動較大，有時需要占有某一條鏈路。

在網絡的連通層面，網絡層的尋址方式中有哪些方法可供選擇？而Intemet最終選擇了哪種尋址方式？我們可以提示學生根據生活中尋找某個地址的思路設計Intemet，將十字路口想象成路由器，而馬路就是網絡中的鏈路，并且馬路偶爾會發生修路封閉的狀況。依據我們的生活經驗，人們可以有以下幾種方式：通過尋找地圖的方式，自己全部掌握從出發到目的地的路線（源路由方式）；只知道大概方向，到了一個地方就向別人打聽接下來的部分路線，直至最后找到目的地（全局IP地址方式）；“打的”只需要告訴出租車司機最終的目的地，司機要掌握整條路線的狀況（虛電路方式）。

教師給學生提供基于身邊的生活事例，讓學生有了感性認識后，再讓學生將感性認識上升到理性高度，講解每種找路方式的具體情況，既便于學生理解，又拓寬了他們的思路。然后再從路由表頭部的大小、路由表的大小、轉發的開銷、建立連接的開銷、錯誤恢復的開銷等多個角度啟發學生，讓學生比較各種路由方式的優缺點，從而明確選擇全局IP地址方式的主要原因就是中間的路由器應該是無狀態的，這樣才能在差錯恢復時進行相對簡單的處理，保證網絡的魯棒性。經過幾次類似的啟發訓練，學生了解了學術科研的基本過程并確定最終解決方案的思路。

接下來的2個設計目標是網絡向上提供多種類型的服務，向下互連多種不同類型的網絡，形成漏斗形狀，網絡的沙漏模型如圖1所示。那么，這在Internet中是如何實現的呢？采用的方法是將IP層做得“很薄”，在相對低的IP層提供功能盡可能簡單的服務，才能使得高層方便根據需要訂制各種不同目標和不同類型的服務。如果用“小蠻腰”進行比喻，那么學生就很容易記住和掌握網絡設計的這2個目的。

當前的網絡有哪些不足呢？最大的問題莫過于計費和安全。由于網絡在設計之初就是為了魯棒性，把計費的優先級排在最后，而對于安全問題則根本沒有考慮。最合理的計費方式是根據流量計費，因為實際的流量在某種程度上反映對網絡資源的占用量，但目前的技術條件很難把某個用戶所用的實際流量計算出來，因為目前的流量還包括廣播重傳等多項流量。Internet的開放性和可擴展性也導致諸多安全隱患，如為了方便主機接入網絡，IP頭部信息不需確認、IP源地址可以偽造等。

對于某些安全隱患問題，我們則需要將Intemet多個設計目標相結合才能回答。例如，有了以太網的MAC地址，為什么還需要設置IP地址？我們可以先了解當時網絡設計的首要目標，即要把不同的底層網絡互連，特別是在以前，以太網沒有今天這么普及，還有ATM和幀中繼網絡等，即便是現在，也還有FDDI、無線局域網等多種局域網技術，僅有以太網的MAC地址無法實現網絡互連。另外，Intemet設計還要求連網簡單，用附加的IP地址更易于設備的移動和維修，如一臺主機從一個網絡移動到另一個網絡無需更換網卡，只需重新設定IP地址。最后，IP地址與實際網絡拓撲相關，是有層次的，可以高效路由，而MAC地址則是廠家在出廠時設定，與實際網絡拓撲無關，在查找路由時擴展性較差。

還有一些內容，教師在講述時不僅要關注知識點本身，還應該通過啟發的方式把知識點蘊含的本質展現給學生。例如，講完局域網的拓撲結構后，學生一般都會記住以太網是總線型結構，可是學生發現多臺主機通過網線接入集線器/交換機，從物理外觀上看是星型結構。這里教師就要讓學生明白總線型網絡的本質是數據幀可以在總線上廣播，總線上的所有終端都可以接收到數據幀，而星型網絡的本質是數據幀需要通過中心設備轉發，因此通過集線器互連的多臺機器與傳統的同軸電纜以太網都是總線型結構，而通過具有自動尋址功能（轉發到指定端口）的交換機互連的雙絞線以太網則是星型結構。

學生容易區分TCP與UDP，前者是可靠面向連接的，而后者不可靠無連接的。然而，同是不可靠無連接的協議，還有必要在IP層之上構建UDP協議么？二者的本質區別在哪里呢？教師可以通過學生的日常計算機應用解釋這個問題：相同的收發端，它們的IP相同，但可能運行多個進程，不同的進程需要不同的端口號，因此需要在IP之上構造UDP以表示不同的進程，這是網絡層與傳輸層的本質區別。

2、啟發式教學在研究領域的應用

計算機網絡本身也在時刻發生變化，教師在講課時必須融入一些新的研究成果和方向，才能激發學生的學習興趣，使學生對網絡的應用和發展有更清楚的了解。例如，教師在講述TCP的擁塞控制算法時，往往會提到慢啟動、擁塞避免、快速重傳與快速恢復4個步驟，并指出其中的慢啟動并非真正意義的慢啟動，在RTT時間內，擁塞窗口是以指數規模增加的。然而，擁塞算法是在80年代提出的，那時網絡帶寬都很窄，即便是指數級的擁塞窗口快速增長，在今天網絡帶寬很大的情況下也并不適合。

教師可以通過計算讓學生認識到這一點，對于1Mbps的帶寬，假設RTT=200ms，慢啟動方式下，每個分組1KB字節，需要多少時間才能達到1Mbps的帶寬？結果是慢啟動方式要花費2秒才能使實際流量接近網絡提供的帶寬。學生通過計算結果明確在延遲帶寬積較大的情況下，慢啟動算法導致帶寬的利用率很低，從而意識到不必“神化”已有的算法，任何問題的解決方案都不是完美的，都有一定的時代背景與前提，而研究的切入點也往往在此。

教師在講課時可以穿插一些對流行軟件的分析，以提高學生的學習興趣。例如，學生或多或少都會用到QQ或MSN等即時通信軟件，傳文件時普遍感覺MSN要慢于QQ，那么這是什么原因呢？教師在提示學生QQ大多數采用UDP傳輸文件，而MSN采用TCP傳輸文件后，有的學生提出TCP實現可靠傳輸需有3次握手以建立連接，導致MSN速度較慢。在學生給出并非準確的答案之后，教師不能立即否定學生的答案，否則會打消學生的積極性，而是要在鼓勵學生和肯定答案正確的一面后，再指出答案的不足之處：商業化的產品不可能不考慮文件傳輸的可靠性，這種可靠性在應用層實現，這樣可以減小完全用TCP帶來的傳輸開銷，3次握手只是開始建立連接時需要，并非貫穿整個傳輸過程，所以不是主要原因。根本原因是一方面UDP容易穿越NAT，收發雙方直接傳送文件，不像MSN需要服務器的中轉；另一方面，網絡擁塞時TCP會減小擁塞窗口，而UDP則不會，這就引出擁塞控制的公平性問題。

又例如，在應用層如何實現高速下載？有多個TCP流的方法，如以前的網絡螞蟻，也有P2P的方式，如BT與電驢。另外，還可以就P2P的傳輸原理、P2P與ISP之間的矛盾設置等問題繼續啟發學生。這樣，在一問一答中不僅拓展學生的發散性思維，而且鍛煉學生分析問題的能力。

3、結語

計算機網絡是計算機發展和通信技術緊密結合并不斷發展的一門學科。從科研角度看，一般研究問題都分為提出問題、選擇解決問題的方法、給出最終的解決思路這幾部分內容，而目前計算機網絡的相關教科書幾乎都只涉及最后一部分內容，即計算機網絡研究的最終成果，對于形成原因及發展過程并沒有涉及。掌握計算機網絡發展的歷史，可以令我們更深層次地了解如今網絡現狀產生的原因，還能幫助我們推測未來網絡的發展方向，對當前的網絡與協議優化也有一定指導作用。

我們把課程的重點放在“為什么這樣設計網絡”，將網絡看成是交互式的復雜系統，在每個話題開始前都向學生提出一些啟發式問題，引導學生用學到的知識解決實際問題，最后再由因及果地講述當今網絡系統的現狀；啟發學生自主思考，同時生動地再現計算機網絡技術的發展過程，使學生不僅知其然還知其所以然。這樣，學生才不會因為時間流逝而忘掉學到的網絡技術知識，同時也提高了實際應用能力和獨立解決問題的能力。