計算機網絡“自上而下”和“自下而上”兩種教學方法比較分析

林海　朱衛平　謝榕

摘 要：比較和分析兩種不同的教學方法對提高計算機網絡教學質量的意義，分別從整體和局部、興趣的激發、難易程度、對工程思維的培養以及具體的知識點5個方面對這兩種教學方法進行闡述，并針對兩種教學方法的不同特點，給出相關的教學建議。

關鍵詞：計算機網絡；整體和局部；興趣的激發；工程思維

0 引 言

計算機網絡課程是計算機相關專業的基礎課程，了解和掌握計算機網絡知識、培養工程思維和創新能力對計算機專業學生有著重要意義。特別是在國家大力提倡互聯網+戰略、物聯網如火如荼發展的今天，計算機網絡教學尤其重要，而一種好的計算機網絡教學方法不僅可以讓學生掌握相關知識，同時又能培養創新意識和創新能力[1]，使其成長為符合時代需求的人才。

因計算機網絡的分層結構，目前計算機網絡教學也是按照這種層次結構進行的，但計算機網絡教學有其特殊性，即可以從網絡的最上層開始講解，依次到最下層，其授課順序為：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層，我們稱之為“自上而下”的教學方法；或者相反，從物理層開始講解，然后鏈路層、網絡層、傳輸層再應用層，我們稱之為“自下而上”的教學方法。事實上，計算機網絡最著名的兩本教材分別采用了其中的一種方法，由James F. Kurose和Keith W. Ross主編的《計算機網絡：自頂向下方法》[2]采用了“自上而下”的方法；而由Andrew S. Tanenbaum和David J. Wetherall主編的《計算機網絡》[3]采用了“自下而上”的方法。

這兩種方法的比較和分析對計算機網絡教學有重要意義，只有了解這兩種教學方法的特點，才能針對不同的學生選擇相應的教學方法，并在教學過程中充分發揮相應教學方法的特點，從而提供計算機網絡教學質量。

1 局部和整體

“自上而下”的教學方法從應用層和傳輸層開始講解，前者主要涉及客戶端、服務器的關系或者對等點（peer to peer）的關系，對網絡而言是整體的關系。同樣，傳輸層涉及的也是網絡上兩個終端節點之間的通信問題，所以也是基于網絡的整體結構；而網絡的底層（如鏈路層），主要涉及兩個可以直接通信的節點的通信問題，也就是針對網絡的局部。因此，“自上而下”的教學方法可以認為是從網絡的整體到局部的講解方法，而“自下而上”的教學方法則是從網絡的局部到整體的講解方法。

通常認為，從“局部到整體”是一個循序漸進的過程，這種方法使學生更能容易掌握所學知識，但另外一種觀點認為這種教學方法不能很好地激發學生的學習興趣和欲望，從而讓學習成為一種被動的接受；相反，“從整體到局部” 的教學思想強調目的性， 先搭建起為完成項目任務所需的知識骨架， 再順著骨架分別伸向枝節各部分，這種教學思想符合一般人做事的“目的”性原則，所以更能激發學生學習的興趣[4]。

從實際教學分析，“從整體到局部”確實起到快速激發學生興趣的目的，例如，在講解TCP的擁塞控制，按照“自上而下”方法授課的學生，會自然地將TCP的擁塞控制和具體的應用聯系起來，思考某個具體的應用在TCP擁塞控制的機制下的行為方式。“自下而上”授課的學生，因還沒有學習應用層，所以無法與相應的應用場景進行關聯，學習相對枯燥，但同時，“自下而上”教學方法使學生對基礎知識的掌握相對要更牢固，這也是“從局部到整體”這種循序漸進的教學方法的優勢所在。

通過對不同程度的學生的教學進行分析可以發現，“自上而下”的教學方法更適合程度相對較高的學生，通過這種“從整體到局部”的講解，使他們更容易激發興趣，加深對所學知識的思考、理解；而“自下而上”的教學方法更適合程度相對較低的學生，使他們更容易掌握基礎知識。武漢大學國際軟件學院在給本學院的留學生（程度相對較低）講授計算機網絡課程時，通常采用“自下而上”的教學方法。

2 興趣的激發

興趣在教學中有著重要意義和地位，興趣是學生求知的內在動力和愉快學習的誘因；興趣是牢固掌握知識和深入理解知識的保障；興趣能維持長久注意，保持學習熱情。另外，興趣具有德育價值，是促進個性全面發展的要素，也能推動自我終身學習，對成功成才具有特殊意義[5]，所以對哪種方法更適合激發興趣的分析有著重要的意義。

“自上而下”的教學方法從應用層切入，如Web（HTTP）、郵件、域名轉換（DNS）等，大多數學生之前已經使用過這些應用，但他們的認識大多停留在應用層面，卻不知道這些應用背后的原理。通過應用層內容的學習后，學生會有一種豁然開朗的感覺，能快速激發興趣。例如，平時學生都會用一些P2P軟件（如BitTorrent），對于P2P軟件的下載速度為何會遠遠快于通常的下載方式，以及用戶是如何找到不同的下載方式的，學生帶著這些疑惑來課堂，而通過P2P知識的學習能解開這些疑惑，極大地激發學習興趣。“自下而上”這種教學方法從物理層、鏈路層的內容開始講解，涉及的更多是理論原理方面的知識，如物理層主要講解數據通信的理論基礎、數字的調制解調等，而鏈路層主要講解流量控制、差錯控制等，這些內容相比于應用層的具體應用，略顯枯燥，無法迅速激發學生的興趣。

3 難易程度

計算機網絡的一個重要知識點是數據傳輸，而這個知識點是貫穿網絡各個層的。“自上而下”先從整體上講解數據傳輸，即終端到終端的數據傳輸（應用層、傳輸層），再描述數據是如何在網絡中轉發的（網絡層），之后描述從直接相連的兩個節點的傳輸（鏈路層），可以歸納為數據傳輸的講解是從全局到局部的一個過程；而“自下而上”的教學方法先講解點到點的傳輸（鏈路層），而后是網絡的數據轉發（網絡層），最后端到端的數據傳輸（傳輸層、應用層），可以歸納為數據傳輸的講解是從局部到全局的一個過程。從這個知識點來比較，“自上而下”的教學方法要求相對更高，它要求一開始就要站在全局的角度來理解具體的技術架構；而“自下而上”的教學方法從最容易理解的兩個直接相連的節點之間傳輸開始講起，所以難度相對較小。

網絡的各層都是通過調用其下一層的功能來實現自身的功能，即每一個協議層的講解必然會涉及下層的內容。“自下而上”因先講授下層的知識，后學習上面層的知識，所以在學習涉及下層內容的時候，學生已經掌握相關知識，講授就順理成章。相反，“自上而下”的教學方法在講授網絡各層的時候，學生并未掌握相關的下層內容，講授難度增加。例如，在講解應用層的時候，必然會講解Socket的調用，而Socket是傳輸層將其功能提供給應用層的一個接口，通常傳輸層會提供兩個協議UDP和TCP，所以會提供兩個不同的Socket。“自上而下”的方法就要求教師在學生還沒有學過UDP和TCP的情況下，通過通俗易懂的方式來描述兩種不同協議對應的Socket，這無論對教師還是學生，都有一定難度。

傳輸層和鏈路層在計算機網絡里是兩個非常相似的層，它們實現著部分相同的功能：如流量控制、可靠性傳輸、差錯檢測等。“自上而下”先講授傳輸層，而“自下而上”先講授鏈路層，這造成了流量控制、可靠性傳輸、差錯監測等內容通過不同的層來講解，即“自上而下”在傳輸層講授，而“自下而上”在鏈路層講授。從教學的實踐來看，通過鏈路層的講授更容易使學生接受，因為鏈路層針對的是兩個可以直接通信的節點之間的傳輸，比較形象直觀，比學生通過在這種傳輸的模型下理解流量控制、可靠性傳輸、差錯檢測等概念相對較容易。

4 知識點的比較

4.1 可靠性傳輸

“可靠性傳輸”是計算機網絡非常重要的一個知識點。“自上而下”和“自下而上”兩種方法都是通過循序漸進的方式來學習這個知識點，即先假設信道是非常完美的，之后信道是可產生錯誤的，最后信道是可造成數據丟失的，在這些不同的條件下如何來實現“可靠性傳輸”。循序漸進的方式讓學生容易理解“可靠性傳輸”的原理，所以兩種方法都能實現很好的教學效果。這里有個小差別是“信道假設”，對于“自下而上”這種方法來說，因為已經通過物理層了解“信道”的概念，所以這種假設容易理解；而對于“自上而下”的學生來說，還沒有學過“信道”，不好理解。更重要的一點是，傳輸層是處理終端到終端的傳輸，實際上不涉及“信道”，這里的“信道”更應該是一個抽象的意義，將從發送端到接收端的一個路徑抽象成“信道”。顯然這種抽象的“信道”會對學生的理解造成一定的困難。

“可靠性傳輸”有三種機制：停等式、回退n和選擇重傳。有趣的是在實際中，停等式應用在Wi-Fi網絡，也就是鏈路層的內容，而回退n和選擇重傳應用在TCP中，也就是傳輸層的內容。而在實際教學中，為了保持“可靠性傳輸”講解的完整性，這些內容是同時講解的。那么在哪個層講解這些內容更適合？我們傾向于在傳輸層中講解“可靠性傳輸”（即對應“自上而下”的教學方法），因為要理解回退n和選擇重傳這兩種機制，需要基于數據并不是按順序到達這一條件，但鏈路層是點對點的傳輸，數據通常是按順序到達的，所以實際上并不滿足這個條件，這造成了在鏈路層講解“可靠性傳輸”容易讓學生產生疑惑。

4.2 MAC層的比較

“自上而下”和“自下而上”這兩本教材關于MAC層的差別是：“自下而上”將MAC獨立成一章節講解，而“自下而上”并沒有獨立出來，放在鏈路層講解。盡管MAC屬于鏈路層的一個子層，但我們更傾向于將其獨立出來講解，這是因為雖然作為子層，但MAC層更加重要，只有對MAC層理解了才能真正理解鏈路層，如只有對MAC層的信道接入協議CSMA/CD和CSMA/CA的深度理解才能真正理解以太網和Wi-Fi網絡。因獨立成章，“自上而下”教學方法將以太網和無線網絡都包括在MAC章節，由此，CSMA/CD 和以太網、CSMA/CA 和無線網絡形成了一個統一的章節，有助于學生更好地比較、理解這些技術；而在“自上而下”的教學中，這些知識點分散在不同的章節，不利于學生進行系統地理解。

“自上而下”和“自下而上”兩種教學方法對MAC中的信道接入都是按照分類的方式來講解。稍微有點不同的是“自上而下”將其分為信道劃分（channel partitioning）、隨機接入（random access）和分配接入（taking turns）3種方式；而“自下而上”分為競爭方式（contention）、無沖突方式（collision-free）以及有限競爭（limited-contention）。其中隨機接入等同于競爭方式，而分配接入等同于無沖突方式。這種分類的講解對以后理解其他新的接入協議非常重要，有利于培養學生的自學能力。另外，兩者的講解都側重競爭方式（隨機接入），這也是非常合理的安排，因為競爭方法是目前計算機網絡采用的主要方式。

4.3 ARP協議的比較

ARP是地址解析協議，也就是將網絡層的地址（IP地址）解析成鏈路層的地址（MAC地址）。那么ARP到底應該屬于網絡層還是鏈路層，這也是一個有爭議的問題。顯而易見，要理解ARP協議，就必須先了解IP地址和MAC地址，這也是為什么“自上而下”將其放在鏈路層來講解，而不能放在網絡層來講解，因為在學習網絡層的時候，學生還沒有學習MAC地址。相反，“自下而上”將ARP放在網絡層講解，此時學生已經完成IP地址和MAC地址的學習，所以兩者都對ARP的學習做了非常好的處理。因限于篇幅，不再對其他的知識點進行比較，不過有興趣的讀者可以對連接服務、地址分析、路由等方面進行比較。

通過上面對3個知識點的分析，可得出這兩種教學方法各有特點，在教學的過程中需要充分發揮其優點以及彌補其缺點，從而有利于學生掌握知識。

5 對工程思維的培養。

計算機網絡是一門科學結合工程的學科，但計算機網絡課程因其基礎性和應用性，更多體現了一種工程性，所以如何通過計算機網絡課程培養學生的工程思維是教學的重點。工程過程是一個不可逆的過程，并且實踐性很強[6]，這就要求一個好的工程師要具有提出問題、分析問題和解決實踐方案的能力。不同于科學思維，工程思維強調將問題簡單化和標準化，只有簡單化和標準化的解決方案才能應用到實踐中去。

計算機網絡是培養學生工程思維非常好的一門課程。計算機網絡本身是一個非常復雜的事物，但因其分層化（分模塊），每層的復雜度顯著降低，且只有有著上下關系的層之間才有交互，而交互主要是簡單的數據傳遞，所以進一步降低了其復雜度。模塊的標準化和模塊之間交互的標準化，是使得計算機網絡能夠取得成功的一個重要原因。無論是“自上而下”還是“自下而上”的教學方法都體現了計算機網絡的分模塊化和標準化，所以這兩種方法都能非常好地培養學生的工程思維。所不同的是“自上而下”是站在整體的角度，對網絡從上而下的分割，最終完成對網絡的整體認識；而“自下而上”是從局部出發，對網絡進行從下而上的分割，最終也完成對網絡的整體認識，兩者有著異曲同工的作用。

參考文獻：

[1] 姚琳， 孫偉峰， 吳國偉， 等. 計算機網絡教學方法探討[J]. 計算機教育， 2011（19）： 70-73.

[2] Andrew S T， Davi J W. 計算機網絡[M]. 5版. 嚴偉， 潘愛民， 譯. 北京： 清華大學出版社， 2012.

[3] James F K， Keith W R. 計算機網絡： 自頂向下方法[M]. 6版. 陳鳴， 譯. 北京： 機械工業出版社， 2014.

[4] 梁啟勇.“從整體到局部”的思想在專業教學中的運用[J]. 交通職業教育， 2006（2）： 50-51.

[5] 郭戈. 關于興趣教學原則的若干思考[J]. 教育研究， 2012（3）： 119-124.

[6] 賈廣社， 曹麗. 工程師的工程思維培養[J]. 自然辯證法研究， 2008（6）： 71-75.

（編輯：郭田珍）