“計算機網絡”課程的趣味教學方法探討

張文哲

摘 要：大學“計算機網絡”課程講述了計算機網絡的基本工作原理，內容抽象而且理論性強，很難清楚講解和透徹理解，是計算機科學與技術大類本科生遇到的難點課程。文章結合大學教學改革需求，充分利用現實生活中常見的事物和現象，設計勒一種趣味教學法，將抽象晦澀的知識點類比作學生熟悉的事物，收到的較好的教學效果，以此作為傳統教學方式的有效補充。

關鍵詞：計算機網絡；類比；趣味教學；模型

“計算機網絡”課程屬于計算機科學與技術大類本科生的專業必修課。由于計算機網絡的普及，計算機網絡技術已成為計算機專業大學生以及從事計算機研究和應用人員必須掌握的重要知識。

本課程講述計算機網絡的基本概念與理論、計算機網絡的體系結構、各層網絡協議、局域網、網絡互聯、TCP/IP與Internet等，目的是使學生掌握計算機網絡的基本工作原理，培養學生對計算機網絡的分析、設計、組網與應用開發能力，并學會各種實用網絡技術，為今后開展這方面的工作打下基礎[1]。由于該課程理論內容抽象，學生通常很難及時理解接受，教學效果普遍不佳。為了提高“計算機網絡”大學課堂的教學效果和教學效率，保證教學質量，適應正在開展的大學教育教學體系改革，本文針對“計算機網絡”課程介紹一種趣味教學方法，該方法把抽象理論內容類比為現實生活中常見的事物，讓學生茅塞頓開，理解透徹，既方便了教師教學，尤其是抽象內容的講解，又有利于學生的深入理解與學習，不僅知道怎么做，而且知道為什么這么做，增強了課堂教學效果。

1 總體設計方案

首先，我們梳理“計算機網絡”的前導課程，查看學習計算機網絡前應該具備的知識。其次，羅列本課程的教學目標，最后通過課程結構和教學內容找到與教學目標的對應關系。

在開始學習“計算機網絡”課程之前，需要預先學習過若干專業基礎課[2]。前導課程包括：“計算機組成及系統結構”“微型計算機技術”“程序設計和操作系統原理”，學生通過上述課程的學習，應掌握計算機系統的基本硬件（包括接口）和軟件知識（包括設備驅動程序等），具備熟練的程序設計能力，了解操作系統中進程之間的通信機制，從而為“計算機網絡”課程的學習打下堅實的基礎。

通過本課程的學習，要求學生實現兩個教學目標[3]：（1）掌握計算機網絡的基本概念和基礎理論，具有一定的計算機網絡組網能力，學會利用各種實用網絡技術來解決復雜工程問題。（2）理解計算機網絡系統中的各種復雜因素和優化方法，為復雜工程問題設計結構簡單和性能較優的解決方案。

本課程的知識內容主要根據計算機網絡體系結構劃分為五大部分，教學環節包含理論授課和上機實驗兩部分。課程結構分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。具體的教學內容、教學環節和課程目標的對應關系如表1所示。

2 類比教學法

針對“計算機網絡”課程中若干重點知識難于講解、學生難于理解的問題，我們介紹一種趣味教學方法，一則化難點為容易講解與理解的內容，再則增加了趣味性，大大增強了學生的興趣，提高了教學效果。

2.1 體系結構

計算機網絡體系結構是整個“計算機網絡”課程的綱領與框架，充分理解和掌握體系結構的概念與原理是學好“計算機網絡”課程的前提和基礎。然而計算機網絡體系結構這一知識點很難清楚講解并透徹理解，是學生學習本課程遇到的第一個攔路虎。

計算機網絡體系結構是將網絡通信的過程劃分成相對獨立且按照層次結構排列的各個步驟，目的是便于網絡互聯和通信過程的標準化。計算機網絡體系結構為什么是分層模型？各個層次之間又是什么關系？這是教師學們難于理解的。為了讓學生不僅知道怎樣設計，而且知道為什么這樣設計，我們可以循循善誘，運用類比的方法。計算機網絡的實現是一個復雜的工程問題，為了解決好這個問題，我們需要把復雜問題分解為若干簡單問題，然后逐個解決它們。若干個簡單問題排列成層次結構，相互之間不是完全相互獨立的，而是下層向上次提供服務。因此，我們可以將計算機網絡體系結構類比成建房子用的設計圖，設計圖中下層向上層提供受力，上層基于下層的服務并實現自己的功能，支撐了整個房子的功能。

2.2 數據包的封裝

按照計算機網絡體系結構的設計，數據包為什么在各個層次之間都要加裝頭部甚至尾部，對于學生來說，這個知識點往往也是難于理解的。針對這個問題，教學過程中采用的方法是用實際生活中的例子來類比，例如把應用層報文的傳輸看成是一個包裹的運輸問題，那么傳輸層就是要確保包裹能可靠地到達目的地，網絡層就是包裹在不同轉運點的轉發，網絡接口層就是把包裹封裝在具體的運輸工具中進行運輸。這樣用類比的方法貫穿于教學過程中，學生就能夠形象地理解網絡體系結構中的若干難點問題，同時也賦予趣味，學習起來比較有興趣。

2.3 CSMA/CD

數據鏈路層的難點在于介質訪問控制協議CSMA/CD，學生要理解為什么在廣播信道的數據鏈路層中要使用訪問控制協議，有哪些控制方法，為什么CSMA/CD協議最有效。我們可以把這個問題類比為師生共享教室這個空間。所有師生使用了教室這個共享信道來講話，如果同時有多余兩個人講話，那么就會通信失敗。因此，遵守教學紀律是正常教學活動的保障。共享廣播信道的數據鏈路層也需要為多個站點設計一種紀律，這就是訪問控制協議。CSMA/CD允許大家有話就講，但前提是無人講話的時候，一旦沖突則立即停止，等待大家都沉默一段時間。在教學過程中通過這種類比的方法進行講解，學生就能夠豁然開朗，全方位地理解CSMA/CD的原理。

2.4 IP編址與NAT

網絡層的難點有兩個：（1）IP地址的編址方法，分類法、子網、超網和CIDR等，在教學過程中從不同角度來比較這些方法，分別列出它們的優點和適用范圍。（2）路由選擇方法，有路由信息協議（Routing Information Protocol，RIP）、開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）、邊界網關（Border Gateway，BG）等，在教學過程中通過圖例的方式來說明，抓住路由選擇的本質三要素，即將何種路由信息何時發給誰，加深學生對路由選擇算法的理解。IP編址為什么要全網唯一，可以類比為現實生活中的快遞郵寄包裹，只有地址唯一，才可以將包裹準確地郵寄到目的地。由于IPv4地址枯竭，啟用了私有地址，但私有地址訪問外網，需要網絡地址轉換網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT），可以理解為現實生活中換馬甲，只有換了馬甲才能在外網自由穿行，睡衣是不被允許的。這樣的類比學生很容易理解，而且從內心里激發了學生的興趣和進一步探索奧秘的動力。

2.5 擁塞控制

運輸層的難點是流量控制和擁塞控制的理解和掌握，它們的目的和方法是什么，兩種控制的差別和聯系是什么。在教學過程中首先從全局的角度搞清這兩種控制之間的本質差別，然后討論它們各自采用的策略，最后說明兩者之間存在一定的聯系。擁塞控制可以類比生活中的堵車現象，當車輛多到超出了城市道路的吞吐能力，就發生了堵車。堵車時，有現行、限牌和交警疏通管制等措施，擁塞控制也可以設計各種相應的抑制方法限制數據流入。

3 結語

“計算機網絡”是計算機科學與技術大類本科生的專業必修課，如何教學好這一課程一直是師生面臨的難題。本文介紹一種趣味教學方法，把該課程中若干難點問題類比作現實生活中常見的現象，既利于教師講解清楚，又幫助學生深入理解與掌握，在教學活動中取得了較好的教學效果。希望這一方法在本文中的介紹能拋磚引玉，以饗讀者。

[參考文獻]

[1]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2017.

[2]ANDREW S，TANENBAUM，DAVID J，et al.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，KUROSE，KEITH W，et al.計算機網絡[M].6版.陳鳴，譯.北京：機械工業出版社，2014.

Abstract：The computer network course describes the basic working principle of computer network. The content is abstract and theoretical， and it is difficult to explain clearly for teachers and thoroughly understand for students. It is a difficult course for undergraduates majoring in computer science and technology. This paper combines the needs of university teaching reform， makes full use of the common things and phenomena in real life， designs a fun teaching method， compares the abstract knowledge points to the familiar things of students， and receives better teaching effects. The method proposed is an effective complement to traditional teaching methods.

Key words：computer networks； analogy； interesting teaching； model