計算機網絡的關聯教學法

秦娜 劉宴濤

摘? 要： “計算機網絡”是計算機和電子信息等專業的基礎課。傳統的“計算機網絡”課程教學存在理論與實踐相脫節，教學內容封閉孤立的缺點。為此提出一種關聯教學法，把“計算機網絡”和其他課程相關聯，設計關聯案例，建立關聯案例集，并以三個關聯案例演示其實施過程。教學實踐證明關聯教學法有助于提高學生知識的廣度和深度，進而建立起立體化網狀知識體系。

關鍵詞： 計算機網絡； 關聯教學； 信號與系統； C語言程序設計

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2023）06-145-04

Correlative teaching method for computer networks

Qin Na1，2， Liu Yantao1

（1. College of Computer Science， Jiaying University， Meizhou， Guangdong 514015， China; 2. Graduate University of Mongolia）

Abstract： "Computer Networks" is a foundation course for the majors of computer and electronic information. Traditional teaching for "computer networks" is deficient in disconnecting theory and practice， and closed contents. To this end， a correlative teaching method is proposed， which connects "computer networks" with other courses by designing teaching cases and building a correlative set. Three teaching cases are presented to demonstrate the implementation of the method. Teaching practice shows that the correlative teaching method helps students develop the breadth and depth of knowledge and construct a cubic mesh knowledge architecture.

Key words： computer networks; correlative teaching; signals and systems; C programming

0 引言

“計算機網絡”是電氣類、電子信息類、自動化類、計算機類等專業的基礎課，具有鮮明的跨學科、跨專業的特點。現代社會已經進入“萬物互聯，無網不勝”的時代，互聯網必然融入新型產業格局中。

對于該課程的教學探索顯得十分重要。何止戈[1]將OBE（Outcome based Education）理念貫穿到“計算機網絡”教學的各個環節，建立了以產出為導向的“計算機網絡”教學體系。文獻[2-5]對“計算機網絡”課程提出不同角度的教學改革探討。黃寶琦[6]提出了一種任務驅動的教學思路，采用“以太網協議”的教學案例設計，按照問題、任務、思路、方案和總結的順序進行任務驅動教學優化設計。

1 計算機網絡教學存在的問題

綜合現有研究成果可以發現，國內的“計算機網絡”課程大多是采用面向協議的教學思路，基本上是分章節介紹分層協議的基本原理和工作過程，這種教學理念和教學安排經過實踐檢驗被證明是正確的，有利于幫助學生理解計算機網絡的精髓。但是，在具體教學大綱制訂和教學實施過程中突出存在著如下問題。

⑴ 理論與實踐相脫節

“計算機網絡”是一門理論與實踐緊密結合的課程。學生期望的學習方式是“你告訴我網絡是什么樣子，不如讓我看到網絡是什么樣子；你告訴我網絡如何運行，不如讓我控制網絡運行”。相對于基于PPT的說教式教學，學生更喜歡通過組網工程、網絡運行、程序設計等活動來學習。所以，為了改善該課程的學習效果，需要在理論教學之外，加入更多的程序設計和設備操作環節。

⑵ 封閉孤立式教學

專業與專業之間、課程與課程之間缺乏關聯教學是本科教育長期普遍存在的問題。現代科學體系的發展越來越呈現出鮮明的學科和專業交叉特征，高等教育也應該在不同專業、不同課程之間建立廣泛的知識關聯。然而，目前本科教育的現狀是各個專業之間、各門課程之間存在嚴重的藩籬，知識體系呈現明顯的“煙囪效應”，即各個專業、各門課程孤立封閉地制訂培養方案和教學大綱，不顧及與其他課程的內容交叉，導致學生無法透徹理解課程之間的知識關聯，無法建立立體化網狀知識體系。

這個問題在“計算機網絡”教學中也凸顯，現行的“計算機網絡”教學只講授本課程的內容，缺少與其他課程、理論、技術、行業的關聯。為了解決這個問題，需要“計算機網絡”的授課教師能夠廣泛關聯，旁征博引，縱向上既要關聯過去學過的知識，又要展望將來可能遇到的問題；橫向上既要和其他課程（比如信號與系統、交換、通信原理等）相關聯，又要和其他專業（通信工程、軟件工程等）、其他行業（物聯網、云計算等）相關聯。

2 計算機網絡的關聯教學法

為了促進“計算機網絡”與不同學科、不同專業和不同課程的交叉融合，擯棄為了講網絡而講網絡的傳統教學思想，拓展知識的廣度和深度，提高學生綜合素質，本文提出了一種“計算機網絡”的關聯教學法，基本思想是把計算機網絡與其他課程進行知識關聯，關鍵在于設計關聯教學案例，建立關聯案例集。關聯教學法的實施過程包括三步。

⑴ 設計關聯案例

關聯教學法的關鍵是發掘和設計“計算機網絡”和其他課程之間的關聯案例。這需要教師具有豐富的教學經驗和廣闊的專業知識，必須對本專業的知識體系非常熟悉，能找到關聯案例的切入點，并準確地洞悉學生的困惑所在。

⑵ 建立關聯案例集

以持續、開放、滾動、更新的方式建立計算機網絡和其他課程之間的關聯案例集，這是關聯教學法的主要工作。

⑶ 關聯教學實踐

應用關聯案例進行實踐教學，解析“計算機網絡”和其他課程知識點之間的關系。教學形式可以非常靈活，不必拘泥于課上教學，可以采用微課、講座、Brain Storming、Case Study等多種方式。這種靈活可說是松散的學習方式，更能激發學生的發散性思維和學習興趣，更適用于臨時性的、非系統教學的、針對比較小的知識點的、以啟發興趣和發現問題為主要目的的學習。

為了解釋和演示關聯教學法的本質和實施過程，下節通過三個關聯案例來說明如何在“計算機網絡”和其他課程之間建立知識關聯。

3 關聯案例

3.1 “計算機網絡”與“通信原理”相關聯

無線網絡以無線通信為基礎，無線信號的延時直接影響無線網絡的延時。理解信號延時的產生機理和本質屬性有助于學生理解通信收發信機的工作原理。為此，本文首先把“計算機網絡”與“通信原理”相關聯，詳細解釋信號延時的組成和產生原理。事實上，無論是有線通信還是無線通信，信號延時大致都是由以下三部分構成。

⑴ 收發信機的排隊和處理延時

這部分延時的構成比較復雜，包括①收發信機速率匹配造成的延時；②多用戶請求單發射機服務所需的排隊延時；③收發信機的信號處理延時；④網絡協議的工作延時；⑤交換機、路由器等中間設備帶來的排隊和處理延時，等等。由于這類延時的構成復雜多樣且與應用場景密切相關，需要具體問題具體分析，所以為了簡化問題和理清概念，本文不討論這部分延時。

⑵ 發信機的傳輸延時

發射機的傳輸速率是指發射機把比特進行脈沖成型并以電磁波的形式向傳輸媒介輻射出去的速率，即我們通常所說的比特率，其單位是bit/s，簡記為bps。比特率的倒數就是發射一個比特所需要的傳輸延時。

⑶ 信號在媒介中的傳播延時

傳播延時是指比特脈沖以電磁波的形式從發射機輻射出去后，在傳輸媒介中傳播所經歷的時間，該延時等于傳播距離除以電磁波在媒介中的傳播速度。

圖1展示出傳輸速率和傳播速率的關系，其中傳輸速率R是指比特從信源傳輸到天線的速率，與比特脈沖寬度成反比，傳播速率是比特脈沖在媒介中前行的速度，圖1中以光速示意，電纜和光纖中的傳播速率比光速低一些。在圖1中，以8個比特的比特串傳輸為例，從信源輸出到接收機收到所經歷的總延時為：

[t=8（bit）R（bps）+d（m）3*108（m/s）]? ? ? ⑴

明確傳輸延時和傳播延時的區別有助于學生理清數據比特在網絡中的處理流程，理解收發信機的工作原理，這一點在下一個案例中將得到進一步的詮釋。

3.2 “計算機網絡”與“信號與系統”相關聯

學生在學習光纖通信和光纖網絡時了解到光網絡的速率和容量比電網絡高出幾個數量級，但對于為什么光網絡的速率快、容量大卻缺乏透徹的理解。大多數學生錯誤地認為光信號在光纖中傳播的速率要高于電信號在電纜中傳播的速率。事實上，實驗得知光信號在光纖中的傳播速率約為20.5萬km/s，電磁波信號在銅線中的傳播速率約為23.1萬km/s，可見前者比后者還要慢一些。那么為什么光網絡的速率和容量要遠遠高于電網絡呢？本節將“計算機網絡”與“信號與系統”相關聯，對這一問題給予透徹的解釋。

“信號與系統”中學習的傅立葉變換將時域中的信號波形和頻域中的頻譜相互映射和計算。以圖2中寬度為τ的矩形脈沖x（t）為例，其傅立葉變換為X（f），頻譜的第一個過零點為1/τ，該參數也被稱為頻譜帶寬。圖2反映出時頻域的一個基本原理：時域脈寬和頻域帶寬成反比，脈寬越窄，帶寬越寬。“通信原理”課程講到光信號位于THz（1012Hz）頻段，電信號位于MHz（106Hz）頻段，前者的帶寬是后者的百萬倍，這就意味著光通信中脈沖的寬度可以做到電通信中脈沖的百萬分之一。因此，根據上一節的分析，盡管光脈沖的傳播速率略低于電脈沖的傳播速率，但光脈沖的傳輸速率遠遠高于電脈沖，脈沖寬度遠遠小于后者。因此總的速率光信號遠遠高于電信號，這就是為什么光通信的速率高、容量大的根本原因。

3.3 “計算機網絡”與“程序設計”相關聯

在“計算機網絡”課堂上，教師主要講授的是協議的工作原理，很少解釋協議的實現過程，讓學生有一種隔靴搔癢、知其然而不知其所以然的感覺。如果能夠在教學中介紹一些網絡協議的編程實現過程，讓學生觀察協議是如何解析和控制每個數據包和每個字段的，就能像拿著顯微鏡觀察生物實驗一樣，充分調動學生的學習興趣，極大地幫助學生理解協議的工作原理。

秦娜[7，8]曾提出了一種“計算機網絡”的仿真實驗方法，把“計算機網絡”和C語言程序設計相關聯。以圖3（a）為例，這是在OPNET網絡仿真環境中建立的一個無線網絡，4個無線節點以時分的方式輪流每4秒接入信道發射數據包，每次占用信道時隙1秒，在某個節點的時隙內其他節點只能接收數據，不能發送數據。節點協議棧如圖3（b）所示，其中source、sink是節點的信源和信宿，transmitter和receiver是無線收發信機。TDMA模塊實現時分接入功能，其進程模型的有限狀態機如圖4所示。就某個節點而言，如果當前時隙不是自己的時隙，則該節點的TDMA進程處于idle狀態，此時進程會收到兩類數據包：

如果收到來自其他節點發送的數據包，進程跳轉到Rec_PK狀態接收數據包并發送給sink模塊。如果收到本節點source模塊發來的數據包，則暫存起來等待自己時隙的到來，代碼如下（op開頭的函數是用C語言封裝的核心函數）。

PK=op_pk_get（op_intrpt_strm（））; //接收數據包

op_subq_pk_insert（0， PK， OPC_QPOS_TAIL）;

//把數據包插入隊列

此外，TDMA模塊設置定時中斷以4秒為周期重復進入Send_data狀態發送數據，代碼如下：

op_intrpt_schedule_self（op_sim_time（） + 4， TIMER）;

//以4秒為周期重復進入Send_data狀態

op_pk_send （pkptr， 0）; //把該數據包從空口發射出去

可見Send_data狀態實現了圖3（a）中4個節點每隔4秒接入信道發送數據包的功能。通過對Rec_PK和Send_data狀態的詮釋和C語言單步調試可以使學生明白協議進程是如何編程實現的，進程和進程之間是如何通信并協同工作的，從而，更透徹地理解協議的工作原理。

4 結束語

針對本科生在學習過程中對各門課程的知識缺乏融會貫通的問題，本文以“計算機網絡”為例提出了一種關聯教學法，其核心思想是在各門課程知識之間設計關聯案例并進行關聯教學。關聯教學法并不僅限于“計算機網絡”課程，各個專業、各門課程都可以引入關聯教學法，把知識點互相關聯，彼此詮釋。就“計算機網絡”而言，本文以“通信原理”、“信號與系統”、“C語言程序設計”為例演示了如何在各門課程之間建立關聯的設計過程，教學實踐證明該方法有助于學生透徹地理解知識的來龍去脈。未來研究中，可以在計算機網絡和排隊論、圖論、博弈論、組合數學、信息論等多門學科或課程之間進行交叉融合，設計關聯案例。為了強化關聯教學，教師在教學過程中應該打破學科和專業界限，廣泛聯系，融會貫通地加強各門課程之間的關聯度，提高對知識的理解度，拓展知識的廣度和深度，從而把本科生的專業知識體系從封閉隔離的“煙囪狀”變為立體化網格式的“山脈狀”，提高學生的綜合素質。

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