黃傳河

摘要：針對研究性大學計算機類專業(yè)的培養(yǎng)目標和定位，提出問題導向的計算機網(wǎng)絡課程內容體系，即以構造性思維代替解析性思維，引導學生面向問題，從需求出發(fā)，一步一步地設計網(wǎng)絡的相關構件和要素，構造出滿足應用要求的計算機網(wǎng)絡，以培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維。

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；問題導向；構造性思維

引 言

計算機網(wǎng)絡是計算機類專業(yè)的基礎性課程，所有學生都要學習。設有計算機類專業(yè)的學校眾多，學生數(shù)量龐大，教師顯然不應該按照相同的教學內容和教學模式組織課程教學，而應區(qū)分學校類別和培養(yǎng)目標，安排不同的課程內容和教學方法。例如，“珠峰計劃”（國家基礎學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃的簡稱）是教育部出臺的一項旨在培育21世紀科壇頂尖人才的培養(yǎng)計劃，目前共有10所高水平研究型大學人選。該計劃首先從數(shù)學、物理、化學、生物、計算機5個基礎學科開始試驗，每年動態(tài)選拔特別優(yōu)秀的學生，配備一流師資，提供一流的學習條件，創(chuàng)新培養(yǎng)方式，營造一流學術環(huán)境與氛圍，構筑基礎科學拔尖人才培養(yǎng)的專門通道，努力使受該計劃支持的學生成長為相關基礎科學領域的領軍人物。對該類學生采用傳統(tǒng)的方式組織教學，其負面效果顯而易見。

傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡課程主要以解析性方式設置課程內容和教學模式，其主要內容一般按網(wǎng)絡體系結構的層次進行組織，分別介紹每層的功能及主要原理、方法、技術。從底層（物理層）開始的稱為自底向上方式，從頂層（應用層）開始的稱為自頂向下方式。該模式方便學生了解網(wǎng)絡內部原理，但不利于學生從系統(tǒng)級了解網(wǎng)絡，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維。

1 傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡課程教學內容與教學方法

常規(guī)的計算機網(wǎng)絡課程教學思路基本上是對現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡進行分解，然后分別介紹每一部分的原理和實現(xiàn)技術。課程內容有兩種主要的組織方式：第一種以體系結構為主線，將網(wǎng)絡分成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層等層次（早期的7層模型現(xiàn)在已經(jīng)不再采用），介紹各層的功能、實現(xiàn)方法以及各層之間的關系，是對網(wǎng)絡進行縱向切分的解析，根據(jù)內容先后順序的不同分為自頂向下和自底向上兩種模式；第二種是以網(wǎng)絡的組成要素為主線，網(wǎng)絡的主要要素有通信介質、網(wǎng)卡、交換機、路由器、服務器、通信協(xié)議、網(wǎng)絡應用與軟件等，分別介紹各要素的功能和實現(xiàn)技術，是對網(wǎng)絡進行橫向切分的解析。

從微觀上看，兩種體系各有優(yōu)缺點。層次結構模式便于學生了解局部的知識點，但容易使學生陷入只見樹木不見森林的狀態(tài)，不便于學生了解網(wǎng)絡的總體構成和工作流程。要素模式更便于學生從應用和直觀的角度了解網(wǎng)絡的構成、工作原理和工作過程，但某些要素太復雜，需要穿插介紹多方面的知識，不便于組織教學內容，因此為方便教學，教師在實踐中通常將二肯融合。

從宏觀上看，兩種體系存在共同的缺點，就是注重對現(xiàn)有網(wǎng)絡的分解和對現(xiàn)有原理、知識、技術的傳授，對學生系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維的訓練不足。針對傳統(tǒng)的內容體系，教學方法也相對單調，通常是按層次和模塊逐一介紹功能、原理、算法、協(xié)議，敘事型講授，易出現(xiàn)枯燥的情況。

2 面向研究瓔教學的計算機網(wǎng)絡課程內容與教學方法

2.1 問題導向型教學內容體系的構建

教師可按照構造型模式，從應用需求出發(fā)，明確計算機網(wǎng)絡的每一項任務，據(jù)此探討其實現(xiàn)原理和重要的實現(xiàn)方法。為此，教師可以將計算機網(wǎng)絡課程的內容組織成如下幾個部分并按步驟依次推進。

第1步：網(wǎng)絡要滿足的條件和目標是什么？其主要問題和任務可細化為：

計算機網(wǎng)絡應滿足的應用需求（即設計計算機網(wǎng)絡的前提）是什么？

設計計算機網(wǎng)絡的技術條件（即應滿足的連通性條件、網(wǎng)絡拓撲條件、數(shù)據(jù)傳輸條件、通信模型）及其限制性因素有哪些？

計算機網(wǎng)絡提供的服務模型是什么？

設汁計算機網(wǎng)絡可采用的方法論（即網(wǎng)絡體系結構模型）有哪些？

支撐計算機網(wǎng)絡有效工作的軟件、硬件應滿足的條件是什么？

可用于計算機網(wǎng)絡設計的主要素材（軟、硬件）有哪些？

評價計算機網(wǎng)絡優(yōu)劣的主要性能指標有哪些？

第2步：怎么把獨立的計算機連接成簡單的網(wǎng)絡？其主要問題和任務可細化為：

可用的傳輸介質有哪些？其性能及適用條件是什么？

保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)闹饕夹g措施有哪些（編碼、組幀、檢錯、糾錯、可靠性傳輸機制、介質訪問控制）？

可用的簡單組網(wǎng)形式有哪些（點到點連接、多路訪問、無線廣播等）？其特點及適用條件是什么？

第3步：怎么把小網(wǎng)絡互聯(lián)起來組成大網(wǎng)絡？其主要問題和任務可細化為：

將小網(wǎng)絡連接組成大網(wǎng)絡的方法有哪些？設計什么樣的設備可以完成網(wǎng)絡互聯(lián)的功能？

實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議應具備的功能及其實現(xiàn)技術有哪些？協(xié)議設計過程是什么？

路由的功能是什么？怎么設計路由協(xié)議？

通用互聯(lián)設備應具有何種結構？怎么設計滿足性能要求的互聯(lián)設備？

阻礙網(wǎng)絡可擴展的因素有哪些？解決途徑有哪些？

實現(xiàn)全球互聯(lián)需要具有的基礎性條件是什么（包括DNS，DHCP功能等）？

實現(xiàn)組播、P2P等不同應用可采用的方法和技術有哪些？

保證QoS的措施有哪些？提高網(wǎng)絡性能的方法有哪些？

方便用戶使用網(wǎng)絡的關鍵軟件（如瀏覽器）應如何設計？

移動通信給網(wǎng)絡帶來的問題及其解決方案有哪些？

第4步：應設計什么樣的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以保證傳輸?shù)目煽啃院驼_性？其主要問題和任務可細化為：

如何設計并實現(xiàn)一個可靠性要求高的通川傳輸協(xié)議（如TCP）？

如何設計并實現(xiàn)一個可靠性要求不很高但簡單高效的通用傳輸協(xié)議（如UDP）？

如何設計并實現(xiàn)一個滿足特定需求的傳輸協(xié)議（如多媒體傳輸）？

協(xié)議的驗證、測試、評估方法有哪些？

第5步：怎樣設計網(wǎng)絡資源分配與網(wǎng)絡管理策略以有效使用資源？其主要問題和任務可細化為：

計算機網(wǎng)絡可采用哪些資源分配模型與方法？

用于評測計算機網(wǎng)絡資源利用與性能的方法有哪些（如排隊能、網(wǎng)絡流、多商品流）？

網(wǎng)絡擁塞控制的方法和技術有哪些？

計算機網(wǎng)絡管理的任務、目標、模型是什么？

怎么設計一個的計算機網(wǎng)絡管理系統(tǒng)？

怎么設計網(wǎng)絡內部信息的組織方式和表示格式？

第6步：可設計哪些公共服務以方便網(wǎng)絡應用的設計？其主要問題和任務可細化為：

支持傳統(tǒng)應用（如Web、郵件、文件下載）的公共服務及協(xié)議怎么設計？

支持新型應用（如網(wǎng)絡即時通信、網(wǎng)絡電話、交互電視、網(wǎng)絡游戲）的公共服務及協(xié)議怎么設計？

支持安全敏感型應用（如電子商務、銀行業(yè)務）的公共服務及協(xié)議怎么設計？

第7步：可設計哪些網(wǎng)絡安全機制以加強網(wǎng)絡安全？其主要問題和任務可細化為：

網(wǎng)絡的不安全因素及攻擊手段有哪些？

實現(xiàn)網(wǎng)絡安全的主要技術有哪些？

設計一個安全協(xié)議的條件和構成要素是什么？如何設計一個安全的協(xié)議？

第8步：未來網(wǎng)絡可能的形態(tài)和技術有哪些？其主要問題和任務可細化為：

現(xiàn)在網(wǎng)絡存在的主要問題是什么？

未來的網(wǎng)絡將是怎樣的？其主要原理和技術是什么（如人機物一體化/物聯(lián)化、DTN、攜帶一轉發(fā)、存儲一計算一轉發(fā)、SDN、內容路由與轉發(fā)）？

各國關于未來Internet的研究計劃及主要內容有哪些？

2.2 問題導向型教學方法的探索

對每一項教學內容，上述問題都很大，難以用很小的篇幅在很短的時間內回答清楚。為便于教學的實施，教師應對每項內容細化為可解答的、具體而明確的小問題，以方便探索解決方案。我們以第2步中的前兩項為例，說明其細化過程及細化后的小任務或問題。

1）傳輸介質及其性能、適用條件。

介質的形態(tài)：有線介質、無線介質。

介質的頻譜特性：允許傳輸信號的頻率。

典型介質及其特性：雙絞線（UTP、STP）、同軸電纜、光纖（單模、多模）、電力線、無線電、微波、紅外、無線光波。

介質的傳輸能力與數(shù)據(jù)率：Nyquist準則、Shannon定理；帶寬與數(shù)據(jù)率的關系。

介質的連接方式與適用條件：點一點（串聯(lián)型）、多點（并聯(lián)型）、廣播型。

2）保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)闹饕夹g措施。

信號的形式：數(shù)字信號、模擬信號。

信號的時域與頻域特征：時間函數(shù)、頻率函數(shù)。

信號頻譜：多頻率構成。

數(shù)據(jù)與信號的關系：靜止形態(tài)與傳輸形態(tài)。

傳輸形式：數(shù)字傳輸與模擬傳輸、基帶傳輸與頻帶傳輸。

數(shù)據(jù)到信號的變換方式：調制與編碼、數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號、數(shù)字數(shù)據(jù)調制為模擬信號、模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號、模擬數(shù)據(jù)調制為模擬信號。

調制與編碼的性能：效率與帶寬。

無線信號的重要調制方式：擴頻、OFDM。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞剑喊磶瑐鬏敗?/p>

數(shù)據(jù)成幀的方法：字符型（字符界定型、字符計數(shù)型）、位串型（HDLC、PPP、802.3等）、時問同步型（SDH）。

檢錯方法：CRC。

糾錯方法：ARQ。

幀的可靠傳輸機制：停止一等待、滑動窗口（全部重傳、部分重傳、選擇重傳）、效率分析。

介質訪問控制：ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA、令牌、性能分析。

典型例子：以太網(wǎng)（10M、100M、1G、10G以太網(wǎng)原理及技術）。

多信道與廣播信道：并發(fā)信道、多路訪問。

典型例子：Wi-Fi。

其他無線傳輸技術：藍牙、3G/4G/WiMAX。

通過分解成以上的小任務或問題，學生能夠比較容易尋找到解決方案?；诖?，教師在教學中可鼓勵學生以開放性的思維尋找每個小問題的解決方案，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新型思維習慣。

2.3 探究式教學過程的組織

教學過程的有效組織是保證教學效果的重要環(huán)節(jié)。通過將小任務/問題按邏輯關系組成問題鏈，使其環(huán)環(huán)相扣，一個問題的解決方案成為F一個任務的前提，這種遞進式的求解過程可以使學生一直處于提出問題、分析問題、解決問題的循環(huán)過程中，其分析和解決問題的能乃、運用創(chuàng)新性思維的習慣得以逐步養(yǎng)成，思維能力得到提高。通過這樣的教學訓練，學生不再拘泥于背誦知識點和應付枯燥的試題，而是以開放的思維尋求現(xiàn)實問題的解決途徑，教師對學生的評價也不冉是以知識題的分數(shù)為主要標準。

3 動手能力的訓練

由于時間的限制，無法安排太多課程實驗內容，教師可根據(jù)具體情況，安排3個層次的實驗

第1層次：學會應用。主要是對網(wǎng)絡的基本構成元素如傳輸介質、交換機、路由器等的安裝、配置、測試，借助網(wǎng)絡協(xié)議分析儀了解、分析數(shù)據(jù)的傳輸過程。

第2層次：簡單實現(xiàn)。利用一些開源的模塊，對已有的某個簡單協(xié)議或算法如等待一重傳算法、部分重傳算法進行編程實現(xiàn)，并測試其效果

第3層次：設計并實現(xiàn)一項新功能，，例如，教師可要求設計一個基于距離向量算法且可避免無窮計算的改進路由算法并編程實現(xiàn)，在仿真系統(tǒng)上進行測試、評估；或者要求針對SDN設汁一個路由算法，并利用OpenDaylight等開源平臺編程實現(xiàn)、測試、評估。通過上述實驗，教師可進一步鍛煉學生的實際能力。

4 結語

對計算機網(wǎng)絡課程進行改造，以問題導向和系統(tǒng)建構模式組織內容體系，以探究式演繹推進教學過程，避免以解析式模式一個一個地講解知識點，有利于調動學生積極思考并尋求新的解決方案，但該教學方式通常在學生很多的大課堂上實施效果受到限制，對以考試為日的的學生不適用，因此其過程組織還需要進一步精細化