楊海清

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江·杭州 310023）

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代信息學(xué)科的一門基礎(chǔ)課程，在不少本科專業(yè)中作為一門專業(yè)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也為工程設(shè)計提供了重要方法論。譬如，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程開門見山就提出了層次化規(guī)劃方法，無論是 ISO/OSI協(xié)議體系還是TCP/IP協(xié)議體系都是層次化體系結(jié)構(gòu)的典范。然而，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)上往往側(cè)重于從理論上講解層次化體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和內(nèi)容，缺少從工程實(shí)踐上引導(dǎo)學(xué)生深入運(yùn)用層次化規(guī)劃理念和設(shè)計方法的條件，導(dǎo)致了不少學(xué)生認(rèn)知模糊，找不準(zhǔn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)。為了改變這種現(xiàn)狀，有必要深入開展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)改革，通過引入能促進(jìn)學(xué)生手腦聯(lián)動的實(shí)踐項目，激發(fā)學(xué)生把理論用起來，讓知識活起來，為深入開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動提供教學(xué)支撐。

1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的特點(diǎn)與存在的問題

概括起來講，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能的課程。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)既精致又復(fù)雜。精致在于其分層結(jié)構(gòu)，復(fù)雜在于其分層功能。而功能又離不開結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的教學(xué)上，存在兩種教學(xué)方式。以TCP/IP五層結(jié)構(gòu)為例。一種是自底向上教學(xué)法，沿著物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層先后順序，這種方式適合通信專業(yè)教學(xué)，因為通信專業(yè)有通信原理這門前導(dǎo)課。通信原理是物理層信號傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)。從物理層入門，比較適合通信專業(yè)前后課程銜接。另一種是自頂向下教學(xué)法，顧名思義就是從應(yīng)用層入門，沿著傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層的順序進(jìn)行教學(xué)。這種方式更適合一般專業(yè)教學(xué)安排，因為大學(xué)計算機(jī)教育就是從學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件開始的，從應(yīng)用層入門，能由生入熟，從易到難，符合教學(xué)認(rèn)知規(guī)律。我校電氣類專業(yè)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程就采用這種自頂向下的教學(xué)法，較好地解決了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系如何教學(xué)的問題。

課程教學(xué)難點(diǎn)主要集中在網(wǎng)絡(luò)功能教學(xué)上。網(wǎng)絡(luò)功能既體現(xiàn)在整體層次結(jié)構(gòu)上，也體現(xiàn)在分層上。每一層的功能是什么，如何實(shí)現(xiàn)其功能是教學(xué)的重點(diǎn)，如何讓學(xué)生學(xué)懂悟透則是教學(xué)的難點(diǎn)。譬如，學(xué)生常常困惑于IP地址與MAC地址的區(qū)別。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)的每一層都有尋址問題，但不同層的尋址概念卻各不相同。教學(xué)的作用在于幫助學(xué)生建立知識聯(lián)系途徑，將感與悟結(jié)合起來，做到水到渠成。理論與實(shí)踐不是對立的關(guān)系，而應(yīng)該是相輔相成的關(guān)系。課程學(xué)習(xí)既需要從理論到實(shí)踐的前向路徑，也需要從實(shí)踐回到理論的逆向路徑。如果在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中建構(gòu)起從實(shí)踐到理論的逆向路徑，與傳統(tǒng)課堂教學(xué)組成互補(bǔ)關(guān)系，不失為有益的教改探索。

2 引入智能小車對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的促進(jìn)作用

無人車作為未來交通科技發(fā)展的趨勢，得到業(yè)界廣泛關(guān)注。無人車的發(fā)展對學(xué)科發(fā)展具有重要的驅(qū)動作用。作為無人車的實(shí)驗替代品，智能小車因其體積小巧、功能配置靈活、適合學(xué)生參與等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到教育界的青睞。目前，智能小車又是全國大學(xué)生熱門競賽之一，有不少大學(xué)課程將智能小車作為本科生教學(xué)的實(shí)驗對象。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中引入智能小車可以發(fā)揮兩方面的促進(jìn)作用。一是加強(qiáng)了課程教學(xué)與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中引入智能小車，切入點(diǎn)在于智能小車與無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。而無線網(wǎng)絡(luò)正是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

二是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)層次化規(guī)劃設(shè)計方法的實(shí)踐性運(yùn)用。為了降低應(yīng)用TCP/IP協(xié)議技術(shù)門檻，工業(yè)界采取將傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議集成到操作系統(tǒng)，將鏈路層和物理層協(xié)議做到網(wǎng)絡(luò)接口芯片中的辦法。應(yīng)用層通過一種稱為socket套接字接口技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)，就像拿起話筒打電話一樣方便。從應(yīng)用角度來看，socket技術(shù)無疑有利于互聯(lián)網(wǎng)普及；但從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)來看，socket接口屏蔽了協(xié)議細(xì)節(jié)，弱化了網(wǎng)絡(luò)層次化理念。雖然智能小車的功能開發(fā)只是應(yīng)用層上的事，但是層次化規(guī)劃設(shè)計方法可以在智能小車平臺上得以運(yùn)用。譬如，智能小車的車向與車速控制、障礙測距與圖像感知、信息加工與處理、無線通信等功能開發(fā)，需要在層次化框架支撐下才能集成在一起，發(fā)揮整體功效。

3 基于智能小車平臺的網(wǎng)絡(luò)層次化規(guī)劃設(shè)計

基于智能小車平臺的網(wǎng)絡(luò)層次化規(guī)劃設(shè)計可以分成兩種模式。一種是在智能小車與包括主控機(jī)在內(nèi)的環(huán)境之間建立無線局域網(wǎng)，簡稱車—境模式；另一種是在多智能小車之間建立短距無線通信網(wǎng)絡(luò)，簡稱車—車模式。

3.1 車—境模式

車—境模式是指將智能小車安置在一個特定的軟硬件環(huán)境中，通過建立合適的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持智能小車與環(huán)境之間進(jìn)行信息交流。車—境模式的特點(diǎn)是只有小車在運(yùn)動，環(huán)境設(shè)施不動。為了簡化實(shí)驗復(fù)雜度，將智能小車運(yùn)動范圍限制在一個無線路由器的無線覆蓋范圍內(nèi)，以實(shí)驗室空間為限。圖1展示了無線局域網(wǎng)支撐下的智能小車與主控機(jī)之間的層次化功能模型。

圖1：車—境模式下的層次化功能模型

主控機(jī)和智能小車應(yīng)用層分別通過socket套接字接口與無線路由器建立 TCP/IP協(xié)議聯(lián)系。主控機(jī)和智能小車通過靜態(tài)或動態(tài)IP地址建立socket通信。實(shí)際上，這種車—境模式實(shí)現(xiàn)的就是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程TCP/IP五層協(xié)議結(jié)構(gòu)。但是，由于使用了socket套接字接口方式，TCP/IP協(xié)議被透明化，弱化了網(wǎng)絡(luò)層次化概念。因此，在實(shí)驗設(shè)計中，有意識地將主控機(jī)和智能小車應(yīng)用層內(nèi)的功能開發(fā)進(jìn)行層次化安排，如圖2所示。

圖2：應(yīng)用層功能開發(fā)的層次化安排

圖2左邊顯示主控機(jī)應(yīng)用層的功能子層劃分，從低到高依次為通信子層、處理子層和輸入輸出子層。通信子層包含WIFI收發(fā)功能，負(fù)責(zé)將上層發(fā)來的數(shù)據(jù)以socket套接字方式傳遞給下方的TCP/IP協(xié)議；處理子層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)加工處理；輸入輸出子層負(fù)責(zé)人機(jī)接口，將來自處理子層的數(shù)據(jù)以適當(dāng)方式展示給用戶，一般采用圖形化表達(dá)方式。

圖2右邊是智能小車應(yīng)用層功能子層劃分，分別對應(yīng)主控機(jī)應(yīng)用層的三個子層。通信子層包含WIFI收發(fā)功能，通過socket套接字接口將下方TCP/IP協(xié)議接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上方的處理子層；處理子層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理；輸入輸出子層負(fù)責(zé)對外接口處理，主要負(fù)責(zé)信息感知與運(yùn)動控制兩項任務(wù)。信息感知功能負(fù)責(zé)超聲波測距、視頻圖像采集等任務(wù)；運(yùn)動控制功能負(fù)責(zé)驅(qū)動小車左側(cè)輪和右側(cè)輪，車向和車速根據(jù)主控機(jī)發(fā)來的指令進(jìn)行PWM控制。

將應(yīng)用層劃分成三個子層，并與下方的TCP/IP協(xié)議一起組合成七層模型，較好地重現(xiàn)了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)構(gòu)。實(shí)驗設(shè)計中體現(xiàn)層次化規(guī)劃方法，有助于課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

3.2 車—車模式

車—車模式是指將智能小車安置在一個開放的軟硬件環(huán)境中，通過建立短距無線網(wǎng)絡(luò)，支持智能小車群體之間的信息交流。車—車模式的特點(diǎn)是小車節(jié)點(diǎn)在相互運(yùn)動，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳淮_定。筆者選擇nRF24L01無線模塊用于智能小車的無線數(shù)據(jù)通信。nRF24L01特點(diǎn)是1路信道發(fā)送，6路信道接收。為了簡化實(shí)驗設(shè)計，對nRF24L01無線通信僅用了1路發(fā)送和1路接收方式，而將多路接收功能開發(fā)作為學(xué)生興趣課題。小車運(yùn)動范圍以實(shí)驗室空間為限。圖3展示了多小車協(xié)同運(yùn)動系統(tǒng)的層次化功能模型。

圖3：車—車模式下的層次化功能模型

nRF24L01短距無線模塊提供鏈路層和物理層兩層通信協(xié)議（圖3）。在不需要網(wǎng)絡(luò)路由功能的場景下，兩層協(xié)議適合構(gòu)建小規(guī)模車聯(lián)局域網(wǎng)。如果車聯(lián)規(guī)模較大，當(dāng)小車距離超出短距無線覆蓋范圍時，就需要增設(shè)網(wǎng)絡(luò)層，采用類似多跳轉(zhuǎn)發(fā)的路由機(jī)制。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的難度較大，超出了本科計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)要求。因此，對于車—車模式下的網(wǎng)絡(luò)模式只采用單跳方式。與車—境模式類似，智能小車應(yīng)用層也分成三個子層。所不同的是，將車—境模式中的WiFi收發(fā)功能替換成短距無線收發(fā)。綜合起來看，車—車模式建立了五層網(wǎng)絡(luò)化功能架構(gòu)，也能較好地重現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次化結(jié)構(gòu)。

4 基于智能小車平臺的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗內(nèi)容創(chuàng)新設(shè)計

基于前述車—境模式和車—車模式提供的層次化架構(gòu)，我們設(shè)計了四個基本實(shí)驗。

實(shí)驗一：車—境模式下智能小車遙測遙控實(shí)驗。

該實(shí)驗的教學(xué)目的是掌握網(wǎng)絡(luò)層次化設(shè)計方法在車—境模式功能開發(fā)中的應(yīng)用。實(shí)驗任務(wù)是：（1）完成車—境模式主控機(jī)和智能小車網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)設(shè)計；（2）完成主控機(jī)和智能小車應(yīng)用層功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)主控機(jī)和智能小車簡單數(shù)據(jù)交換；（3）功能要求：智能小車定時超聲波測距并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)，主控機(jī)接收小車測距數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示，同時根據(jù)測距數(shù)值向智能小車發(fā)送車向車速指令。

實(shí)驗二：車—境模式下智能小車運(yùn)動圖像實(shí)時傳輸實(shí)驗。

該實(shí)驗的教學(xué)目的是掌握網(wǎng)絡(luò)層次化設(shè)計方法在車—境模式功能開發(fā)中的應(yīng)用。實(shí)驗任務(wù)是：（1）完成車—境模式主控機(jī)和智能小車網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)設(shè)計；（2）完成主控機(jī)和智能小車應(yīng)用層功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)智能小車向主控機(jī)傳輸視頻數(shù)據(jù)；（3）功能要求：智能小車定時采集視頻圖像，并發(fā)送給主控機(jī)；主控機(jī)接收視頻圖像并在屏幕上顯示。

實(shí)驗三：車—境模式下智能小車感知信息實(shí)時傳輸實(shí)驗。

該實(shí)驗的教學(xué)目的是掌握網(wǎng)絡(luò)層次化設(shè)計方法在車—境模式功能開發(fā)中的應(yīng)用。實(shí)驗任務(wù)是：（1）完成車—境模式主控機(jī)和智能小車網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)設(shè)計；（2）完成主控機(jī)和智能小車應(yīng)用層功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)智能小車向主控機(jī)傳輸視頻圖像和超聲波測距數(shù)據(jù)；（3）功能要求：智能小車定時采集視頻圖像和超聲波測距數(shù)據(jù)，并發(fā)送給主控機(jī)；主控機(jī)接收視頻圖像和超聲波測距數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示。

實(shí)驗四：車—車模式下兩車協(xié)同運(yùn)動實(shí)驗。

該實(shí)驗的教學(xué)目的是掌握網(wǎng)絡(luò)層次化設(shè)計方法在車—車模式功能開發(fā)中的應(yīng)用。實(shí)驗任務(wù)是：（1）完成車—車模式智能小車網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)設(shè)計；（2）完成智能小車應(yīng)用層功能設(shè)計，實(shí)現(xiàn)前后兩車之間信息傳輸并保持兩車運(yùn)動間距基本不變；（3）功能要求：前車定時超聲測距，在避障控制下自行保持勻速運(yùn)動，同時接收后車發(fā)來的測距數(shù)據(jù)，在車載數(shù)碼管上實(shí)時顯示前后方測距結(jié)果；后車定時測量與前車間距并向前車發(fā)送測距數(shù)據(jù)，跟隨前車運(yùn)動并保持設(shè)定間距。

5 基于智能小車平臺的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗實(shí)施過程

我校電氣類專業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程是專業(yè)基礎(chǔ)選修課，課堂教學(xué)40學(xué)時，實(shí)驗教學(xué)8學(xué)時，其中6學(xué)時用于TCP/IP協(xié)議分析，2學(xué)時用于socket編程實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)驗內(nèi)容比較簡單。本項目教改目標(biāo)著眼于提高學(xué)生運(yùn)用層次化功能設(shè)計理念提升解決網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力。本項目創(chuàng)新之處在于將智能小車引入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗設(shè)計之中，并將教學(xué)目標(biāo)定位在提升工程應(yīng)用層次化設(shè)計能力上。

電子信息工程專業(yè)2017級39人參與了試點(diǎn)實(shí)施。實(shí)施過程分成兩個階段：第一階段為規(guī)定任務(wù)，要求學(xué)生獨(dú)立完成前述四個實(shí)驗中的兩個，教師根據(jù)完成情況給予成績；第二階段為創(chuàng)新設(shè)計，學(xué)生分組實(shí)驗，每組4人左右，各組自擬課題，要求內(nèi)容有創(chuàng)新。第二階段實(shí)踐成績由10位學(xué)生評委集體打分。總評成績由第一階段的教師給分和第二階段的學(xué)生評分按比例折算合計。

實(shí)施情況如下：第一階段選擇實(shí)驗一的有39人；選擇實(shí)驗二的有32人，選擇實(shí)驗三的有5人，選擇實(shí)驗四的有2人?？梢钥闯?，由于實(shí)驗一測控數(shù)據(jù)少，比較容易實(shí)現(xiàn)，選擇人數(shù)也最多；實(shí)驗四由于需要用到短距無線模塊，編程上有一定的復(fù)雜性，選擇人數(shù)最少，當(dāng)然教師打分時也向難度大的實(shí)驗略有傾斜?？偟膩碚f，第一階段完成情況都不錯。第二階段則是分組競賽了，共組建了10個小組。各組均在第一階段任務(wù)的基礎(chǔ)上，通過增加新功能來提高車—境系統(tǒng)或車—車系統(tǒng)的復(fù)雜度。新功能有自主避障、圖像循跡、目標(biāo)追蹤、目標(biāo)識別、可視化表達(dá)等，充分展示了學(xué)生運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)知識進(jìn)行工程綜合設(shè)計的能力。

6 結(jié)束語

本項目經(jīng)過一年多時間的精心設(shè)計，在我校電信專業(yè)2017級開展了試點(diǎn)實(shí)施。結(jié)果表明，相比原來的實(shí)驗內(nèi)容，經(jīng)過本項目實(shí)踐后，不僅加強(qiáng)了課程教學(xué)與工程實(shí)踐之間的聯(lián)系，而且在提升學(xué)生的層次化設(shè)計能力方面具有更強(qiáng)的針對性。下一步，計劃在實(shí)驗內(nèi)容和考核方式上繼續(xù)改進(jìn)，以求建立目標(biāo)導(dǎo)向明確、實(shí)施方案先進(jìn)的新型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗體系。