趙婧如

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 西安 710121)

0 引言

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程是高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程[1],網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部分為課程的重點(diǎn)內(nèi)容,也是行業(yè)面試、工程認(rèn)證考試以及研究生考試中出現(xiàn)頻率較高的重點(diǎn)問(wèn)題。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下,西安郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課程組對(duì)本校計(jì)算機(jī)專業(yè)近三屆學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程目標(biāo)達(dá)成數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生路由設(shè)計(jì)能力達(dá)成度不理想的主要原因在于對(duì)路由基礎(chǔ)知識(shí)的理解深度不夠,存在認(rèn)知誤區(qū),而解決這一問(wèn)題的根本切入點(diǎn)是優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)?！爸边B路由和靜態(tài)路由”是學(xué)生理解和分析網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和路由決策的重要基礎(chǔ),科學(xué)合理的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅可以幫助學(xué)生更好地理解路由過(guò)程和分析應(yīng)用場(chǎng)景,提高課堂效率,而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和應(yīng)用能力,為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

教學(xué)設(shè)計(jì)以教學(xué)目標(biāo)為統(tǒng)領(lǐng),以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)[2],采用多樣化的教學(xué)方式,如問(wèn)題引導(dǎo)、小組合作、自主探究、實(shí)操演示、角色扮演等,注重學(xué)生的思維訓(xùn)練和能力發(fā)展,將課程思政潛移默化地融入趣味課堂活動(dòng)[3],提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度,培養(yǎng)學(xué)生勇于探究、去偽存真的科學(xué)精神。

課前環(huán)節(jié)充分利用線上教學(xué)資源和文獻(xiàn)資料,讓學(xué)生高效預(yù)習(xí);課中環(huán)節(jié)以精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題導(dǎo)向?qū)⒄n程知識(shí)點(diǎn)串接起來(lái),步步設(shè)局,結(jié)合實(shí)操演示,引導(dǎo)學(xué)生積極思考和解決實(shí)際問(wèn)題,通過(guò)小組合作,自主探究,讓學(xué)生自行得出階段性結(jié)論,并進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證去偽存真;課后作業(yè)理實(shí)結(jié)合,以解決工程性問(wèn)題為主,同時(shí)增加一些有挑戰(zhàn)性的拓展問(wèn)題。

2 學(xué)情分析

學(xué)情分析是獲取學(xué)生的知識(shí)水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)需求以及薄弱環(huán)節(jié)和困惑點(diǎn)等信息的重要途徑。學(xué)情分析結(jié)果有助于教師準(zhǔn)確把握學(xué)生的個(gè)體差異,針對(duì)性地選擇合適的教學(xué)策略和方法。

2.1 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)分析

對(duì)于當(dāng)屆學(xué)生,學(xué)情分析的側(cè)重點(diǎn)是學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)本堂課程之前,教師應(yīng)確保學(xué)生具備以下認(rèn)知與能力:能夠概括性闡述網(wǎng)絡(luò)層基本功能和路由概念,已具備基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與IP地址規(guī)劃能力,已建立直接交付和間接交付的初步概念,能夠熟練使用基于ICMP協(xié)議的ping和tracert工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與跟蹤,熟悉路由器基本配置命令。否則,需要在課前任務(wù)中加大基礎(chǔ)鞏固內(nèi)容的比例。

2.2 認(rèn)知誤區(qū)分析

為了準(zhǔn)確判定學(xué)生的認(rèn)知誤區(qū),教師需充分利用往屆學(xué)生的學(xué)情分析,提前預(yù)判學(xué)生認(rèn)知誤區(qū),并在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)作業(yè)、討論和隨堂練習(xí)等把握當(dāng)屆學(xué)生的具體認(rèn)知情況,以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容。以下例舉本節(jié)課常見(jiàn)認(rèn)知誤區(qū):學(xué)生沒(méi)有認(rèn)識(shí)到直連路由和間接路由的區(qū)別,認(rèn)為需要為路由器直接連接的網(wǎng)絡(luò)配置相關(guān)路由;學(xué)生不理解路由過(guò)程是基于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)前綴)轉(zhuǎn)發(fā)分組,認(rèn)為路由表“目的地址”均是目標(biāo)主機(jī)IP地址;學(xué)生對(duì)“下一跳”概念理解粗淺,認(rèn)為下一跳路由器的任意接口的IP地址都可以作為當(dāng)前路由條目的下一跳地址。

3 教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿,一切教學(xué)活動(dòng)都是圍繞教學(xué)目標(biāo)來(lái)進(jìn)行和展開(kāi)的。教學(xué)目標(biāo)的分析和確定是教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn),“直連路由與靜態(tài)路由”教學(xué)目標(biāo)設(shè)定如下:

3.1 認(rèn)知目標(biāo)

認(rèn)識(shí)路由器在IP分組轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的作用;能夠區(qū)分直連路由和間接交付路由;了解直連路由的產(chǎn)生方式;掌握靜態(tài)路由的設(shè)計(jì)原則和配置方法,認(rèn)識(shí)靜態(tài)路由的應(yīng)用場(chǎng)景;理解在路由表中路由條目的含義。

3.2 能力目標(biāo)

能夠正確表述路由的概念和路由表的作用;能夠正確識(shí)別直連路由和靜態(tài)路由,并能準(zhǔn)確分析直接交付場(chǎng)景和間接交付場(chǎng)景中的路由以及分組轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程;能夠根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枨?完成靜態(tài)路由設(shè)計(jì);能夠歸納總結(jié)靜態(tài)路由的優(yōu)勢(shì)與局限性。

3.3 素質(zhì)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、思辨能力和勇于探索的科學(xué)精神。

4 課前任務(wù)設(shè)計(jì)

課前任務(wù)包含基礎(chǔ)回顧、新課預(yù)習(xí)和課前實(shí)踐3個(gè)部分,課前資料以短小精悍為宜,避免學(xué)生因畏長(zhǎng)畏難心理造成應(yīng)付現(xiàn)象,切實(shí)提高學(xué)生課前任務(wù)的完成度?；A(chǔ)回顧主要針對(duì)與本節(jié)課程緊密關(guān)聯(lián)的已學(xué)章節(jié),包括IP分組首部格式、子網(wǎng)掩碼、CIDR編址方案、網(wǎng)絡(luò)地址規(guī)劃、局域網(wǎng)內(nèi)部通信;基礎(chǔ)回顧采用前測(cè)方式,不僅便于學(xué)生查漏補(bǔ)缺而且便于教師對(duì)學(xué)生的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況和能力水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。新課預(yù)習(xí)采用視頻觀看和文獻(xiàn)閱讀,內(nèi)容簡(jiǎn)明,以引導(dǎo)性為主,保證預(yù)習(xí)時(shí)效性的同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課前實(shí)踐包括ping和tracert命令以及路由器基本配置命令的練習(xí),學(xué)生需以小組為單位,利用仿真軟件自行搭建簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⑼瓿蒊P地址規(guī)劃,為課中環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

5 課中教學(xué)設(shè)計(jì)

5.1 前課回顧設(shè)計(jì)

教師分析總結(jié)課前任務(wù)的完成情況,解答共性問(wèn)題,重點(diǎn)回顧分組在互聯(lián)網(wǎng)中的傳送過(guò)程以及直接交付和間接交付的區(qū)別。

5.2 新課導(dǎo)入設(shè)計(jì)

教師提出引導(dǎo)性問(wèn)題,如不同網(wǎng)絡(luò)間通信時(shí),分組轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中路由器的作用;路由表中的表項(xiàng)從何而來(lái);路由器是否能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行第一輪討論,討論結(jié)束后隨機(jī)抽選多個(gè)小組,由小組發(fā)言人表達(dá)小組觀點(diǎn)。

5.3 課中環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

為了幫助學(xué)生更好地理解兩種路由的概念、應(yīng)用和實(shí)踐,課中環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)包括7個(gè)階段,每個(gè)階段都有特定的目標(biāo)和活動(dòng),這7個(gè)階段將系統(tǒng)而全面地引領(lǐng)學(xué)生逐步深入直連路由和靜態(tài)路由的概念原理,并結(jié)合實(shí)踐來(lái)深化學(xué)生對(duì)靜態(tài)路由的理解和應(yīng)用。

5.3.1 第一階段:引入直連路由

教師首先在Packet Tracer(PT)軟件中構(gòu)建單個(gè)路由器互聯(lián)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的演示場(chǎng)景一(見(jiàn)圖1),配置之前查看路由器的路由表為空,配置路由器接口參數(shù)之后,再次查看路由表,學(xué)生能夠直觀地看到路由表的變化,此時(shí)進(jìn)行之前“新課導(dǎo)入”環(huán)節(jié)小組討論觀點(diǎn)的復(fù)盤,學(xué)生會(huì)主動(dòng)將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與小組先前的觀點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比思考,自主評(píng)估“在初始化階段路由器是否能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)”問(wèn)題上小組觀點(diǎn)的正確性,并據(jù)此得出初步結(jié)論。

圖1 演示場(chǎng)景一

在階段性結(jié)論的形成過(guò)程中,由于初學(xué)者對(duì)問(wèn)題的深入程度有限,容易以偏概全,從而在下一階段得出錯(cuò)誤結(jié)論,因此需要設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題推進(jìn)環(huán)節(jié),做好正向引導(dǎo)。在進(jìn)入下一階段之前,組織學(xué)生小組進(jìn)行第二輪討論:路由器為什么能夠發(fā)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò);兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間通信,分組如何被轉(zhuǎn)發(fā);更多數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多個(gè)路由器互聯(lián)時(shí),初始化階段路由器能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)哪些網(wǎng)絡(luò)。

5.3.2 第二階段:承轉(zhuǎn)鋪墊,引出中間問(wèn)題

為了讓學(xué)生順利得出第二階段的結(jié)論,教師在演示場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上擴(kuò)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?形成2臺(tái)路由器互聯(lián)3個(gè)網(wǎng)絡(luò)的演示場(chǎng)景二(見(jiàn)圖2),并配置新增路由器接口參數(shù),先讓學(xué)生推斷目前各路由器的路由條目,然后打開(kāi)路由表驗(yàn)證,以鞏固學(xué)生第一階段的認(rèn)知。接著拋出新的思考問(wèn)題:2臺(tái)路由器均已識(shí)別直連網(wǎng)絡(luò),自動(dòng)產(chǎn)生了直連路由,非相鄰網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)之間是否可以正常通信。在PT軟件的Simulation模式下跟蹤演示一臺(tái)主機(jī)A向非相鄰網(wǎng)絡(luò)的另一臺(tái)主機(jī)C發(fā)送分組的過(guò)程,可以觀察到途經(jīng)的路由器R1丟棄了分組,這時(shí)結(jié)合場(chǎng)景二中的路由表信息,組織學(xué)生討論路由器丟包的原因,得出過(guò)渡性結(jié)論:目的網(wǎng)絡(luò)net2為非直連網(wǎng)絡(luò),由于路由器無(wú)法自動(dòng)識(shí)別非直連網(wǎng)絡(luò),造成路由表中缺少到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的路由信息,因此路由器丟棄了分組。

圖2 演示場(chǎng)景二

5.3.3 第三階段:解決問(wèn)題,學(xué)習(xí)靜態(tài)路由

為解決初始化階段路由器無(wú)法發(fā)現(xiàn)非直連網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題,引入獲取間接交付路由的方法之一:配置靜態(tài)路由。這個(gè)階段首先讓學(xué)生熟悉靜態(tài)路由配置命令,然后組織學(xué)生討論在圖2所示拓?fù)渲腥绾翁砑屿o態(tài)路由以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)互通,抽選一個(gè)小組現(xiàn)場(chǎng)添加靜態(tài)路由,并在PT軟件的Simulation模式下跟蹤演示非相鄰網(wǎng)絡(luò)的2臺(tái)主機(jī)雙向通信的過(guò)程:(1)先為R1添加靜態(tài)路由;(2)發(fā)起A到C的ping請(qǐng)求;(3)觀察C到A的ping響應(yīng)傳輸是否成功,討論不成功的原因并給出解決方法。(4)驗(yàn)證學(xué)生提出的解決方法(如:為R2添加靜態(tài)路由)是否能夠解決問(wèn)題。(5)配置完成后,使用tracert命令跟蹤路由。如果操作演示中遇到問(wèn)題,由其他小組同學(xué)參與修正解決。

5.3.4 第四階段:強(qiáng)化認(rèn)知,融入思政

角色扮演的互動(dòng)性和輕松有趣的氛圍使得學(xué)生更愿意參與討論和表達(dá)觀點(diǎn)。通過(guò)角色扮演,學(xué)生可以在模擬情境中實(shí)踐所學(xué)知識(shí)和技能,親身經(jīng)歷和體驗(yàn)實(shí)際問(wèn)題,強(qiáng)化對(duì)直連路由和靜態(tài)路由的認(rèn)知。教師抽選不同組的若干學(xué)生扮演路由器、網(wǎng)絡(luò)及主機(jī)?！霸粗鳈C(jī)”角色需按照觀眾同學(xué)的要求,制作2個(gè)分組道具(標(biāo)注源地址和目的地址),分別針對(duì)網(wǎng)內(nèi)通信和異網(wǎng)通信兩種情況?！奥酚善鳌苯巧柰ㄟ^(guò)板書(shū)展現(xiàn)其路由表,以便于觀眾同學(xué)查看路由表內(nèi)容?！霸粗鳈C(jī)”角色每次發(fā)送“分組”時(shí),需講解如何判斷目的主機(jī)是否和自己在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,如何決策發(fā)送給目的主機(jī)還是網(wǎng)關(guān),并強(qiáng)調(diào)網(wǎng)關(guān)的作用。當(dāng)“分組”傳到第一個(gè)路由器時(shí),扮演者需講解和演示查表轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,并強(qiáng)調(diào)下一跳的作用。同樣,當(dāng)“分組”依次傳送至第二個(gè)路由器和目的主機(jī)時(shí),相應(yīng)扮演者均需要講解、演示當(dāng)前設(shè)備對(duì)分組的處理過(guò)程。

角色扮演環(huán)節(jié)引入課程思政內(nèi)容,路由器通過(guò)接力式合作完成從源站到目的站的路由?！奥酚伞苯恿ε苤腥巳藠^力擔(dān)當(dāng),盡職盡責(zé),合力拼搏、合作共贏,體現(xiàn)了一種集體協(xié)作的精神,一種團(tuán)結(jié)奮斗的力量。

5.3.5 第五階段:拓展認(rèn)知

教師首先要求學(xué)生在課前環(huán)節(jié)自行設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?完成靜態(tài)路由的添加,并對(duì)最先正確完成的小組給予課程積分獎(jiǎng)勵(lì),緊接著介紹2種特殊的靜態(tài)路由:特定主機(jī)路由和默認(rèn)路由的概念以及配置方法。然后教師提出針對(duì)性的應(yīng)用需求,讓學(xué)生在小組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型瓿陕酚膳渲玫男薷?添加必要的特定主機(jī)路由和默認(rèn)路由,并驗(yàn)證全網(wǎng)連通性。最后通過(guò)搖號(hào)小游戲抽選一個(gè)小組在教師搭建的演示場(chǎng)景二中現(xiàn)場(chǎng)展示修改過(guò)程。教師可視具體情況要求各組將配置和驗(yàn)證結(jié)果上傳至在線教學(xué)平臺(tái)“小組任務(wù)”區(qū),開(kāi)展組間互評(píng)“課后找碴”活動(dòng),進(jìn)一步促進(jìn)組間學(xué)習(xí)交流,培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。

5.3.6 第六階段:認(rèn)識(shí)靜態(tài)路由應(yīng)用場(chǎng)景

教師組織學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)搜索在線資料,認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的靜態(tài)路由應(yīng)用場(chǎng)景,如:備份路由、出口路由、末節(jié)網(wǎng)絡(luò)路由等[4]。學(xué)生需要快速搜索、閱讀、理解信息并進(jìn)行總結(jié)歸納。這個(gè)環(huán)節(jié)不僅可以鍛煉學(xué)生的信息檢索和判斷篩選能力,而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合思考和邏輯推理能力。如果課堂時(shí)間緊張,該環(huán)節(jié)可放置課后,以小組為單位提交整理內(nèi)容和參考文獻(xiàn)至在線教學(xué)平臺(tái)的主題討論區(qū)。

5.3.7 第七階段:課程總結(jié)和隨堂練習(xí)

教師結(jié)合板書(shū)或思維導(dǎo)圖梳理本節(jié)內(nèi)容及知識(shí)要點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生自行歸納總結(jié)靜態(tài)路由的優(yōu)勢(shì)以及局限性。依托在線教學(xué)平臺(tái)組織學(xué)生在移動(dòng)終端上完成“直連路由和靜態(tài)路由”課堂習(xí)題。

5.4 課后任務(wù)設(shè)計(jì)

課后作業(yè)包含理論與實(shí)踐兩個(gè)部分,旨在讓學(xué)生通過(guò)作業(yè)進(jìn)一步將原理知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐中尋求真知的習(xí)慣。理論作業(yè)依托在線教學(xué)平臺(tái)發(fā)布,引入工程實(shí)例,主要訓(xùn)練學(xué)生根據(jù)企業(yè)聯(lián)網(wǎng)需求配置靜態(tài)路由的能力。實(shí)踐作業(yè)基于仿真軟件,給定多個(gè)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?讓各小組選擇一種拓?fù)?完成靜態(tài)路由的設(shè)計(jì)和實(shí)踐練習(xí)。作業(yè)中需適當(dāng)增加一些有挑戰(zhàn)性的拓展問(wèn)題,比如:如何解決靜態(tài)路由配置錯(cuò)誤導(dǎo)致的路由環(huán)路問(wèn)題,助力能力水平較高的學(xué)生進(jìn)一步提升工程實(shí)踐能力。

6 結(jié)語(yǔ)

“直連路由和靜態(tài)路由”教學(xué)設(shè)計(jì)方案采用遞進(jìn)式問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、小組合作、實(shí)操演示、角色扮演等多種方法,幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)難點(diǎn),消除認(rèn)知誤區(qū),培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。在最近一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐中,教學(xué)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施取得了良好的教學(xué)效果,相對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)達(dá)成度較往屆顯著提升。本文提出的教學(xué)設(shè)計(jì)方案可為進(jìn)一步探索和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)路由部分的教學(xué)方式與方法提供有益的參考。