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摘要:比較和分析兩種不同的教學(xué)方法對提高計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量的意義,分別從整體和局部、興趣的激發(fā)、難易程度、對工程思維的培養(yǎng)以及具體的知識點5個方面對這兩種教學(xué)方法進行闡述,并針對兩種教學(xué)方法的不同特點,給出相關(guān)的教學(xué)建議。
關(guān)鍵詞:計算機網(wǎng)絡(luò);整體和局部;興趣的激發(fā);工程思維
0引言
計算機網(wǎng)絡(luò)課程是計算機相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程,了解和掌握計算機網(wǎng)絡(luò)知識、培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新能力對計算機專業(yè)學(xué)生有著重要意義。特別是在國家大力提倡互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略、物聯(lián)網(wǎng)如火如荼發(fā)展的今天,計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)尤其重要,而一種好的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法不僅可以讓學(xué)生掌握相關(guān)知識,同時又能培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[1],使其成長為符合時代需求的人才。因計算機網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu),目前計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也是按照這種層次結(jié)構(gòu)進行的,但計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有其特殊性,即可以從網(wǎng)絡(luò)的最上層開始講解,依次到最下層,其授課順序為:應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層,我們稱之為“自上而下”的教學(xué)方法;或者相反,從物理層開始講解,然后鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層再應(yīng)用層,我們稱之為“自下而上”的教學(xué)方法。事實上,計算機網(wǎng)絡(luò)最著名的兩本教材分別采用了其中的一種方法,由JamesF.Kurose和KeithW.Ross主編的《計算機網(wǎng)絡(luò):自頂向下方法》[2]采用了“自上而下”的方法;而由AndrewS.Tanenbaum和DavidJ.Wetherall主編的《計算機網(wǎng)絡(luò)》[3]采用了“自下而上”的方法。這兩種方法的比較和分析對計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有重要意義,只有了解這兩種教學(xué)方法的特點,才能針對不同的學(xué)生選擇相應(yīng)的教學(xué)方法,并在教學(xué)過程中充分發(fā)揮相應(yīng)教學(xué)方法的特點,從而提供計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量。
1局部和整體
“自上而下”的教學(xué)方法從應(yīng)用層和傳輸層開始講解,前者主要涉及客戶端、服務(wù)器的關(guān)系或者對等點(peertopeer)的關(guān)系,對網(wǎng)絡(luò)而言是整體的關(guān)系。同樣,傳輸層涉及的也是網(wǎng)絡(luò)上兩個終端節(jié)點之間的通信問題,所以也是基于網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu);而網(wǎng)絡(luò)的底層(如鏈路層),主要涉及兩個可以直接通信的節(jié)點的通信問題,也就是針對網(wǎng)絡(luò)的局部。因此,“自上而下”的教學(xué)方法可以認為是從網(wǎng)絡(luò)的整體到局部的講解方法,而“自下而上”的教學(xué)方法則是從網(wǎng)絡(luò)的局部到整體的講解方法。通常認為,從“局部到整體”是一個循序漸進的過程,這種方法使學(xué)生更能容易掌握所學(xué)知識,但另外一種觀點認為這種教學(xué)方法不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和欲望,從而讓學(xué)習(xí)成為一種被動的接受;相反,“從整體到局部”的教學(xué)思想強調(diào)目的性,先搭建起為完成項目任務(wù)所需的知識骨架,再順著骨架分別伸向枝節(jié)各部分,這種教學(xué)思想符合一般人做事的“目的”性原則,所以更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[4]。從實際教學(xué)分析,“從整體到局部”確實起到快速激發(fā)學(xué)生興趣的目的,例如,在講解TCP的擁塞控制,按照“自上而下”方法授課的學(xué)生,會自然地將TCP的擁塞控制和具體的應(yīng)用聯(lián)系起來,思考某個具體的應(yīng)用在TCP擁塞控制的機制下的行為方式?!白韵露稀笔谡n的學(xué)生,因還沒有學(xué)習(xí)應(yīng)用層,所以無法與相應(yīng)的應(yīng)用場景進行關(guān)聯(lián),學(xué)習(xí)相對枯燥,但同時,“自下而上”教學(xué)方法使學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握相對要更牢固,這也是“從局部到整體”這種循序漸進的教學(xué)方法的優(yōu)勢所在。通過對不同程度的學(xué)生的教學(xué)進行分析可以發(fā)現(xiàn),“自上而下”的教學(xué)方法更適合程度相對較高的學(xué)生,通過這種“從整體到局部”的講解,使他們更容易激發(fā)興趣,加深對所學(xué)知識的思考、理解;而“自下而上”的教學(xué)方法更適合程度相對較低的學(xué)生,使他們更容易掌握基礎(chǔ)知識。武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院在給本學(xué)院的留學(xué)生(程度相對較低)講授計算機網(wǎng)絡(luò)課程時,通常采用“自下而上”的教學(xué)方法。
2興趣的激發(fā)
興趣在教學(xué)中有著重要意義和地位,興趣是學(xué)生求知的內(nèi)在動力和愉快學(xué)習(xí)的誘因;興趣是牢固掌握知識和深入理解知識的保障;興趣能維持長久注意,保持學(xué)習(xí)熱情。另外,興趣具有德育價值,是促進個性全面發(fā)展的要素,也能推動自我終身學(xué)習(xí),對成功成才具有特殊意義[5],所以對哪種方法更適合激發(fā)興趣的分析有著重要的意義?!白陨隙隆钡慕虒W(xué)方法從應(yīng)用層切入,如Web(HTTP)、郵件、域名轉(zhuǎn)換(DNS)等,大多數(shù)學(xué)生之前已經(jīng)使用過這些應(yīng)用,但他們的認識大多停留在應(yīng)用層面,卻不知道這些應(yīng)用背后的原理。通過應(yīng)用層內(nèi)容的學(xué)習(xí)后,學(xué)生會有一種豁然開朗的感覺,能快速激發(fā)興趣。例如,平時學(xué)生都會用一些P2P軟件(如BitTorrent),對于P2P軟件的下載速度為何會遠遠快于通常的下載方式,以及用戶是如何找到不同的下載方式的,學(xué)生帶著這些疑惑來課堂,而通過P2P知識的學(xué)習(xí)能解開這些疑惑,極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。“自下而上”這種教學(xué)方法從物理層、鏈路層的內(nèi)容開始講解,涉及的更多是理論原理方面的知識,如物理層主要講解數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)、數(shù)字的調(diào)制解調(diào)等,而鏈路層主要講解流量控制、差錯控制等,這些內(nèi)容相比于應(yīng)用層的具體應(yīng)用,略顯枯燥,無法迅速激發(fā)學(xué)生的興趣。
3難易程度
計算機網(wǎng)絡(luò)的一個重要知識點是數(shù)據(jù)傳輸,而這個知識點是貫穿網(wǎng)絡(luò)各個層的?!白陨隙隆毕葟恼w上講解數(shù)據(jù)傳輸,即終端到終端的數(shù)據(jù)傳輸(應(yīng)用層、傳輸層),再描述數(shù)據(jù)是如何在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的(網(wǎng)絡(luò)層),之后描述從直接相連的兩個節(jié)點的傳輸(鏈路層),可以歸納為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹v解是從全局到局部的一個過程;而“自下而上”的教學(xué)方法先講解點到點的傳輸(鏈路層),而后是網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(網(wǎng)絡(luò)層),最后端到端的數(shù)據(jù)傳輸(傳輸層、應(yīng)用層),可以歸納為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹v解是從局部到全局的一個過程。從這個知識點來比較,“自上而下”的教學(xué)方法要求相對更高,它要求一開始就要站在全局的角度來理解具體的技術(shù)架構(gòu);而“自下而上”的教學(xué)方法從最容易理解的兩個直接相連的節(jié)點之間傳輸開始講起,所以難度相對較小。網(wǎng)絡(luò)的各層都是通過調(diào)用其下一層的功能來實現(xiàn)自身的功能,即每一個協(xié)議層的講解必然會涉及下層的內(nèi)容?!白韵露稀币蛳戎v授下層的知識,后學(xué)習(xí)上面層的知識,所以在學(xué)習(xí)涉及下層內(nèi)容的時候,學(xué)生已經(jīng)掌握相關(guān)知識,講授就順理成章。相反,“自上而下”的教學(xué)方法在講授網(wǎng)絡(luò)各層的時候,學(xué)生并未掌握相關(guān)的下層內(nèi)容,講授難度增加。例如,在講解應(yīng)用層的時候,必然會講解Socket的調(diào)用,而Socket是傳輸層將其功能提供給應(yīng)用層的一個接口,通常傳輸層會提供兩個協(xié)議UDP和TCP,所以會提供兩個不同的Socket?!白陨隙隆钡姆椒ň鸵蠼處熢趯W(xué)生還沒有學(xué)過UDP和TCP的情況下,通過通俗易懂的方式來描述兩種不同協(xié)議對應(yīng)的Socket,這無論對教師還是學(xué)生,都有一定難度。傳輸層和鏈路層在計算機網(wǎng)絡(luò)里是兩個非常相似的層,它們實現(xiàn)著部分相同的功能:如流量控制、可靠性傳輸、差錯檢測等。“自上而下”先講授傳輸層,而“自下而上”先講授鏈路層,這造成了流量控制、可靠性傳輸、差錯監(jiān)測等內(nèi)容通過不同的層來講解,即“自上而下”在傳輸層講授,而“自下而上”在鏈路層講授。從教學(xué)的實踐來看,通過鏈路層的講授更容易使學(xué)生接受,因為鏈路層針對的是兩個可以直接通信的節(jié)點之間的傳輸,比較形象直觀,比學(xué)生通過在這種傳輸?shù)哪P拖吕斫饬髁靠刂?、可靠性傳輸、差錯檢測等概念相對較容易。
4知識點的比較
4.1可靠性傳輸“可靠性傳輸”是計算機網(wǎng)絡(luò)非常重要的一個知識點。“自上而下”和“自下而上”兩種方法都是通過循序漸進的方式來學(xué)習(xí)這個知識點,即先假設(shè)信道是非常完美的,之后信道是可產(chǎn)生錯誤的,最后信道是可造成數(shù)據(jù)丟失的,在這些不同的條件下如何來實現(xiàn)“可靠性傳輸”。循序漸進的方式讓學(xué)生容易理解“可靠性傳輸”的原理,所以兩種方法都能實現(xiàn)很好的教學(xué)效果。這里有個小差別是“信道假設(shè)”,對于“自下而上”這種方法來說,因為已經(jīng)通過物理層了解“信道”的概念,所以這種假設(shè)容易理解;而對于“自上而下”的學(xué)生來說,還沒有學(xué)過“信道”,不好理解。更重要的一點是,傳輸層是處理終端到終端的傳輸,實際上不涉及“信道”,這里的“信道”更應(yīng)該是一個抽象的意義,將從發(fā)送端到接收端的一個路徑抽象成“信道”。顯然這種抽象的“信道”會對學(xué)生的理解造成一定的困難?!翱煽啃詡鬏敗庇腥N機制:停等式、回退n和選擇重傳。有趣的是在實際中,停等式應(yīng)用在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),也就是鏈路層的內(nèi)容,而回退n和選擇重傳應(yīng)用在TCP中,也就是傳輸層的內(nèi)容。而在實際教學(xué)中,為了保持“可靠性傳輸”講解的完整性,這些內(nèi)容是同時講解的。那么在哪個層講解這些內(nèi)容更適合?我們傾向于在傳輸層中講解“可靠性傳輸”(即對應(yīng)“自上而下”的教學(xué)方法),因為要理解回退n和選擇重傳這兩種機制,需要基于數(shù)據(jù)并不是按順序到達這一條件,但鏈路層是點對點的傳輸,數(shù)據(jù)通常是按順序到達的,所以實際上并不滿足這個條件,這造成了在鏈路層講解“可靠性傳輸”容易讓學(xué)生產(chǎn)生疑惑。4.2MAC層的比較“自上而下”和“自下而上”這兩本教材關(guān)于MAC層的差別是:“自下而上”將MAC獨立成一章節(jié)講解,而“自下而上”并沒有獨立出來,放在鏈路層講解。盡管MAC屬于鏈路層的一個子層,但我們更傾向于將其獨立出來講解,這是因為雖然作為子層,但MAC層更加重要,只有對MAC層理解了才能真正理解鏈路層,如只有對MAC層的信道接入?yún)f(xié)議CSMA/CD和CSMA/CA的深度理解才能真正理解以太網(wǎng)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。因獨立成章,“自上而下”教學(xué)方法將以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)都包括在MAC章節(jié),由此,CSMA/CD和以太網(wǎng)、CSMA/CA和無線網(wǎng)絡(luò)形成了一個統(tǒng)一的章節(jié),有助于學(xué)生更好地比較、理解這些技術(shù);而在“自上而下”的教學(xué)中,這些知識點分散在不同的章節(jié),不利于學(xué)生進行系統(tǒng)地理解?!白陨隙隆焙汀白韵露稀眱煞N教學(xué)方法對MAC中的信道接入都是按照分類的方式來講解。稍微有點不同的是“自上而下”將其分為信道劃分(channelpartitioning)、隨機接入(randomaccess)和分配接入(takingturns)3種方式;而“自下而上”分為競爭方式(contention)、無沖突方式(collision-free)以及有限競爭(limited-contention)。其中隨機接入等同于競爭方式,而分配接入等同于無沖突方式。這種分類的講解對以后理解其他新的接入?yún)f(xié)議非常重要,有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。另外,兩者的講解都側(cè)重競爭方式(隨機接入),這也是非常合理的安排,因為競爭方法是目前計算機網(wǎng)絡(luò)采用的主要方式。4.3ARP協(xié)議的比較ARP是地址解析協(xié)議,也就是將網(wǎng)絡(luò)層的地址(IP地址)解析成鏈路層的地址(MAC地址)。那么ARP到底應(yīng)該屬于網(wǎng)絡(luò)層還是鏈路層,這也是一個有爭議的問題。顯而易見,要理解ARP協(xié)議,就必須先了解IP地址和MAC地址,這也是為什么“自上而下”將其放在鏈路層來講解,而不能放在網(wǎng)絡(luò)層來講解,因為在學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)層的時候,學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)MAC地址。相反,“自下而上”將ARP放在網(wǎng)絡(luò)層講解,此時學(xué)生已經(jīng)完成IP地址和MAC地址的學(xué)習(xí),所以兩者都對ARP的學(xué)習(xí)做了非常好的處理。因限于篇幅,不再對其他的知識點進行比較,不過有興趣的讀者可以對連接服務(wù)、地址分析、路由等方面進行比較。通過上面對3個知識點的分析,可得出這兩種教學(xué)方法各有特點,在教學(xué)的過程中需要充分發(fā)揮其優(yōu)點以及彌補其缺點,從而有利于學(xué)生掌握知識。
5對工程思維的培養(yǎng)
計算機網(wǎng)絡(luò)是一門科學(xué)結(jié)合工程的學(xué)科,但計算機網(wǎng)絡(luò)課程因其基礎(chǔ)性和應(yīng)用性,更多體現(xiàn)了一種工程性,所以如何通過計算機網(wǎng)絡(luò)課程培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是教學(xué)的重點。工程過程是一個不可逆的過程,并且實踐性很強[6],這就要求一個好的工程師要具有提出問題、分析問題和解決實踐方案的能力。不同于科學(xué)思維,工程思維強調(diào)將問題簡單化和標準化,只有簡單化和標準化的解決方案才能應(yīng)用到實踐中去。計算機網(wǎng)絡(luò)是培養(yǎng)學(xué)生工程思維非常好的一門課程。計算機網(wǎng)絡(luò)本身是一個非常復(fù)雜的事物,但因其分層化(分模塊),每層的復(fù)雜度顯著降低,且只有有著上下關(guān)系的層之間才有交互,而交互主要是簡單的數(shù)據(jù)傳遞,所以進一步降低了其復(fù)雜度。模塊的標準化和模塊之間交互的標準化,是使得計算機網(wǎng)絡(luò)能夠取得成功的一個重要原因。無論是“自上而下”還是“自下而上”的教學(xué)方法都體現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡(luò)的分模塊化和標準化,所以這兩種方法都能非常好地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。所不同的是“自上而下”是站在整體的角度,對網(wǎng)絡(luò)從上而下的分割,最終完成對網(wǎng)絡(luò)的整體認識;而“自下而上”是從局部出發(fā),對網(wǎng)絡(luò)進行從下而上的分割,最終也完成對網(wǎng)絡(luò)的整體認識,兩者有著異曲同工的作用。
參考文獻:
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作者:林海 朱衛(wèi)平 謝榕 單位:武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院