談計算機網絡自上而下和自下而上教學

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摘要：比較和分析兩種不同的教學方法對提高計算機網絡教學質量的意義，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方法進行闡述，并針對兩種教學方法的不同特點，給出相關的教學建議。

關鍵詞：計算機網絡；整體和局部；興趣的激發(fā)；工程思維

0引言

計算機網絡課程是計算機相關專業(yè)的基礎課程，了解和掌握計算機網絡知識、培養(yǎng)工程思維和創(chuàng)新能力對計算機專業(yè)學生有著重要意義。特別是在國家大力提倡互聯(lián)網+戰(zhàn)略、物聯(lián)網如火如荼發(fā)展的今天，計算機網絡教學尤其重要，而一種好的計算機網絡教學方法不僅可以讓學生掌握相關知識，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。因計算機網絡的分層結構，目前計算機網絡教學也是按照這種層次結構進行的，但計算機網絡教學有其特殊性，即可以從網絡的最上層開始講解，依次到最下層，其授課順序為：應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層，我們稱之為“自上而下”的教學方法；或者相反，從物理層開始講解，然后鏈路層、網絡層、傳輸層再應用層，我們稱之為“自下而上”的教學方法。事實上，計算機網絡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《計算機網絡：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《計算機網絡》[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絡教學有重要意義，只有了解這兩種教學方法的特點，才能針對不同的學生選擇相應的教學方法，并在教學過程中充分發(fā)揮相應教學方法的特點，從而提供計算機網絡教學質量。

1局部和整體

“自上而下”的教學方法從應用層和傳輸層開始講解，前者主要涉及客戶端、服務器的關系或者對等點（peertopeer）的關系，對網絡而言是整體的關系。同樣，傳輸層涉及的也是網絡上兩個終端節(jié)點之間的通信問題，所以也是基于網絡的整體結構；而網絡的底層（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，也就是針對網絡的局部。因此，“自上而下”的教學方法可以認為是從網絡的整體到局部的講解方法，而“自下而上”的教學方法則是從網絡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，這種方法使學生更能容易掌握所學知識，但另外一種觀點認為這種教學方法不能很好地激發(fā)學生的學習興趣和欲望，從而讓學習成為一種被動的接受；相反，“從整體到局部”的教學思想強調目的性,先搭建起為完成項目任務所需的知識骨架,再順著骨架分別伸向枝節(jié)各部分，這種教學思想符合一般人做事的“目的”性原則，所以更能激發(fā)學生學習的興趣[4]。從實際教學分析，“從整體到局部”確實起到快速激發(fā)學生興趣的目的，例如，在講解TCP的擁塞控制，按照“自上而下”方法授課的學生，會自然地將TCP的擁塞控制和具體的應用聯(lián)系起來，思考某個具體的應用在TCP擁塞控制的機制下的行為方式。“自下而上”授課的學生，因還沒有學習應用層，所以無法與相應的應用場景進行關聯(lián)，學習相對枯燥，但同時，“自下而上”教學方法使學生對基礎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方法的優(yōu)勢所在。通過對不同程度的學生的教學進行分析可以發(fā)現(xiàn)，“自上而下”的教學方法更適合程度相對較高的學生，通過這種“從整體到局部”的講解，使他們更容易激發(fā)興趣，加深對所學知識的思考、理解；而“自下而上”的教學方法更適合程度相對較低的學生，使他們更容易掌握基礎知識。武漢大學國際軟件學院在給本學院的留學生（程度相對較低）講授計算機網絡課程時，通常采用“自下而上”的教學方法。

2興趣的激發(fā)

興趣在教學中有著重要意義和地位，興趣是學生求知的內在動力和愉快學習的誘因；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，保持學習熱情。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習，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。“自上而下”的教學方法從應用層切入，如Web（HTTP）、郵件、域名轉換（DNS）等，大多數(shù)學生之前已經使用過這些應用，但他們的認識大多停留在應用層面，卻不知道這些應用背后的原理。通過應用層內容的學習后，學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，學生帶著這些疑惑來課堂，而通過P2P知識的學習能解開這些疑惑，極大地激發(fā)學習興趣。“自下而上”這種教學方法從物理層、鏈路層的內容開始講解，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、數(shù)字的調制解調等，而鏈路層主要講解流量控制、差錯控制等，這些內容相比于應用層的具體應用，略顯枯燥，無法迅速激發(fā)學生的興趣。

3難易程度

計算機網絡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絡各個層的。“自上而下”先從整體上講解數(shù)據(jù)傳輸，即終端到終端的數(shù)據(jù)傳輸（應用層、傳輸層），再描述數(shù)據(jù)是如何在網絡中轉發(fā)的（網絡層），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”的教學方法先講解點到點的傳輸（鏈路層），而后是網絡的數(shù)據(jù)轉發(fā)（網絡層），最后端到端的數(shù)據(jù)傳輸（傳輸層、應用層），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架構；而“自下而上”的教學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。網絡的各層都是通過調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容?！白韵露稀币蛳戎v授下層的知識，后學習上面層的知識，所以在學習涉及下層內容的時候，學生已經掌握相關知識，講授就順理成章。相反，“自上而下”的教學方法在講授網絡各層的時候，學生并未掌握相關的下層內容，講授難度增加。例如，在講解應用層的時候，必然會講解Socket的調用，而Socket是傳輸層將其功能提供給應用層的一個接口，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。“自上而下”的方法就要求教師在學生還沒有學過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)議對應的Socket，這無論對教師還是學生，都有一定難度。傳輸層和鏈路層在計算機網絡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?！白陨隙隆毕戎v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。從教學的實踐來看，通過鏈路層的講授更容易使學生接受，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”是計算機網絡非常重要的一個知識點?！白陨隙隆焙汀白韵露稀眱煞N方法都是通過循序漸進的方式來學習這個知識點，即先假設信道是非常完美的，之后信道是可產生錯誤的，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)很好的教學效果。這里有個小差別是“信道假設”，對于“自下而上”這種方法來說，因為已經通過物理層了解“信道”的概念，所以這種假設容易理解；而對于“自上而下”的學生來說，還沒有學過“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，停等式應用在Wi-Fi網絡，也就是鏈路層的內容，而回退n和選擇重傳應用在TCP中，也就是傳輸層的內容。而在實際教學中，為了保持“可靠性傳輸”講解的完整性，這些內容是同時講解的。那么在哪個層講解這些內容更適合？我們傾向于在傳輸層中講解“可靠性傳輸”（即對應“自上而下”的教學方法），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”容易讓學生產生疑惑。4.2MAC層的比較“自上而下”和“自下而上”這兩本教材關于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層的信道接入協(xié)議CSMA/CD和CSMA/CA的深度理解才能真正理解以太網和Wi-Fi網絡。因獨立成章，“自上而下”教學方法將以太網和無線網絡都包括在MAC章節(jié)，由此，CSMA/CD和以太網、CSMA/CA和無線網絡形成了一個統(tǒng)一的章節(jié)，有助于學生更好地比較、理解這些技術；而在“自上而下”的教學中，這些知識點分散在不同的章節(jié)，不利于學生進行系統(tǒng)地理解?！白陨隙隆焙汀白韵露稀眱煞N教學方法對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協(xié)議非常重要，有利于培養(yǎng)學生的自學能力。另外，兩者的講解都側重競爭方式（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絡采用的主要方式。4.3ARP協(xié)議的比較ARP是地址解析協(xié)議，也就是將網絡層的地址（IP地址）解析成鏈路層的地址（MAC地址）。那么ARP到底應該屬于網絡層還是鏈路層，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，而不能放在網絡層來講解，因為在學習網絡層的時候，學生還沒有學習MAC地址。相反，“自下而上”將ARP放在網絡層講解，此時學生已經完成IP地址和MAC地址的學習，所以兩者都對ARP的學習做了非常好的處理。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、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，可得出這兩種教學方法各有特點，在教學的過程中需要充分發(fā)揮其優(yōu)點以及彌補其缺點，從而有利于學生掌握知識。

5對工程思維的培養(yǎng)

計算機網絡是一門科學結合工程的學科，但計算機網絡課程因其基礎性和應用性，更多體現(xiàn)了一種工程性，所以如何通過計算機網絡課程培養(yǎng)學生的工程思維是教學的重點。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。不同于科學思維，工程思維強調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用到實踐中去。計算機網絡是培養(yǎng)學生工程思維非常好的一門課程。計算機網絡本身是一個非常復雜的事物，但因其分層化（分模塊），每層的復雜度顯著降低，且只有有著上下關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，是使得計算機網絡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”的教學方法都體現(xiàn)了計算機網絡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，對網絡從上而下的分割，最終完成對網絡的整體認識；而“自下而上”是從局部出發(fā)，對網絡進行從下而上的分割，最終也完成對網絡的整體認識，兩者有著異曲同工的作用。

參考文獻：

[1]姚琳,孫偉峰,吳國偉,等.計算機網絡教學方法探討[J].計算機教育,2011(19):70-73.

[2]AndrewST,DaviJW.計算機網絡[M].5版.嚴偉,潘愛民,譯.北京:清華大學出版社,2012.

[3]JamesFK,KeithWR.計算機網絡:自頂向下方法[M].6版.陳鳴,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[4]梁啟勇.“從整體到局部”的思想在專業(yè)教學中的運用[J].交通職業(yè)教育,2006(2):50-51.

[5]郭戈.關于興趣教學原則的若干思考[J].教育研究,2012(3):119-124.

[6]賈廣社,曹麗.工程師的工程思維培養(yǎng)[J].自然辯證法研究,2008(6):71-75.

作者:林海 朱衛(wèi)平 謝榕 單位:武漢大學國際軟件學院