計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程的階梯式教學(xué)法

劉春波，鐘安鳴，顧兆軍

（中國民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300）

對于具有明顯工程技術(shù)特征的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，實(shí)踐教學(xué)的重要性早已為該領(lǐng)域教育人士所公認(rèn)。適逢國家和學(xué)校深化加強(qiáng)工程實(shí)踐教育改革的大背景，因此近年來中國民航大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程大力加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)，購置了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，增加了實(shí)踐學(xué)時。人力和物力的投入雖大，教學(xué)效果的改進(jìn)幅度卻未能與之相稱。分析原因，其核心問題在于未能綜合考慮教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際情況，有效地組織實(shí)施教學(xué)。若教學(xué)內(nèi)容簡單了，則不利于真正加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)理論知識的理解，也不利于提高學(xué)生的動手能力；若教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜了，在學(xué)生“編程基礎(chǔ)參差不齊、接受能力不一”的實(shí)際情況下，又會有相當(dāng)一部分學(xué)生感覺難度太大、無從下手，繼而直接放棄學(xué)習(xí)。

顯然，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是使全體學(xué)生真正提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力。如何才能使不同程度的學(xué)生能力全部提高，而不僅僅是優(yōu)秀學(xué)生？筆者吸收和借鑒了中外教育專家提出的教學(xué)層次理論和階梯式教學(xué)法，并將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程的教學(xué)實(shí)踐中，旨在達(dá)到“全體學(xué)生能力有效提高”的教學(xué)目的。

1 教學(xué)層次理論與階梯式教學(xué)法

美國著名的教育家Gagné R.M.[1-2]于20世紀(jì)60年代提出了學(xué)習(xí)層次理論（也稱為累積學(xué)習(xí)論）。他把最終教學(xué)目標(biāo)分解為多個有序的子目標(biāo)，從低級子目標(biāo)可以正向轉(zhuǎn)移到高級子目標(biāo)。所有有序目標(biāo)形成了學(xué)習(xí)層次。

Haring和Eaton[3]于1978年提出了教學(xué)層次理論。他們將教學(xué)過程分為習(xí)得、熟練掌握、保持、泛化和應(yīng)用5個階段。各階段的目標(biāo)如下：

習(xí)得（acquisition）：學(xué)生能夠準(zhǔn)確地獲得新的技能、知識和概念。

熟練掌握（fluency）：學(xué)生對新技能、知識與概念掌握得不但高度準(zhǔn)確，而且高度熟練。

保持（maintenance）：學(xué)生能夠不通過進(jìn)一步直接教學(xué)而保持對新技能、知識與概念的掌握程度。

泛化（generalisation）：指導(dǎo)學(xué)生將自己的技能、知識與概念應(yīng)用到不同的上下文。

應(yīng)用（application）：學(xué)生在獲得較少教師支持的情況下自發(fā)地將自己的技能應(yīng)用到較不熟悉的上下文。

中國教育家程鴻勛[4]提出了“階梯式教學(xué)法”（又稱“階梯式學(xué)習(xí)法”）。他指出，階梯式教學(xué)法是讓在同一個教學(xué)班中不同程度的學(xué)生各得其所，各有奔頭，使知識、能力各不相同的學(xué)生，沿著各自設(shè)置的目標(biāo)（臺階），獨(dú)自奮斗、攀登。他進(jìn)而將預(yù)習(xí)、上課、復(fù)習(xí)和作業(yè)四個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)各自劃分為五個階梯水平。

南麗麗[5]、周龐榮等[6]、吳險峰[7]成功地將階梯式教學(xué)法應(yīng)用到了程序設(shè)計(jì)、項(xiàng)目開發(fā)類課程。

與以上這些有關(guān)階梯式教學(xué)法的理論與實(shí)踐相比，筆者在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程中所采用的階梯式教學(xué)法強(qiáng)調(diào)的是教學(xué)內(nèi)容（或教學(xué)目標(biāo)）的階梯，而非教學(xué)設(shè)計(jì)的階梯。具體地說，階梯式教學(xué)法是將一個復(fù)雜的、高級的教學(xué)目標(biāo)分解為從低級到高級、難度逐漸增大的多個目標(biāo)，使得終極目標(biāo)對于每一個學(xué)生都是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程體系

筆者教授的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程的授課對象是中國民航大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和信息安全專業(yè)的本科生。這兩年來，我們以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力為中心，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程教學(xué)中進(jìn)行了一系列改革。首先，將2008級的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)從20學(xué)時增加到40學(xué)時；接著，又在2009級的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（II）課程中增加了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這樣，就形成了目前的由第五學(xué)期開設(shè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（II）課程實(shí)驗(yàn)（課內(nèi)8學(xué)時+課外8學(xué)時）和第六學(xué)期開設(shè)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)（40學(xué)時）兩部分內(nèi)容組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程體系。具體教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

表1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程體系Tab.1 Structure of computer networks practicums

教學(xué)環(huán)境方面，根據(jù)對國內(nèi)多所高校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果，對于原有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了二期建設(shè)。除了補(bǔ)充了路由器、交換機(jī)、無線AP等真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還專門購置了吉林中軟吉大公司開發(fā)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（以下簡稱為“中軟吉大平臺”）。該平臺提供了IPv4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)3個教學(xué)模塊，采用智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)五種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的自動切換，能夠?qū)崿F(xiàn)多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生機(jī)分為7組，每組6臺，實(shí)驗(yàn)時人手一機(jī)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)踐課程采取“真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的靈活多樣的教學(xué)方式。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（II）課程實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)，還包括具有設(shè)計(jì)性質(zhì)的路由配置實(shí)驗(yàn)，旨在加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、路由等基本概念的理解，教學(xué)難度不大。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)主要采用軟件編程模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)、綜合的網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)踐能力。課程分為兩個模塊：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊是對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（II）課程實(shí)驗(yàn)的拓展和提高，要求學(xué)生從使用協(xié)議分析器過渡到開發(fā)協(xié)議分析器，掌握網(wǎng)絡(luò)底層開發(fā)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊則是利用上層的套接字編程接口，開發(fā)綜合性的、實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。兩個模塊面向?qū)嵱?，各有?cè)重，但教學(xué)難度較大。本文接下來將深入介紹階梯式教學(xué)法在這兩個模塊教學(xué)過程中的應(yīng)用。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊教學(xué)的三級階梯

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊的終極教學(xué)目標(biāo) 使得學(xué)生徹底理解數(shù)據(jù)是如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)摹?/p>

以往教學(xué)模式 學(xué)生使用協(xié)議分析器完成驗(yàn)證性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析實(shí)驗(yàn)。

存在的問題 有助于加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報文格式的理解，但理解不夠透徹；自主開發(fā)協(xié)議分析器能夠解決這個問題，但涉及網(wǎng)絡(luò)底層開發(fā)，難度較大，學(xué)生無從下手。

解決方案 設(shè)置中間階段，提供單一協(xié)議分析的程序流程和代碼框架，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入?yún)f(xié)議分析程序開發(fā)之門。

根據(jù)以上分析，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊的教學(xué)分為3個階段：使用協(xié)議分析器、半自主開發(fā)協(xié)議分析器和自主開發(fā)協(xié)議分析器，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊教學(xué)的三級階梯Fig.1 Three-stair ladder in teaching network protocol analyzing module

階段1 使用協(xié)議分析器。學(xué)生操作中軟吉大平臺中的協(xié)議分析器，捕獲并分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，理解“什么是協(xié)議”。

階段2 半自主開發(fā)協(xié)議分析器。學(xué)生利用中軟吉大平臺提供的Netproto庫，根據(jù)該平臺給出的程序流程和代碼框架，完成單一協(xié)議的分析程序。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生易于完成；缺點(diǎn)是Netproto庫不透明，不通用。

階段3 自主開發(fā)協(xié)議分析器。與中軟吉大平臺的Netproto庫相比，WinPcap是一個通用的、開源的網(wǎng)絡(luò)底層開發(fā)包，但直接學(xué)習(xí)難度較大。有了階段2的鋪墊，學(xué)生再進(jìn)入這個階段，就不再感覺那么突兀了。學(xué)生利用WinPcap庫，編寫完整的協(xié)議分析器或編輯器，至少支持以太網(wǎng)MAC協(xié)議、IP和TCP/UDP協(xié)議。

4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊教學(xué)的三級階梯

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊的終極教學(xué)目標(biāo) 使得學(xué)生能夠開發(fā)綜合性的、實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

以往教學(xué)模式 教師講完基本的套接字編程接口用法之后，讓學(xué)生選擇完成一個功能較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

存在的問題 從簡單的客戶-服務(wù)器通信到復(fù)雜的多用戶通信，跨度較大，中間存在很多技術(shù)問題，再加上學(xué)生沒有圖形界面編程基礎(chǔ)，大部分學(xué)生無法正常完成。

解決方案 設(shè)置中間階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生完成一個功能較簡單、但具有圖形界面的多用戶通信程序，揭示從“二”到“多”的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

根據(jù)以上分析，將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊的教學(xué)分為3個階段：簡單客戶-服務(wù)器通信編程、多用戶通信編程器和綜合性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊教學(xué)的三級階梯Fig.2 Three-stair ladder in teaching network application programming module

階段1 簡單客戶-服務(wù)器通信編程。學(xué)生能夠使用基本的套接字編程接口開發(fā)簡單的基于控制臺的TCP和UDP通信程序。

階段2 多用戶通信編程。采用實(shí)例教學(xué)，使學(xué)生能夠開發(fā)具有圖形界面的多用戶通信程序。從2個用戶到3個用戶，實(shí)際上是“質(zhì)”的飛躍，這才是真正的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

階段3 綜合性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程。要求學(xué)生選擇一個題目完成。教師對題目提出明確要求，學(xué)生需要在階段2基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)知識，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。題目分為規(guī)定題目和自選題目兩類。部分有代表性的題目如表2所示。

表2 綜合性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程題目示例Tab.2 Examples of comprehensive network application programming projects

5 教學(xué)改革效果分析

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐課程的教學(xué)改革從2008級開始初步實(shí)施，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊中嘗試采用階梯式教學(xué)法。到2009級進(jìn)一步完善和推廣，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析模塊重點(diǎn)放在協(xié)議分析編程，加強(qiáng)從半自主的基于Netproto編程到自主的基于WinPcap編程、從單一協(xié)議分析到多層協(xié)議全面分析的階梯式教學(xué)；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊開始應(yīng)用階梯式教學(xué)法，在“簡單客戶-服務(wù)器通信編程”和“綜合性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程”兩個階段之間增加“多用戶通信編程”。下面分別從客觀和主觀角度對教學(xué)改革效果進(jìn)行分析。

作為客觀分析，將2007級至2009級三個年級的課程設(shè)計(jì)完成效果列于表3。其中優(yōu)秀學(xué)生是指能夠獨(dú)立自主完成的學(xué)生，成績在90分以上；良好學(xué)生是指能夠完全理解所參考的案例程序并將其自主實(shí)現(xiàn)的學(xué)生，成績在80分?jǐn)?shù)段；普通學(xué)生是指不能完全自主完成的學(xué)生，成績在80分以下。從表3可以看出，在生源質(zhì)量沒有明顯變化的情況下，盡管課程設(shè)計(jì)難度有所增大，但優(yōu)秀學(xué)生和良好學(xué)生的總體比例呈逐年升高的趨勢，從2007級的51%提高到2009級的64%。這說明確實(shí)有更多的學(xué)生有效提高了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力。

表3 2007級至2009級的課程設(shè)計(jì)完成效果對比Tab.3 Comparison of outcome of course project from Grade 2007 to Grade 2009

主觀評價方面，很多學(xué)生反映，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)難度很大，完成過程很辛苦，但完成后感覺收獲很大，能夠第一次獨(dú)立完成一個項(xiàng)目，很有成就感，增強(qiáng)了自信心。

不過，從表3也能看到，學(xué)習(xí)效果不好的普通學(xué)生所占比例還是過大，超過三分之一。根據(jù)學(xué)生反饋，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程模塊還是學(xué)習(xí)難度較大。這說明，在以后的教學(xué)過程中，階梯式教學(xué)法還要進(jìn)一步細(xì)化。

6 結(jié)語

學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊是各個學(xué)校、各個專業(yè)的共性問題，在非重點(diǎn)大學(xué)表現(xiàn)得更為突出。因而，筆者多年來一直致力于尋求破解之道。階梯式教學(xué)法的優(yōu)勢在于“分解目標(biāo)、化難為易、拾級而上、逐步提高”，使得每一個學(xué)生都有希望實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)。筆者將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)中，并且初見成效。在教學(xué)目標(biāo)有所提高的情況下，更多的學(xué)生切實(shí)提高了工程實(shí)踐能力。階梯式教學(xué)法是一種行之有效的方法，可以因地制宜地應(yīng)用到其他課程的教學(xué)中。

需要說明的是，教學(xué)效果的提高是多方面因素共同作用的結(jié)果，筆者在教學(xué)過程中采取的嚴(yán)格管理、精心設(shè)計(jì)等手段也起到了重要作用。

目前的教學(xué)效果距離“全體學(xué)生能力有效提高”的目標(biāo)尚有一段不小的距離。以后的教學(xué)改革要想取得更大的突破，一方面要把階梯式教學(xué)法繼續(xù)落實(shí)、做細(xì)，另一方面要和其他方法、手段有效結(jié)合起來。

[1] GAGNé R M.Contributions of learning to human development[J].Psychological Review，1968，75（3）：177-191.

[2] GAGNé R M.Learning hierarchies[J].Educational Psychologist，1968（6）：1-9.

[3]HARING N G，LOVITT T C，EATON M D，et al.The Fourth R：Research in the Classroom[M].Columbus，OH：Charles E.Merrill Publishing Co，1978.

[4] 程鴻勛.生命發(fā)展階梯：階梯式學(xué)習(xí)法（全新修訂版）[M].北京：朝華出版社，2010.

[5]南麗麗.階梯式教學(xué)法在C語言教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2008（7）：75-76.

[6] 周龐榮，易 斌.“梯進(jìn)式軟件工廠”教學(xué)模式初探[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（24）：136-138.

[7]吳險峰.階梯式誘導(dǎo)——針對低起點(diǎn)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)教學(xué)探索[J].新課程研究，2010（17）：69-71.