谈计算机网络自上而下和自下而上教学

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摘要：比较和分析两种不同的教学方法对提高计算机网络教学质量的意义，分别从整体和局部、兴趣的激发、难易程度、对工程思维的培养以及具体的知识点5个方面对这两种教学方法进行阐述，并针对两种教学方法的不同特点，给出相关的教学建议。

关键词：计算机网络；整体和局部；兴趣的激发；工程思维

0引言

计算机网络课程是计算机相关专业的基础课程，了解和掌握计算机网络知识、培养工程思维和创新能力对计算机专业学生有着重要意义。特别是在国家大力提倡互联网+战略、物联网如火如荼发展的今天，计算机网络教学尤其重要，而一种好的计算机网络教学方法不仅可以让学生掌握相关知识，同时又能培养创新意识和创新能力[1]，使其成长为符合时代需求的人才。因计算机网络的分层结构，目前计算机网络教学也是按照这种层次结构进行的，但计算机网络教学有其特殊性，即可以从网络的最上层开始讲解，依次到最下层，其授课顺序为：应用层、传输层、网络层、链路层和物理层，我们称之为“自上而下”的教学方法；或者相反，从物理层开始讲解，然后链路层、网络层、传输层再应用层，我们称之为“自下而上”的教学方法。事实上，计算机网络最著名的两本教材分别采用了其中的一种方法，由JamesF.Kurose和KeithW.Ross主编的《计算机网络：自顶向下方法》[2]采用了“自上而下”的方法；而由AndrewS.Tanenbaum和DavidJ.Wetherall主编的《计算机网络》[3]采用了“自下而上”的方法。这两种方法的比较和分析对计算机网络教学有重要意义，只有了解这两种教学方法的特点，才能针对不同的学生选择相应的教学方法，并在教学过程中充分发挥相应教学方法的特点，从而提供计算机网络教学质量。

1局部和整体

“自上而下”的教学方法从应用层和传输层开始讲解，前者主要涉及客户端、服务器的关系或者对等点（peertopeer）的关系，对网络而言是整体的关系。同样，传输层涉及的也是网络上两个终端节点之间的通信问题，所以也是基于网络的整体结构；而网络的底层（如链路层），主要涉及两个可以直接通信的节点的通信问题，也就是针对网络的局部。因此，“自上而下”的教学方法可以认为是从网络的整体到局部的讲解方法，而“自下而上”的教学方法则是从网络的局部到整体的讲解方法。通常认为，从“局部到整体”是一个循序渐进的过程，这种方法使学生更能容易掌握所学知识，但另外一种观点认为这种教学方法不能很好地激发学生的学习兴趣和欲望，从而让学习成为一种被动的接受；相反，“从整体到局部”的教学思想强调目的性,先搭建起为完成项目任务所需的知识骨架,再顺着骨架分别伸向枝节各部分，这种教学思想符合一般人做事的“目的”性原则，所以更能激发学生学习的兴趣[4]。从实际教学分析，“从整体到局部”确实起到快速激发学生兴趣的目的，例如，在讲解TCP的拥塞控制，按照“自上而下”方法授课的学生，会自然地将TCP的拥塞控制和具体的应用联系起来，思考某个具体的应用在TCP拥塞控制的机制下的行为方式。“自下而上”授课的学生，因还没有学习应用层，所以无法与相应的应用场景进行关联，学习相对枯燥，但同时，“自下而上”教学方法使学生对基础知识的掌握相对要更牢固，这也是“从局部到整体”这种循序渐进的教学方法的优势所在。通过对不同程度的学生的教学进行分析可以发现，“自上而下”的教学方法更适合程度相对较高的学生，通过这种“从整体到局部”的讲解，使他们更容易激发兴趣，加深对所学知识的思考、理解；而“自下而上”的教学方法更适合程度相对较低的学生，使他们更容易掌握基础知识。武汉大学国际软件学院在给本学院的留学生（程度相对较低）讲授计算机网络课程时，通常采用“自下而上”的教学方法。

2兴趣的激发

兴趣在教学中有着重要意义和地位，兴趣是学生求知的内在动力和愉快学习的诱因；兴趣是牢固掌握知识和深入理解知识的保障；兴趣能维持长久注意，保持学习热情。另外，兴趣具有德育价值，是促进个性全面发展的要素，也能推动自我终身学习，对成功成才具有特殊意义[5]，所以对哪种方法更适合激发兴趣的分析有着重要的意义。“自上而下”的教学方法从应用层切入，如Web（HTTP）、邮件、域名转换（DNS）等，大多数学生之前已经使用过这些应用，但他们的认识大多停留在应用层面，却不知道这些应用背后的原理。通过应用层内容的学习后，学生会有一种豁然开朗的感觉，能快速激发兴趣。例如，平时学生都会用一些P2P软件（如BitTorrent），对于P2P软件的下载速度为何会远远快于通常的下载方式，以及用户是如何找到不同的下载方式的，学生带着这些疑惑来课堂，而通过P2P知识的学习能解开这些疑惑，极大地激发学习兴趣。“自下而上”这种教学方法从物理层、链路层的内容开始讲解，涉及的更多是理论原理方面的知识，如物理层主要讲解数据通信的理论基础、数字的调制解调等，而链路层主要讲解流量控制、差错控制等，这些内容相比于应用层的具体应用，略显枯燥，无法迅速激发学生的兴趣。

3难易程度

计算机网络的一个重要知识点是数据传输，而这个知识点是贯穿网络各个层的。“自上而下”先从整体上讲解数据传输，即终端到终端的数据传输（应用层、传输层），再描述数据是如何在网络中转发的（网络层），之后描述从直接相连的两个节点的传输（链路层），可以归纳为数据传输的讲解是从全局到局部的一个过程；而“自下而上”的教学方法先讲解点到点的传输（链路层），而后是网络的数据转发（网络层），最后端到端的数据传输（传输层、应用层），可以归纳为数据传输的讲解是从局部到全局的一个过程。从这个知识点来比较，“自上而下”的教学方法要求相对更高，它要求一开始就要站在全局的角度来理解具体的技术架构；而“自下而上”的教学方法从最容易理解的两个直接相连的节点之间传输开始讲起，所以难度相对较小。网络的各层都是通过调用其下一层的功能来实现自身的功能，即每一个协议层的讲解必然会涉及下层的内容。“自下而上”因先讲授下层的知识，后学习上面层的知识，所以在学习涉及下层内容的时候，学生已经掌握相关知识，讲授就顺理成章。相反，“自上而下”的教学方法在讲授网络各层的时候，学生并未掌握相关的下层内容，讲授难度增加。例如，在讲解应用层的时候，必然会讲解Socket的调用，而Socket是传输层将其功能提供给应用层的一个接口，通常传输层会提供两个协议UDP和TCP，所以会提供两个不同的Socket。“自上而下”的方法就要求教师在学生还没有学过UDP和TCP的情况下，通过通俗易懂的方式来描述两种不同协议对应的Socket，这无论对教师还是学生，都有一定难度。传输层和链路层在计算机网络里是两个非常相似的层，它们实现着部分相同的功能：如流量控制、可靠性传输、差错检测等。“自上而下”先讲授传输层，而“自下而上”先讲授链路层，这造成了流量控制、可靠性传输、差错监测等内容通过不同的层来讲解，即“自上而下”在传输层讲授，而“自下而上”在链路层讲授。从教学的实践来看，通过链路层的讲授更容易使学生接受，因为链路层针对的是两个可以直接通信的节点之间的传输，比较形象直观，比学生通过在这种传输的模型下理解流量控制、可靠性传输、差错检测等概念相对较容易。

4知识点的比较

4.1可靠性传输“可靠性传输”是计算机网络非常重要的一个知识点。“自上而下”和“自下而上”两种方法都是通过循序渐进的方式来学习这个知识点，即先假设信道是非常完美的，之后信道是可产生错误的，最后信道是可造成数据丢失的，在这些不同的条件下如何来实现“可靠性传输”。循序渐进的方式让学生容易理解“可靠性传输”的原理，所以两种方法都能实现很好的教学效果。这里有个小差别是“信道假设”，对于“自下而上”这种方法来说，因为已经通过物理层了解“信道”的概念，所以这种假设容易理解；而对于“自上而下”的学生来说，还没有学过“信道”，不好理解。更重要的一点是，传输层是处理终端到终端的传输，实际上不涉及“信道”，这里的“信道”更应该是一个抽象的意义，将从发送端到接收端的一个路径抽象成“信道”。显然这种抽象的“信道”会对学生的理解造成一定的困难。“可靠性传输”有三种机制：停等式、回退n和选择重传。有趣的是在实际中，停等式应用在Wi-Fi网络，也就是链路层的内容，而回退n和选择重传应用在TCP中，也就是传输层的内容。而在实际教学中，为了保持“可靠性传输”讲解的完整性，这些内容是同时讲解的。那么在哪个层讲解这些内容更适合？我们倾向于在传输层中讲解“可靠性传输”（即对应“自上而下”的教学方法），因为要理解回退n和选择重传这两种机制，需要基于数据并不是按顺序到达这一条件，但链路层是点对点的传输，数据通常是按顺序到达的，所以实际上并不满足这个条件，这造成了在链路层讲解“可靠性传输”容易让学生产生疑惑。4.2MAC层的比较“自上而下”和“自下而上”这两本教材关于MAC层的差别是：“自下而上”将MAC独立成一章节讲解，而“自下而上”并没有独立出来，放在链路层讲解。尽管MAC属于链路层的一个子层，但我们更倾向于将其独立出来讲解，这是因为虽然作为子层，但MAC层更加重要，只有对MAC层理解了才能真正理解链路层，如只有对MAC层的信道接入协议CSMA/CD和CSMA/CA的深度理解才能真正理解以太网和Wi-Fi网络。因独立成章，“自上而下”教学方法将以太网和无线网络都包括在MAC章节，由此，CSMA/CD和以太网、CSMA/CA和无线网络形成了一个统一的章节，有助于学生更好地比较、理解这些技术；而在“自上而下”的教学中，这些知识点分散在不同的章节，不利于学生进行系统地理解。“自上而下”和“自下而上”两种教学方法对MAC中的信道接入都是按照分类的方式来讲解。稍微有点不同的是“自上而下”将其分为信道划分（channelpartitioning）、随机接入（randomaccess）和分配接入（takingturns）3种方式；而“自下而上”分为竞争方式（contention）、无冲突方式（collision-free）以及有限竞争（limited-contention）。其中随机接入等同于竞争方式，而分配接入等同于无冲突方式。这种分类的讲解对以后理解其他新的接入协议非常重要，有利于培养学生的自学能力。另外，两者的讲解都侧重竞争方式（随机接入），这也是非常合理的安排，因为竞争方法是目前计算机网络采用的主要方式。4.3ARP协议的比较ARP是地址解析协议，也就是将网络层的地址（IP地址）解析成链路层的地址（MAC地址）。那么ARP到底应该属于网络层还是链路层，这也是一个有争议的问题。显而易见，要理解ARP协议，就必须先了解IP地址和MAC地址，这也是为什么“自上而下”将其放在链路层来讲解，而不能放在网络层来讲解，因为在学习网络层的时候，学生还没有学习MAC地址。相反，“自下而上”将ARP放在网络层讲解，此时学生已经完成IP地址和MAC地址的学习，所以两者都对ARP的学习做了非常好的处理。因限于篇幅，不再对其他的知识点进行比较，不过有兴趣的读者可以对连接服务、地址分析、路由等方面进行比较。通过上面对3个知识点的分析，可得出这两种教学方法各有特点，在教学的过程中需要充分发挥其优点以及弥补其缺点，从而有利于学生掌握知识。

5对工程思维的培养

计算机网络是一门科学结合工程的学科，但计算机网络课程因其基础性和应用性，更多体现了一种工程性，所以如何通过计算机网络课程培养学生的工程思维是教学的重点。工程过程是一个不可逆的过程，并且实践性很强[6]，这就要求一个好的工程师要具有提出问题、分析问题和解决实践方案的能力。不同于科学思维，工程思维强调将问题简单化和标准化，只有简单化和标准化的解决方案才能应用到实践中去。计算机网络是培养学生工程思维非常好的一门课程。计算机网络本身是一个非常复杂的事物，但因其分层化（分模块），每层的复杂度显著降低，且只有有着上下关系的层之间才有交互，而交互主要是简单的数据传递，所以进一步降低了其复杂度。模块的标准化和模块之间交互的标准化，是使得计算机网络能够取得成功的一个重要原因。无论是“自上而下”还是“自下而上”的教学方法都体现了计算机网络的分模块化和标准化，所以这两种方法都能非常好地培养学生的工程思维。所不同的是“自上而下”是站在整体的角度，对网络从上而下的分割，最终完成对网络的整体认识；而“自下而上”是从局部出发，对网络进行从下而上的分割，最终也完成对网络的整体认识，两者有着异曲同工的作用。

参考文献：

[1]姚琳,孙伟峰,吴国伟,等.计算机网络教学方法探讨[J].计算机教育,2011(19):70-73.

[2]AndrewST,DaviJW.计算机网络[M].5版.严伟,潘爱民,译.北京:清华大学出版社,2012.

[3]JamesFK,KeithWR.计算机网络:自顶向下方法[M].6版.陈鸣,译.北京:机械工业出版社,2014.

[4]梁启勇.“从整体到局部”的思想在专业教学中的运用[J].交通职业教育,2006(2):50-51.

[5]郭戈.关于兴趣教学原则的若干思考[J].教育研究,2012(3):119-124.

[6]贾广社,曹丽.工程师的工程思维培养[J].自然辩证法研究,2008(6):71-75.

作者:林海 朱卫平 谢榕 单位:武汉大学国际软件学院