计算机网络过程分析启发式教学设计的一个实例

摘要：运用启发式教学法可以很好的提高计算机网络课程的教学效果。该文以“计算机网络”课程中的“VLAN通信过程”为例，针对如何进行启发式教学给出了基于过程分析的教学设计，收到良好的效果。

关键词：启发式教学；计算机网络；过程分析；实例

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5517-03

中国古代著名的教育家孔子是启发式教学的真正创始人，其至理名言“不愤不启、不悱不发”八个字是关于启发式教学的高度概括。古希腊著名的哲学家和教育家苏格拉底提出的“产婆术”也是属于启发式教学，其强调用"问答法”来启发学生的独立思考以探求真理。在教学过程中，孔子是以学生为中心，让学生在学习过程中自始至终处于主动地位，让学生主动提出问题、思考问题，让学生主动去发现和探索，教师只是起指导和促进作用。苏格拉底则是以教师为中心，学生完全按照教师的指示去做，这种启发式虽然也能使学生印象深刻，但是由于学生的主动性发挥不够，对于较复杂问题的理解，即涉及高级认知能力的场合，恐怕对问题难以理解得很深入。因此，孔子的启发式有更深刻的认知心理学基础，更加符合学生的认知规律，因而具有更高的理论价值。

现代教学论中的启发式教学思想，是在辩证唯物主义的认识论指导下，批判地继承了过去的教学理论遗产，在现代心理学和教育学发展的基础上进一步完善起来的。其实质在于调动内因，正确处理教与学的相互关系。目前，一些教学法改革中的许多创造和见解，都是把启发式教学思想和具体专业课程相结合演变而来的。该文结合《计算机网络》的课程教学，提出一种强调教师和学生互动的基于过程分析的启发式教学法，并给出一个具体实例。

1 基于过程分析的启发式教学机理分析

启发式教学被证明是一种培养学生主动学习、积极思维的良好方法，然而如何开展启发式教学却有很多不同的途径，但目标是一致的，即传授知识+形成方法+培养能力，具体说就是：准确、明晰的概念，完整的知识，主动的思考如分析能力，鉴别正确与错误的能力，自我学习，从爆炸的信息中获得有用知识的能力。其内部机理可归纳为以下六点：

1) 简易性：由浅入深，从学生最容易理解的地方入手。

2) 连贯性：按照信息经过的环节一步一步进行。

3) 集中性：每到一个环节，集中解决一个问题，逐一攻破。

4) 全面性：与该过程相关的所有设备或软件的相关协议，功能在它该起作用的地方一一亮相，无一遗漏。

5) 深刻性：在涉及到的协议或各功能等角色进行分析时，能以其工作原理、工作所需条件、工作过程、工作效果、可能出现的问题等方面进行深入的分析，使学生能够深入的理解各种角色的不同的作用、工作前提条件，与其他角色的配合方法。

6) 关联性：通过对各角色的作用及相关配合的过程分析，深入理解不同角色互相之间的关联关系，理解不同角色在各方面的差异和区别。

2 实施案例及分析

这里以VLAN的通信过程分析为例进行教学设计。首先确定VLAN的通信协议：isl/dot19，VLAN的管理协议：VTP/GVRP。交换机中具有VLAN的通信协议和管理协议。

2.1 问题导入

首先把网络口的计算机划分为两组，每一组内各计算机之间可以直接通信，一组的计算机不能与另一组的计算机直接通信（以后可通过网关（如路由器）实现两个VLAN之间的互联通信）。要求交换机S2和S3能为接口e0/1~ e0/8互相之间提供通信，为接口e0/9~e0/16互相之间提供通信，但两组之间不能通信。

提出如下问题：实现VLAN的功能交换机要具备哪些前提条件？VLAN的主干接口（trunk）与接口（Access）各自在通信中起了什么作用，原理及设置方法是什么？

2.2 案例分析

交换机实现中点交换的过程依据帧中的目的MAC地址查MAC一端口表，决定转发出口根据源MAC学习生成新的MAC表记录。

过程1：进一步发分析A主机发送一个帧到E主机的过程或C主机发送一个帧到F主机

应有结果：AS2S1S3E (VLAN1内)

C S2S1S3F (VLAN2内)

1) VLAN1和VLAN2有哪些公共通道？有哪些专属通道？这些通道的构成有何规律和特点？

2) 公共通道和专属通道对数据有何处理？有什么功能？依据什么原理和工作方式工作？

3) 构成公共通道和专属通道的接口属于什么类型？

2.3 过程分析

从源主机S1的过程，A1以AE 帧传输过程，A帧S2，附加上VLAN标志，S2作法判断：依据目的MAC决定转发选择e0/17，S2作VLAN转发控制：e0/17属于VLAN1，可以转发。

B、CF附加VLAN帧传输S1过程。

S2：附加VLAN2标志。

S2转发选择：依据目的MAC和MAC一端口表，决定转发到e0/17。

S2作VLAN转发控制：e0/17属于VLAN2？应该属于，可以转发否则网络行不通。

小结：以上两例分析，要求e0/17既要属于VLAN1，也要属于VLAN2，该接口要允许多个VLAN数据帧通过，是一种与e0/1~e0/8，以及e0/9~e0/16不同类型的接口，而后者，只需要属于一个VLAN传输一个VLAN的信息。e0/17－提供VLAN共用接口，是一种主干接口（trunk），称为VLAN主干接口（VLAN trunk）。e0/1~e0/8以及e0/9~e0/16－提供单一VLAN接口，称为VLAN访问接口（access）。

2.4 深入分析

VLAN的Access接口和Trunk接口的作用及布置重要概念。

1) Trunk接口的位置及作用

在交换机S1，S2、S3之间的链接通道中，需要传输VLAN1、VLAN2等多个VLAN的多个数据帧，因而这些交换机之间互连的接口必须是Trunk类型。由于规定了一台主机只能属于一个VLAN，交换机与各主机链接的接口仅属于一个VLAN，转为介入VLAN的访问接口（Access），接口内是VLAN的域，接口意外是非VLAN的域。

Access接口需要为每一个进入VLAN域的数据帧附加一个VLAN的标志，该标志在通过每台交换机时用于标志该帧的身份，而Trunk接口只能利用已有的VLAN标志对帧进行转发控制，不能添加或去掉VLAN的标志。

2) VLAN交换机之间转发的过程：

S1的e0/1，e0/2，e0/3以及S3的e0/17都需要采用Trunk接口。

AE帧S2S1S3

CF帧S2S1S3

AE帧的转发过程：AE帧S2：附加VLAN1标志，查MAC表后发向S1，S1根据VLAN1标志转发允许把帧转发到e0/2和e0/3，根据目的MAC决定是把帧发向e0/2（若A发送的是广播帧，则同时转发到e0/2和e0/3）到达S3。

S3：根据VLAN1标志，允许发向e0/1~e0/8。

根据目的MAC，转发到e0/1。

CF帧的转发过程：帧S2，附加e0/9标志，查MAC表转发S1。

S1: 根据VLAN2标志，允许转e0/2。

根据目的MAC（MACF），选择转e0/2到S3。

S3：根据VLAN2标志，允许转e0/9～e0/16。

根据目的MAC（MACF），选择转e0/9。

3) 帧从Acess接口离开VLAN域的过程：当AE帧到达S3的e0/1或CF帧到达S3的e0/9接口，由于该接口是Acess接口，将会把帧中的VLAN标志去除掉，然后向VLAN域外发送（发向主机F）。

2.5 总结

通过口述的过程分析，可以进一步总结出有关VLAN的重要概念。

1) VLAN接口的类型

Acess接口――VLAN交换机连接主机（或其他非VLAN交换机）的接口，该接口需预先指定属于某个VLAN，并对进入的数据帧附加上该VLAN标志，对转发出去的数据帧去除该VLAN标志。

Trunk接口――VLAN交换机相互之间连接的接口，该接口连接VLAN域内的主干通道，是所有VLAN的公共通道，该接口只根据帧中的VLAN标志对VLAN帧进行是否允许转发的控制，不添加或去除VLAN的标志。

2) VLAN的协议

以上分析可以看出，在构建VLAN的交换机中必须具有一套管理VLAN通信的机制，这套机制就是VLAN的通信协议。国内网络通常的VLAN通信协议主要有两种：Dot19――国际标准协议，是依据IEEE 802.19协议标准制定的通用所有的VLAN交换机中；ISL-Cisco公司标准协议，是企业级的标准，应用在Cisco交换机及遵照Cisco标准的其它VLAN交换机中。具有VLAN协议功能的交换机才能用于构建VLAN网络。一些交换机出于经济性的考虑不具备VLAN的功能，不能用于构建VLAN网络。

2.6 知识的拓展

利用口述分析的概念可以进一步拓展与VLAN相关的知识。

1) 交换机的VLAN功能配置方法：以本案例分析为例。

配置要点：网络规划，按图进行规划。

把连接各主机的交换机接口（Access接口）划分到相应的VLAN使每个接口作为某一个VLAN的成员。

例如：

VLAN1：S2的e0/1~e0/8

S3的e0/1~e0/8

VLAN2：S2的e0/9~e0/16

S3的e0/9~e0/16

接着，把各交换机互联的接口设置成主干（Trunk）并指明trunk接口允许哪些允许哪些VLAN通过。

接口，例如：

S2的主干接口：e0/17

S1的主干接口：e0/1~的主干接口：e0/3

S3的主干接口：e0/17

最后，指定利用的VLAN通信协议，如利用dot19。

2) 关于VLAN，VLAN数据库管理协议的有关概念。

问题：在以上分析中有一个过程，在VLAN交换机对帧进行VLAN转发控制中，需要根据帧中的VLAN标志，判断允许转发的端口，交换机怎么知道哪些端口允许转发哪些VLAN呢？这些信息存放在什么地方呢？当需要在网络上改变各VLAN的布局情况时，各交换机中这些信息又怎样跟随改变以适应网络的转变化呢？

解决思路：需要在交换机中建立一套互相通报VLAN变动情况，自动调整VLAN一端口信息表的机制。这套机制就是VLAN数据库及相应的管理协议，不同厂家的交换机采用的协议有所不同，其中较有影响的协议有：VLAN数据库内全体VLAN，Cisco交换机：VTP-VLAN Trunking Protocab，华为交换机：GVRP。VLAN数据库由全体VLAN交换机共同建立，通常把其中一台定为VLAN数据库服务换机，其它为客户机，两种角色。

各交换机VLAN数据库的配置法：

Cisco：[S1] vlanelalabase

[S1] vtp domain域名

[S1] vtp server

华为： GVRP（全局或接口）

最后，有关VLAN数据库及管理协议可放在下一节课进行分析。

3 结束语

该文提出的基于过程分析的启发式教学设计，通过分解为各个步骤之后，由教师提问，转向学生自我启发，一步一步引导学生自己解决问题，是学生由“学会”到“会学”的转换。通过进行针对计算机网络课程的教学模式改革，学生能够掌握解决某一类问题的方法，同时，也极为有效地促进学生问题解决能力和思维能力的发展。随着现代科学技术的进步和教学经验的积累，启发式教学将不断得到丰富和发展。

参考文献：

[1] 谢希仁.计算机网络[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2] 鲁凌云,王移芝.“计算机网络基础”教学过程优化设计的一个实例[J].中国大学教学,2010(12):59-61.

[3] 王志军.启发式教学――启发学生的创新思维[J].实验技术与管理,2009(1):25-27.