《计算机网络基础》教案-任务2 理解数据通信系统

PAGE《计算机网络基础》课程教案模块一认识计算机网络任务2理解数据通信系统项目内容课程名称计算机网络基础授课模块模块一认识计算机网络授课课题任务2理解数据通信系统授课对象职业院校计算机类相关专业一年级学生课时安排4课时（2次课，每课时45分钟）授课类型新授课（理实一体）授课地点多媒体教室+计算机网络实训室教学方法问题驱动法、讲授与示范结合法、竞赛激励法、直观演示法、对比归纳法教学资源教材任务2、演示文稿、波形动画、Wireshark抓包截图、编码波形练习纸、学习平台一、教学目标（一）知识目标1．能说出数制、数码、基数、位权四个基本概念的含义，并能举例说明位权的计算。2．能说出十进制、二进制、十六进制的基数、数码构成及运算规则（逢十进一、逢二进一、逢十六进一）。3．能准确陈述二进制与十进制、十六进制与十进制、二进制与十六进制之间的转换方法及适用口诀。4．能说出数据、信号、信道三个概念及其相互关系，能区分模拟数据与数字数据、模拟信号与数字信号、物理信道与逻辑信道。5．能说出数据通信系统的基本模型由信源、信道、信宿三部分组成，并说明调制/编码与解调/解码的作用。6．能区分单工、半双工、全双工三种通信方式，并能各举一个实际应用例子。7．能说出基带传输的概念与时钟同步问题，能准确陈述不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码的编码规则及优缺点。8．能说出比特、比特率、字节等存储单位的定义及换算关系（1B=8bit，1KB=1024B，依次类推至PB）。9．能说出串行传送与并行传送的区别，以及频分复用、时分复用、波分复用、码分复用四种信道复用技术的原理与典型应用。（二）能力目标1．能熟练、准确地完成二进制、十进制、十六进制之间的相互转换（如172与10101100、252与FC、5D与1011101等）。2．能进行存储单位换算，如熟练算出3GB等于3221225472B。3．能识别常见编码波形图，根据波形判断其采用的编码方式，并能按给定比特序列手工绘制三种编码波形。4．能结合生活实例判断通信方式类型（广播、对讲机、电话），并说明判断依据。5．能说明在设备配置界面与抓包工具中，同一信息以不同进制呈现的原因，并能在两种表示间快速转换。（三）素质目标1．通过“为什么配置IP用十进制、抓包看到的是十六进制”这一认知冲突，激发探究兴趣，体会数制是网络世界的“通用语言”。2．通过进制转换的严格演算，培养严谨细致的计算习惯和一丝不苟的工程作风，树立“错一位、全错”的质量意识。3．通过信道复用技术的学习，体会“一条信道承载多路信号”的集约高效思想，树立资源共享意识。4．在小组闯关与互查互评中，培养责任意识与协作精神。二、教学重点与难点（一）教学重点1．二进制、十进制、十六进制之间的相互转换方法。2．数据通信系统的基本模型及数据、信号、信道三者之间的关系。3．单工、半双工、全双工三种通信方式的区别。4．不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码的编码规则。5．存储单位的概念及换算关系。（二）教学难点1．位权概念的理解与“按权展开，相加求和”法的灵活运用，学生易在权值与位数对应上出错。2．曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的区别——前者以比特时间“中间的跳变方向”承载数据，后者“中间的跳变仅提供时钟同步”，数据由比特开始处有无跳变决定。3．码分复用的原理——用不同码片序列区分各路信号，抽象度较高。4．发送时延与传播时延之外，比特率与字节单位换算的混用（bit与Byte相差8倍），学生易混淆。突破策略1．难点1：用十进制789的“7的位权是100、8的位权是10、9的位权是1”作类比引路，再迁移到二进制“从右往左权值分别为2⁰、2¹、2²……”，并让学生先写权值再代入数码。2．难点2：采用“双波形对比法”——在同一张方格纸上上下并列画出同一比特序列的曼彻斯特波形与差分曼彻斯特波形，用不同颜色的箭头分别标注“数据跳变”与“时钟跳变”，直观呈现差异。3．难点3：用“多人同时在同一房间用不同语言说话，只有懂该语言的人能听懂”作类比，说明码片序列的正交性；不展开数学证明，只要求理解结论。4．难点4：板书固定书写规范“B与b分开写、单位先统一再计算”，并通过“网络带宽100Mbps的宽带，下载1GB文件理论最少需要多长时间”这一真实问题反复训练。三、教学对象与课时安排（一）学情分析本任务面向职业院校计算机类相关专业一年级学生。学生在数学课中已初步接触过二进制，但对“位权”缺乏清晰理解；由于日常只使用十进制，对“为什么还要用二进制和十六进制”缺少内在动机，容易觉得抽象、枯燥。同时，本任务涉及大量演算，学生若只在纸面上听讲，注意力维持时间较短。因此，教学中应以“真实需求”驱动——先让学生意识到“不会进制转换就看不懂抓包、配不好参数”，再以“闯关竞赛+手工画波形”的形式把演算变成可参与的活动，把抽象规则变成看得见的图形。（二）课时安排本任务共4课时（每课时45分钟，共180分钟），分2次课完成，具体安排如下。次序课时教学内容教学形式第一次课2课时数制基础（数制、数码、基数、位权）；三种常见进制及其对比；进制间的相互转换；进制转换限时闯关讲授+演算示范+小组闯关竞赛第二次课2课时数据通信系统的基本概念与基本模型；三种通信方式；计算机网络中的编码技术；存储单位；知识拓展（串行/并行传送、信道复用）；波形绘制实训讲授+动画演示+手工绘图+单位换算练习四、教学方法与手段（一）教学方法1．问题驱动法：以“配置IP用十进制、抓包却是十六进制”这一问题引发认知冲突，驱动全课学习。2．讲授与示范结合法：进制转换采用“教师板书示范一步、学生跟做一步”的方式。3．竞赛激励法：以小组限时闯关的形式完成进制转换训练，提高参与度。4．直观演示法：用波形动画演示三种编码方式的电平变化过程。5．对比归纳法：三种进制、三种通信方式、三种编码方式均以对比表归纳定稿。（二）教学手段1．多媒体课件与编码波形动画，动态呈现编码过程。2．方格纸（或专用波形练习纸）与不同颜色笔，供学生手绘波形。3．Windows计算器的“程序员”模式，用于转换结果的即时验证。4．网络抓包工具（Wireshark）演示截屏，展示十六进制报文字段。5．学习平台（学习通/雨课堂），用于限时闯关、随堂测与作业提交。五、教学准备（一）教师准备1．制作“十进制—二进制—十六进制”对照动画；准备Wireshark抓包截图（展示MAC地址、IP首部字段的十六进制表示）。2．设计进制转换闯关题卡（三级难度：基础题、进阶题、挑战题）与计时记分规则。3．准备编码波形练习纸（含预印时间格），以及三种编码波形的标准答案图。4．准备存储单位换算练习单（含3GB换算等典型题）。5．在实训室电脑上确认Windows计算器的“程序员”模式可用，并制作操作截图。（二）学生准备1．复习数学课中二进制的基本内容，预习教材任务2。2．准备方格纸、直尺与双色笔（画波形用）。3．按4人一组完成分组，组内自行确定“演算员”与“检查员”角色，形成“一人算、一人查”的互查机制。六、教学过程（一）第一次课（2课时，90分钟）1．导入新课（12分钟）——一个矛盾的现象【教师活动】展示两张截图：第一张是Windows网络设置界面中输入的IP地址“192.168.1.1”和端口号“80”（十进制）；第二张是Wireshark抓包窗口中显示的MAC地址“00-1A-2B-3C-4D-5E”和IP首部字段（十六进制）。提问：同样是在描述网络，为什么一处是十进制，另一处却是十六进制？设备内部真正处理的又是什么进制？【学生活动】观察、讨论、自由发言，形成初步猜测。【教师活动】归纳三条线索：为设备配置参数时用十进制，因为这是人最自然的语言；网络设备在链路中传输和处理数据时，使用的是二进制的比特流；分析MAC地址、诊断协议问题时，十六进制因其高效简洁而成为标准的专业语言。三种“语言”在网络工作的不同环节并行存在、缺一不可，因此必须掌握它们的相互转换。【设计意图】以真实工作场景中的“同一信息、多种进制”现象切入，让学生明白进制转换不是抽象的数学练习，而是看懂网络、配好参数、排查故障的必备技能，从而建立学习动机。板书课题“任务2理解数据通信系统”，展示学习目标。2．新课讲授（63分钟）（1）数制基础：数制、数码、基数、位权（12分钟）【教师活动】逐一讲解四个概念并板书要点：数制是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法，若用进位的规则进行计数称为进位计数制，简称进制；数码是用来表示基本数值大小的不同数字符号，如十进制有10个数码0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；基数是数制所使用数码的个数，如二进制的基数为2、十进制的基数为10、十六进制的基数为16；位权是数码在不同位置上的权值，如十进制789中，7的位权是100、8的位权是10、9的位权是1。【学生活动】即时练习：说出十进制365中各位的位权；写出二进制从右往左前四位的权值。【教师活动】归纳“位权即基数在该位上的幂次”这一通式，为后续“按权展开”作铺垫。（2）三种常见进制及其对比（14分钟）【教师活动】分别讲授三种进制并说明各自在网络工程中的角色：十进制是人类社会发展中自然形成的计数体系，以10为基数，采用0到9共十个基本数码符号，遵循“逢十进一”，是网络配置与管理中人机交互的主要界面（IP地址、端口号）；二进制是数字计算机的本质语言，以2为基数，仅使用0和1两个基本符号，契合数字电路的通断、电位高低等二态物理特性，8位二进制构成1个字节（Byte），是网络数据传输的基本计量单位；十六进制是二进制的高效表示形式，以16为基数，使用0到9及A到F六个字母符号，A至F分别对应十进制数值10至15，其核心优势在于1位十六进制恰好等于4位二进制，这种4∶1的映射比例使冗长的二进制串能被大幅压缩表示。【学生活动】完成下表填空，教师巡视后统一订正（对应教材表2-1）。对比维度十进制二进制十六进制数码0、1、2、3、4、5、6、7、8、90、10～9及A、B、C、D、E、F基数10216特点（进位规则）逢十进一，借一当十逢二进一，借一当二逢十六进一，借一当十六典型应用IPv4地址表示、端口号配置、网络参数设置底层数据传输、协议封包处理、硬件指令执行IPv6地址表示、MAC地址表示、内存地址标识可读性符合人类自然认知机器最优，但人类难以直观理解专业场景下具有良好的可读性（3）进制间的转换（37分钟）【教师活动】按“三类转换、六个方向”逐一示范，每讲完一个方向立即让学生跟做一道题。【教师示范】二进制转十进制——采用“按权展开，相加求和”法，从右往左权值分别为2⁰、2¹、2²……。示例：将（110101）₂转换为十进制：1×2⁵+1×2⁴+0×2³+1×2²+0×2¹+1×2⁰=32+16+0+4+0+1=53，即（110101）₂=（53）₁₀。【教师示范】十进制转二进制——采用“除2取余，逆序排列”法。示例：将（172）₁₀转换为二进制，逐步除2取余后自下而上读取，最终得出（172）₁₀=（10101100）₂。给出记忆口诀：除后取余数，从下数到上，从左写到右。【教师示范】十六进制转十进制——同样采用“按权展开，相加求和”法，从右往左权值分别为16⁰、16¹、16²……。示例：将（2F）₁₆转换为十进制：（2×16¹+15×16⁰）₁₀=（2×16+15×1）₁₀=（47）₁₀。【教师示范】十进制转十六进制——采用“除16取余，逆序排列”法，余数10～15需写成A～F。示例：将（252）₁₀转换为十六进制，除16取余后逆序得（FC）₁₆。【教师示范】二进制转十六进制——采用“取四合一”法，以二进制最右侧一位为起点，向左侧每4位拼成一组，若高位端不够4位则在最左边加0补齐，再查对照表转换。示例：将（110101）₂转换为十六进制：高位补0得00110101，即（35）₁₆。【教师示范】十六进制转二进制——把每一位十六进制数拆成4位二进制数，合并后去掉高位多余的0。示例：将（5D）₁₆转换为二进制：01011101，去掉高位0得（1011101）₂。【学生活动】跟随练习并在组内互查：①（101100）₂转十进制；②（200）₁₀转二进制；③（3E）₁₆转十进制；④（100）₁₀转十六进制。【教师活动】归纳三条规律并板书：二进制与十六进制之间的转换因4∶1的对应关系最为简便，应优先使用“分组法”而不是先转十进制；十进制与二进制、十六进制之间的转换，整数部分统一使用“除基数取余，逆序排列”法；所有转换完成后，必须用反向转换或计算器验证。3．实践操作（10分钟）——进制转换限时闯关【任务规则】以小组为单位答题，题卡分三级：基础题（十进制与二进制互转）、进阶题（十六进制与十进制互转）、挑战题（二进制与十六进制直接互转，含补0分组）。限时8分钟，组内“演算员”负责作答、“检查员”负责验算，全对的小组按完成顺序获评“转换达人”。【教师活动】公布答案并针对集中出错点点评，例如：除2取余后未逆序排列、十六进制中把10写成“10”而非“A”、二进制转十六进制时忘记左端补0补齐4位。【设计意图】把机械的演算训练转化为有竞争感、有分工的小组活动，既保证练习量，又在“一人算、一人查”的机制中自然形成互查纠错的习惯。4．课堂小结（5分钟）【教师活动】回顾四个概念（数制、数码、基数、位权）与六个转换方向，强调“4∶1分组法”的便利性和“逆序排列”的易错点。让学生用一句话回答课首提出的问题：设备内部真正处理的是什么进制？（答：二进制。）（二）第二次课（2课时，90分钟）5．复习导入（5分钟）【教师活动】随机抽查两道进制转换题，随后提问：二进制比特要在网线、光纤上传输，靠什么形式实现？从而引出“信号”这一概念。6．新课讲授（55分钟）（1）数据通信系统的基本概念：数据、信号、信道（8分钟）【教师活动】讲授三个概念及其关系：数据是信息的载体，通常以数字、文字、图像、声音等形式存在，从通信信号的角度看，连续变化的模拟量称为模拟数据，以0和1二进制代码组成的数据则为数字数据；信号是数据的载体，分为模拟信号与数字信号，模拟信号是在时间与幅度上均连续的物理量，数字信号是在时间与幅度上均为离散并量化为二进制码的序列；信道是传输信号的通道，可分为物理信道和逻辑信道，物理信道指用于传输数据信号的物理通路，逻辑信道则是通信双方之间的数据传输的逻辑通路。【学生活动】完成“数据—信号—信道”三者关系的表格填写（对应教材表2-3）。要素角色作用示例数据传递的内容承载通信的核心信息文本、声音、图像信号内容的载体将数据转换为可传输的物理量电信号、光信号、电磁波信道传输的通道为信号提供传输路径网线、光纤、卫星链路（2）数据通信系统基本模型（10分钟）【教师活动】讲授基本模型由信源、信道、信宿三个基本部分组成：数据的发送方称为信源（数据源），数据的接收方叫信宿（数据目的地），信道是数据从信源到信宿的传输通道。信源产生的原始数据首先在发送设备中被调制或编码，转换为适合信道传输的信号形式——对于模拟通信这一过程称为调制，输出的是连续变化的模拟信号；对于数字通信，数据经过编码后以数字信号形式发送。信宿接收信号时，模拟通信的接收设备对信号进行解调，数字通信的接收设备则对信号进行解码，最终信宿得到信源发送的原始数据。【学生活动】对照教材图2-2，用自己的话讲述“打电话”这一过程中的信源、信道、信宿，以及模拟通信中的调制与解调分别发生在哪里。（3）三种通信方式（10分钟）【教师活动】按数据传输的方向和模式讲解三种方式并逐一举例：单工通信——通信双方中一方固定为发送端、另一方固定为接收端，数据只能沿一个方向传输，如广播系统中广播站发送、听众接收；半双工通信——双方可以发送和接收数据但不能同时进行，同一时间只能有一个方向的数据传输，如对讲机；全双工通信——双方可以同时发送和接收数据，两个方向的传输互不影响，如电话系统、视频通话。【学生活动】快速判断练习：对讲机、微信语音消息、视频会议、校园广播，分别属于哪种通信方式？请说明判断依据。（4）计算机网络中的编码技术（20分钟）【教师活动】先铺垫基带传输的概念：把信源生成的“0”“1”组合信号不加以调制、直接用来传输的信号传输方式，称为基带传输，它保留信号固有的基础频率，是最简单的数字信号传输方式；近距离通信中基带信号衰减不大、保真度高，因此在计算机网络尤其是局域网通信中被广泛采用。随后指出问题：理想情况下基带传输会生成连续方波，当原始数据出现连续“0”或“1”时，信号电平长时间不变，接收方无法判断信号的起止点，即时钟同步问题。解决办法就是引入编码技术。【教师活动】逐一讲解三种编码方式的规则，并在黑板上同步画出波形。①不归零（Non-ReturntoZero，NRZ）编码：最简单直接的编码，用高电平代表“1”，低电平代表“0”。优点是简单、容易实现；缺点是出现连续多个“0”或“1”时，信号电平长时间不变，接收方容易失去同步，不知道一个比特何时结束、下一个何时开始，因此需要额外传输同步时钟信号。②曼彻斯特（Manchester）编码：为解决同步问题而产生，规定在每个比特的时间中间都必须发生一次电平跳变——从高到低的跳变（↓）代表“1”，从低到高的跳变（↑）代表“0”。这种“每次必跳”的特性使跳变本身成为一个内置的时钟信号，确保接收方能够自动与发送方保持同步，因此被称为“自同步”编码。③差分曼彻斯特（DifferenceManchester）编码：是对曼彻斯特编码的改进，在每个比特时间的中间同样有一次跳变，但这个跳变仅用于提供时钟同步，不代表数据本身；数据的“0”或“1”由每个比特开始时是否发生电平跳变来判定——有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。这种方式进一步增强了抗干扰能力；又因差分曼彻斯特编码的变化比曼彻斯特编码少，因此更适合传输高速的信息，被广泛用于宽带高速网中。【学生活动】口答判断：给定一段波形图（教材图2-4、图2-5、图2-6），说出各图对应的编码方式及依据。【教师强调】曼彻斯特与差分曼彻斯特的关键区别在于“跳变的分工”——曼彻斯特“中间的跳变管数据”，差分曼彻斯特“中间的跳变管时钟，开始处有无跳变才管数据”。（5）计算机系统中的存储单位（7分钟）【教师活动】讲解比特（bit，简写为b）是计算机和数据通信中最小的数据单位，值只能是0或1；比特率是单位时间内通过信道传输的二进制比特的数量，基本单位是比特每秒（bit/s或bps），日常生活中所说的“百兆带宽、千兆速率”用的就是比特率；字节（Byte，简写为B）是计算机中用于数据处理、存储和寻址的基本单位，1个字节由8个比特构成，8个比特位可以产生256种不同的组合，足以支撑计算机使用特定的编码规则（如ASCII码）表示所有的英文字母、数字、标点符号及控制字符。【教师活动】讲解更大存储单位：以字节为基准，基于二进制转换的原则，以1024（即2的10次方）为进位的倍级层层递增——1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB。【例题演示】一部高清电影大小为3GB，换算为字节：3GB=3×1024MB=3×1024×1024KB=3×1024×1024×1024B=3221225472B。引导学生理解：从绝对数字看，字节的确是一个比较小的量级，因此必须掌握更大存储量级之间的换算方法。【学生活动】完成换算练习：①2TB=？GB=？MB；②一个500KB的文档，约合多少字节？【易错提醒】强调bit与Byte相差8倍，书写时b与B不能混用；带宽用bit/s，存储容量用Byte，二者不可直接比较。7．知识拓展（8分钟）【教师活动】讲解串行传送与并行传送的区别：串行传送是数据在一条信号线上一位接一位按顺序依次发送，虽然速度较慢，但收发两端只需一根传输线即可，造价低，在计算机网络中被普遍采用；并行传送利用多条数据线在同一时刻同时发送多个比特，单位时间内传送的信息量比串行传送高出好几倍，但需要几根传输线、设备费用相应提高，因此一般用于近距离传输。【教师活动】简介四种信道复用技术：频分复用（FDM）——将物理信道的总频带划分成多个互不重叠的子频带，各路信号同时传输但占据不同频率范围，实现简单但需预留保护频带，典型应用有广播电台、第一代蜂窝电话系统、有线电视系统；时分复用（TDM）——按时间划分，将传输时间划分成等长时隙，各路信号按固定顺序轮流占用整个信道带宽，适合数字信号传输，但某路无数据时隙会空闲、降低线路利用率，典型应用有E1/T1线路、第二代移动通信系统；波分复用（WDM）——本质上是光的频分复用，利用不同波长的光载波在一根光纤中同时传输多路光信号，单根光纤传输容量可达太比特级，应用于骨干光传输网、海底光缆、数据中心互联；码分复用（CDM）——用不同的编码序列区分各路信号，每个用户被分配一个独特的码片序列，多个信号可以在相同时间、相同频率上传输，接收端通过独特的码片序列识别并分离出属于自己的信号，抗干扰能力强、系统容量大但解码复杂，典型应用是3G移动通信（CDMA）。【类比助记】以“多车道高速公路”类比：一条物理信道好比一条多车道高速路，复用技术好比划分车道，让多辆车并排行驶而不是一辆接一辆排队通过。8．实践操作（12分钟）——编码波形绘制【任务要求】给定比特序列“10011010”，在编码波形练习纸上纵列画出不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码三种波形，要求标注比特时间格线、标注每一跳变的含义（数据跳变/时钟跳变）。【实施步骤】①先画NRZ波形（高电平表示1、低电平表示0）；②在NRZ波形下方画曼彻斯特波形，每个比特时间中点必须有一次跳变，1为高到低、0为低到高；③在第三行画差分曼彻斯特波形，每个比特中点均跳变（仅作同步），比特开始处有跳变表示0、无跳变表示1。【教师活动】投影标准答案图，组织学生两两交换批改；随后追问“如果用示波器看到一条只在比特中点跳变、开始处无跳变的波形，你能读出数据吗”，检验学生是否真正掌握判据。9．课堂小结（5分钟）【教师活动】以两条主线收束：一条是“数制线”——数制、数码、基数、位权→三种进制对比→六个方向的转换→存储单位换算；另一条是“通信线”——数据、信号、信道→基本模型（信源、信道、信宿）→三种通信方式→三种编码方式→信道复用。【学生活动】口头回答三个问题：①1字节等于多少比特？②哪种编码是自同步的？③“百兆带宽”的单位是bit/s还是Byte/s？10．作业布置（3分钟）1．【必做】完成教材“实战练习”第一大题（单项选择题1—5题）、第二大题（判断题1—3题）、第三大题（填空题）、第四大题（应用题1—2题）。2．【必做】把本人学号转换为二进制数和十六进制数，再用反向转换验证结果是否正确，写清演算过程。3．【拓展】用Windows计算器的“程序员”模式验证课堂练习中的四次转换，截图上传学习平台，并记录一处自己算错的地方及原因。4．【预习】阅读教材任务3“解密网络体系结构与协议”，思