《计算机网络基础》教案-任务1 初识信息系统与计算机网络

PAGE《计算机网络基础》课程教案模块一认识计算机网络任务1初识信息系统与计算机网络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1初识信息系统与计算机网络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情境教学法、案例教学法、任务驱动法、对比讲授法、启发式提问法教学资源教材任务1、演示文稿、情境微课、拓扑动画、PacketTracer/eNSP、学习平台、组网实物一、教学目标（一）知识目标1．能说出信息系统的概念，并能准确列举其六个组成部分（计算机硬件、网络和通信设备、计算机软件、信息资源、信息用户、规章制度）。2．能说出信息系统输入、存储、处理、输出、控制五个基本功能的含义及作用。3．能说出计算机网络发展经历的四个阶段及每个阶段的标志性事件（分组交换概念的提出、ARPANET的诞生、OSI/RM的制定等）。4．能说出计算机网络技术的发展趋势（高速化、移动化、智能化、泛在化）。5．能准确表述计算机网络的概念，并说出其数据通信、资源共享、分布式处理、负载均衡、提高系统可靠性五项功能。6．能按覆盖范围、传输介质、传输技术三种依据对计算机网络进行分类，并说明各类网络的特点。7．能说出总线型、星型、树型、环型、网状五种拓扑结构的特点、优缺点及适用场景。8．能说出信道、速率、带宽、吞吐量、时延（含发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）、往返时间等性能指标的含义及单位。（二）能力目标1．能对照校园一卡通、教务管理系统等身边的信息系统，分析其六个组成部分。2．能判断一个实际网络（如校园网）中哪些设备属于资源子网、哪些属于通信子网。3．能根据给定组网需求（如小型公司办公网）选择合适的网络拓扑结构，并说明选型理由。4．能在PacketTracer等模拟软件中搭建星型、总线型拓扑并观察数据转发过程。5．能运用发送时延、传播时延公式进行简单的时延估算，并正确使用单位。（三）素质目标1．通过“从网购看网络的送货系统”情境，体会网络技术对生产生活的支撑作用，增强专业认同感与学习兴趣。2．通过了解ARPANET的诞生与我国互联网的发展，感悟科技自立自强的意义，厚植家国情怀。3．在小组方案设计与汇报中，培养团队协作、沟通表达与倾听他人意见的职业素养。4．通过认识“遵循统一标准才能互联互通”，树立标准意识与规范意识。二、教学重点与难点（一）教学重点1．计算机网络的概念、组成（资源子网与通信子网）及五项基本功能。2．计算机网络的三种分类依据，以及局域网、城域网、广域网的区别。3．总线型、星型、树型、环型、网状五种拓扑结构的优缺点及适用场景。4．速率、带宽、吞吐量、时延等网络性能指标的含义与单位。（二）教学难点1．资源子网与通信子网的划分依据及其相互关系，学生易与“主机—终端”等概念混淆。2．五种拓扑结构的工程选型判断——为什么家庭和办公室用星型、骨干网用网状、树型适用于大型分层网络。3．发送时延与传播时延的区别与计算，涉及单位换算，学生易出错。突破策略1．难点1：以“快递系统”类比贯穿——资源子网对应发货方与收货方（处理与提供资源），通信子网对应道路与中转站（传输与转发）；辅以校园网实物图标注。2．难点2：用同一组设备（20台主机+交换机+服务器）分别按星型、总线型、网状组网，在模拟软件中演示故障影响范围，让学生“看见”差异，再归纳选型原则。3．难点3：板书分步演示“数据帧长度÷信道带宽”，并统一单位（bit与bit/s），给出“先统一单位、再代入计算、最后写单位”三步口诀。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（计算机网络技术、计算机应用技术等）一年级学生。学生已具备基本的计算机操作能力，日常生活中是网络的重度使用者，对“上网”“Wi-Fi”“流量”有丰富的感性经验，但缺乏系统的概念认知与结构化的知识框架，抽象概念的理解能力相对薄弱，对纯理论讲授的耐受度不高。因此教学中宜“先感性后理性、先实例后概念”，多用生活类比、实物观察和动手操作，把抽象概念落到学生熟悉的事物上；同时搭建阶梯式提问，引导学生从“会用”走向“懂理”。（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课时信息系统的概念、组成与五个基本功能；计算机网络的发展历程与趋势；计算机网络的概念、组成与功能多媒体讲授+案例分析+小组讨论第二次课2课时计算机网络的分类；五种拓扑结构；网络性能指标；实践操作与方案汇报对比讲授+模拟实训+小组汇报四、教学方法与手段（一）教学方法1．情境教学法：以“从网购看网络送货系统”创设真实情境，贯穿全课。2．案例教学法：以校园一卡通系统、教务管理系统、小型公司办公网为案例载体。3．任务驱动法：以“为小型公司设计组网方案”为驱动任务，牵引知识学习。4．对比讲授法：拓扑结构、网络分类等采用对比表形式归纳，突出差异。5．启发式提问法：通过“如果没有地址标签会怎样”“为什么家庭不用网状”等问题引导思考。（二）教学手段1．多媒体课件与情境微课视频，直观呈现抽象概念。2．拓扑结构动画与挂图，动态演示数据流向与故障影响范围。3．PacketTracer/eNSP模拟软件，支持拓扑搭建与数据转发观察。4．学习平台（学习通/雨课堂），用于课前问卷、随堂测、作业提交与互评。5．实物教具：交换机、双绞线、水晶头、T型连接器、网卡，供学生观察辨识。五、教学准备（一）教师准备1．制作“从网购看网络的送货系统”情境微课（3分钟）；准备信息系统六要素与校园一卡通系统的对照图示。2．准备网络发展四阶段时间轴动画、五种拓扑结构动态示意图。3．准备星型组网实物一套（交换机1台、双绞线若干、网卡），供课堂传阅观察。4．在实训室电脑上安装并调试PacketTracer（或eNSP），预装星型、总线型两个示例拓扑文件。5．设计小组任务单（含组网需求、讨论提纲、汇报要点）与小组互评表。6．在学习平台发布课前问卷“你家里的网络是怎么连接的”，并统计结果。（二）学生准备1．预习教材任务1内容，标记不理解的概念。2．用手机记录一次网购从下单到收货的完整过程（截图或简记），课上用于情境讨论。3．完成课前问卷，观察并描述自家路由器的接口与连接方式。4．按4人一组完成分组，选定组长与记录员。六、教学过程（一）第一次课（2课时，90分钟）1．导入新课（15分钟）——情境感知：生活中的网络【教师活动】播放“从网购看网络的送货系统”情境微课：手机下单→订单信息上传→物流中转→商家服务器签收。提问：“我在网购时，手机是怎么知道商家发货了呢？”【学生活动】结合课前记录的网购过程自由发言，尝试用自己的话解释信息是如何传递的。【教师活动】引导学生建立类比关系并板书：手机是“发货点”，商家服务器是“收货点”，中间的路由器、交换机是“快递中转站”；订单信息被拆分成很多“小包裹”（数据包），每个包裹都贴着“地址标签”（IP地址），通过基站、网线这些“运输道路”送到中转站，最后按地址送到商家服务器。【教师活动】追问：“如果包裹没有地址标签，会发生什么？”引导学生得出“数据包丢失”的结论，点明“地址”对网络通信的关键作用。【设计意图】用学生最熟悉的生活场景切入，把“数据包、IP地址、路由器”等生僻术语转化为可感知的形象，降低认知门槛，同时自然引出本任务的三个核心问题：信息系统是什么？计算机网络是什么？它由哪些部分组成？板书课题“任务1初识信息系统与计算机网络”，并展示本任务学习目标。2．新课讲授（70分钟）（1）信息系统及其组成（15分钟）【教师活动】讲授信息系统的概念：信息系统是由计算机硬件、网络和通讯设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。随后以“校园一卡通系统”为实例逐项讲解六个组成部分。【学生活动】对照校园一卡通系统分组讨论：刷卡机、服务器、一卡通管理软件、卡内余额数据、持卡学生与教师、学校用卡管理规定，分别属于信息系统的哪个组成部分？【教师活动】巡视指导，组织2组代表汇报，用下表归纳定稿。组成部分含义校园一卡通中的对应实例计算机硬件实际的物理设备，如中央处理器、内存、硬盘、显示器、输入设备等，是信息系统的基础服务器、刷卡机、读卡器、管理主机网络和通信设备连接计算机和其他设备的网络与通信基础设施，包括路由器、交换机、网络连接线等校园网交换机、路由器、网线、无线接入点计算机软件操作系统、应用软件、数据库管理系统等，使硬件得以发挥功能一卡通管理系统软件、数据库管理系统、服务器操作系统信息资源系统中存储的、可以被利用的信息，是信息系统的核心消费流水、账户余额、挂失记录、补助发放数据信息用户使用信息系统的人员，包括系统管理员、普通用户、决策者等持卡师生、一卡通管理中心管理员、学校财务决策者规章制度信息系统使用、管理和维护方面的规则和制度，保障系统的安全性、可靠性和合法性一卡通使用管理规定、账户与权限管理办法、数据备份制度（2）信息系统的五个基本功能（10分钟）【教师活动】以网购订单、银行计息、电商推荐、销售报表、权限管控为例，逐一讲解输入、存储、处理、输出、控制五个功能，强调“控制功能贯穿系统全生命周期”。功能核心含义典型实例输入信息系统与外界交互的初始环节，将外部数据转化为系统可识别的形式键盘输入文本、传感器采集环境参数、扫描设备数字化纸质文件存储通过数据库、云存储或本地硬盘等介质保存数据，兼顾安全性、访问速度与存储成本电商平台长期保存用户订单数据，供后续查询与统计处理系统的核心能力，通过算法、逻辑规则或人工智能技术对数据加工银行系统计算利息、推荐系统分析用户行为生成个性化结果输出将处理结果转化为用户可感知的形式屏幕显示销售报表、打印机生成纸质报告、语音助手播报天气控制贯穿系统全生命周期，通过权限管理、错误检测、流程监控等保障系统稳定运行校验输入格式、限制未授权访问、日志记录追踪操作异常【学生活动】任选一个自己熟悉的系统（图书借阅系统、食堂点餐系统等），口头说出其五个功能的具体体现。（3）计算机网络技术的发展历程与趋势（20分钟）【教师活动】按时间轴讲授四个发展阶段，边讲边在板书上生成时间轴。①面向终端的计算机联机阶段：主机是网络中心的控制者，终端与主机相连并围绕主机分布，共享主机的硬件和软件资源。②分组交换网阶段：20世纪60年代中期，英国国家物理实验室的戴维斯提出分组的概念，使通信方式由面向终端的计算机联机通信发展为计算机与计算机之间的直接通信；1969年美国国防部高级研究计划署建成ARPANET，以分组交换为核心技术，初期4个节点，用电话线路连接四所高校的主机；到20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机100多台，并借助通信卫星与夏威夷和欧洲地区的计算机网络连通。ARPANET成为现代计算机网络诞生的标志。③计算机网络标准化阶段：1977年，国际标准化组织（ISO）的TC97信息处理系统技术委员会SC16分技术委员会着手制定开放系统互联参考模型（OSI/RM），开创了网络体系结构统一、遵循国际标准化协议的新阶段。④网络互联与高速网络阶段：20世纪90年代以来，计算机网络向互联、高速、综合化、智能化和全球化发展；局域网技术成熟、光纤及高速网络技术出现，以因特网为典型代表的多媒体网络、智能网络迅速发展，整个网络对用户是透明的。【学生活动】在任务单上补全时间轴空缺（阶段名称—时间—标志性事件），同伴互查。【教师活动】讲授四大发展趋势：高速化（从早期几十Kbps到千兆、万兆网络）、移动化（5G、Wi-Fi6/7等技术的普及）、智能化（人工智能赋能网络管理，实现自动配置、自动优化和自动修复）、泛在化（物联网让网络延伸到智能家居、智慧城市等方方面面）。【拓展提升】简要介绍我国互联网发展：1994年我国实现全功能接入国际互联网；当前我国在5G网络规模、IPv6部署、光网建设等方面位居世界前列。引导学生讨论：从ARPANET的4个节点到今天万物互联，你感受最深的是什么？（4）计算机网络的概念与组成（15分钟）【教师活动】逐要素拆解计算机网络的概念：计算机网络是指将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在功能完善的网络软件（网络操作系统、网络通信协议、网络应用软件等）的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的系统。重点强调三个关键词：地理位置分散、具有独立功能、功能完善的网络软件的管理和协调。【教师活动】从逻辑层面讲解计算机网络的组成——资源子网与通信子网，并结合图1-1说明。对比项资源子网通信子网主要职责负责数据处理、提供资源负责全网中的数据传输、数据转发组成主机、终端、终端控制设备、连网外部设备、网络协议、各种软件资源和数据资源网络节点和通信链路作用说明主机负责本地或全网的数据处理，运行应用程序，向用户提供各种网络服务；终端控制设备把一组终端连接到通信子网，负责对终端的控制和信息的接收及发送网络节点控制信息的传输，在端节点之间转发信息；主机借助通信子网收发信息而无须处理数据，从而减少通信开销【学生活动】判断练习：校园网中的“教学用计算机、服务器、教务系统软件”和“楼宇间光纤、核心交换机、路由器”分别属于哪一部分？（5）计算机网络的功能（10分钟）【教师活动】讲清五项功能并特别强调“两个最”：数据通信是计算机网络最基本的功能，也是实现其他功能的基础；资源共享是计算机网络最核心的功能。①数据通信：实现计算机与计算机、计算机与终端之间的数据传输，如即时通信（微信、QQ）、电子邮件、视频会议。②资源共享：共享网络中的各种硬件、软件和数据资源，提高系统资源的利用率。③分布式处理：将一个大型信息处理问题分散到网络中多台计算机协同完成，提高处理速度，充分发挥设备的利用率。④负载均衡：当某个计算机系统负载过重时，通过网络将部分工作转交给较“空闲”的计算机处理。⑤提高系统可靠性：某设备（通信线路或计算机等）发生故障时，可利用其他设备完成数据传输，或将数据复制到其他系统代为处理。【课堂互动】随堂快问快答：教室里的打印机被全班同学共用，体现了哪项功能？（答：资源共享）（二）第二次课（2课时，90分钟）3．计算机网络的分类（20分钟）【教师活动】按三种依据分类讲授。①按覆盖范围分类：局域网（LAN）——覆盖范围一般在几十千米以内，如办公室网、校园网，主要类型有以太网（Ethernet）、令牌环网（TokenRing）和光纤分布式数据接口（FDDI），特点是带宽较高、信息传输速率高、数据传输可靠、误码率低，是目前计算机网络发展中最活跃的分支；城域网（MAN）——覆盖范围从几十千米到数百千米，通常将一个地区或一座城市内的局域网连接起来，以光缆通信设施为基础，能传输实时数据、语音和视频等不同类型的业务；广域网（WAN）——覆盖范围从数百千米到数千千米甚至数万千米，可跨越国界、洲界，Internet就是典型的广域网，也是世界上最大的广域网。②按传输介质分类：有线网络——通常采用同轴电缆、双绞线和光纤连接计算机网络；无线网络——主要依靠微波、红外线和无线电波等作为载体来传输数据，联网方便灵活。③按传输技术分类：广播网络——仅有一条通信信道，所有计算机或设备都共享这条信道，发送的信息中带有目的地址与源地址，接收方检查其目的地址是否与自己相同，相同则接收，否则丢弃；点对点网络——由许多互相连接的设备构成，从源向目的地发送信息可能要经过多个中间设备，可能存在多条传输路径，因此选择最佳路径特别重要，星型网络和网状型网络采用的就是点对点传输形式。【学生活动】完成分类连线练习：把“校园网、家庭Wi-Fi、ChinaNet骨干网、4G基站回传网”分别归入LAN/MAN/WAN，并说明判断依据。4．计算机网络的拓扑结构（30分钟）【教师活动】讲解拓扑结构的定义：网络中所有计算机和通信设备、传输介质之间的物理连接模型，常见的有总线型、星型、树型、环型和网状五种。逐一讲授，并配合动画演示数据流向与故障影响范围。①总线型：使用总线作为传输介质，所有节点通过接口串接在总线上；同一时刻只能有一个节点向总线发出信息，一个网段内的所有节点共享总线资源，总线带宽会成为网络的瓶颈，网络性能和效率随网络负载的增加而急剧下降；是早期以太网的连接方式，现已淘汰。②星型：通过一个中央节点连接其他节点，任意两个节点之间的通信都必须经过中央节点；中央节点的负荷最重，也是整个网络的瓶颈，一旦中央节点发生故障，整个网络就会瘫痪。③树型：星型拓扑的扩展形式，可看作多级星型结构组成，形状像一棵倒置的树，顶端有一个带分支的根；采用层次化结构，传输介质可以有多条分支，但不形成闭合回路；除叶节点外，根节点和所有分支节点都是转发节点，越靠近树的根部节点设备性能越好（树根相当于核心层，树中间相当于汇聚层，树叶相当于边缘层）；信息交换主要在上下节点之间进行，相邻节点之间一般不进行数据交换或交换量很小，属于分级的集中控制式网络。④环型：将网络中的所有节点依次连接形成闭合环形回路，数据沿环形单向或双向传输，每个节点仅与相邻两个节点相连；传输延迟固定，适合实时性要求高的场景。⑤网状：也叫分布式拓扑结构，由分布在不同地点的计算机系统互相连接而成；网络中无中心主机，每个节点都有多条（两条以上）线路与其他节点相连，没有规律性。【教师活动】组织学生同步完成下表，形成结构化认知（本表为教材表1-1的课堂化归纳）。拓扑结构优点缺点适用场景总线型结构简单，布线成本低，无中心设备，节点扩展灵活总线故障全网失效，故障排查困难，节点越多传输效率越低早期小型局域网，现已很少使用星型结构简单，易安装维护，增减节点灵活，单点节点故障不影响全网高度依赖中心设备，中心故障全网瘫痪，布线量大、成本偏高局域网（办公室、家庭），应用广泛树型层次清晰，便于大规模扩容，分支故障互相隔离根节点故障会造成全网瘫痪；建设维护成本较高大型分层网络，例如校园网环型传输延迟固定，实时性好，不存在带宽竞争节点或线路损坏即造成全网瘫痪，扩展节点需断开环路早期令牌环网、工业控制网络网状可靠性高，局部线路或节点故障不中断网络，传输速度快，无单点瓶颈结构复杂，设备与组网成本高，运维难度大广域网、互联网骨干网、大型金融核心网络【学生活动】小组抢答：宿舍4台电脑加1台路由器属于哪种拓扑？学校的校园网骨干属于哪种拓扑？为什么？5．知识拓展：信道与网络性能指标（20分钟）【教师活动】先明确信道的概念：信道是指信息传输的通道或媒介，既可以是物理介质（有线电缆、光纤、无线电波等），也可以是逻辑上的连接路径；主要功能是将信息从发送端传递至接收端。【教师活动】逐一讲授性能指标，并给出计算公式与单位。①速率：单位时间内数据的传输速率，也称比特率或数据率，单位是bit/s（b/s或bps）。②带宽：在通信领域指某个信号具有的频带宽度，单位是Hz；在计算机领域指单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是bit/s。③吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量，单位是bit/s。④时延：数据（一个报文、分组或帧）从一个网络（或一条链路）的一端传送到另一端所需要的时间，包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。其中，发送时延=数据帧长度÷信道带宽；传播时延=信道长度÷电磁波在信道上的传播速率。⑤往返时间RTT：数据包从发出到收到来自对方的确认所花的总时长。【教师活动】补充电磁波传播速率数据：真空中约3.0×10⁸m/s，同轴电缆中约2.3×10⁸m/s，光纤中约2.0×10⁸m/s。【例题演示】一条长度为1000km的光纤链路，数据传输速率为1Gbit/s，试估算发送一个1000bit的数据帧所需的发送时延与传播时延。师生共同板书求解：发送时延=1000bit÷1×10⁹bit/s=1×10⁻⁶s=1μs；传播时延=1×10⁶m÷2.0×10⁸m/s=5×10⁻³s=5ms。引导学生发现“传播时延远大于发送时延”，理解光速是网络时延的物理下限。6．实践操作（45分钟）——拓扑结构观察与组网方案设计【任务情境】某小型公司需组建办公网络，包含20台主机、1台文件服务器、2台打印机、1台交换机，要求网络灵活且易于管理。【操作一】（15分钟）在PacketTracer中分别搭建星型与总线型拓扑，各连接4台主机，模拟主机间发送数据，观察数据转发的路径与范围；随后断开主干链路，观察两种拓扑下网络故障影响范围的差异，记录在任务单上。【操作二】（20分钟）小组讨论并完成任务单：①推荐一种拓扑结构，并分析其优势；②指出该网络中资源子网和通信子网的具体组成部分；③若公司规模扩大到3个楼层、共200台主机，拓扑结构应如何调整，为什么？【操作三】（10分钟）小组汇报（每组2分钟），其他组依据互评表打分并补充意见，教师点评。参考结论：推荐星型（或“树型：楼层交换机级联+核心交换机”），理由是便于管理、增删节点灵活、单点终端故障不影响全网；资源子网包含20台主机、1台文件服务器、2台打印机及相应软件与数据资源，通信子网包含交换机、网卡、双绞线等网络节点与通信链路。【巡回指导】教师重点观察三点：是否正确区分资源子网与通信子网；选型理由是否结合了管理便利性与成本；软件操作是否规范（连线是否标注接口）。对集中出现的问题进行现场集中讲解。7．课堂小结（10分钟）【教师活动】以复习导图为主线，带领学生逐层回顾：信息系统（概念—六要素—五功能）→计算机网络（发展历程—概念—组成—功能—分类—拓扑结构）→网络性能指标（速率、带宽、吞吐量、时延、RTT）。【学生活动】合上教材，两人一组互相复述本任务的三条核心结论：①资源子网管“处理与资源”，通信子网管“传输与转发”；②局域网、城域网、广域网按覆盖范围划分；③拓扑选型要兼顾可靠性、成本与管理便利性。【易错提醒】教师强调三个易错点：①“数据通信”是最基本的功能，“资源共享”是最核心的功能，不可混淆；②树型拓扑以根节点为瓶颈，并非可靠性最高；③时延计算务必先统一单位再代入公式。8．作业布置（5分钟）1．【必做】完成教材“实战练习”第一大题（单项选择题）、第二大题（判断题）、第三大题（填空题）。2．【必做】完成教材“实战练习”第四大题（应用题）：某小型公司组网方案设计，按“推荐拓扑→优势分析→资源子网与通信子网划分”三步整理成书面报告，不少于200字。3．【拓展】用手机拍照或电脑绘图，画出自己家（或宿舍）的网络连接示意图，标出所用设备与拓扑结构类型，上传至学习平台。4．【预习】阅读教材任务2“理解数据通信系统”，思考：为什么我们在电脑上配置IP地址时用十进制，