陳偉宏 郭賽球

摘 ?要： 計算思維作為一種先進(jìn)的教育理念，對計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求。結(jié)合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)，分析了計算思維與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的內(nèi)在關(guān)系，提出了將計算思維融入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的改革方案，并以實例闡述了基于計算思維的教學(xué)方法設(shè)計。該方案能有效提高學(xué)生的計算思維能力，為高校培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)人才提供了教學(xué)改革新思路。

關(guān)鍵詞： 計算思維; 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò); 教學(xué)改革; 能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1006-8228（2014）12-62-02

Exploration on teaching reform of computer networks based on computational thinking

Chen Weihong， Guo Saiqiu

（School of information science and engineering， Hunan City University， Yiyang， Hunan 413000， China）

Abstract： As an advanced education ideal， new requirementhas been put forward for computer professional cultivation. Combined with the characteristics of the computer network course， the relation between the course teaching of computer networks and computational thinking is analyzed. The teaching reform scheme of the computer network course merging computational thinking together is proposed， and the teaching method design based on computational thinking is presented with examples. The proposed method can improve the computational thinking ability of students effectively， which provides a new idea for teaching reform in the field of cultivating computer professionals in colleges or universities.

Key words： computational thinking; computer networks; teaching reform; ability cultivation

0 引言

計算思維是由美國Carnegie Mellon大學(xué)的Jeannnette M. Wing教授提出的一種教育理念，她指出：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為[1]。計算思維概念一經(jīng)提出，就受到國內(nèi)外教育界和科學(xué)界人士的廣泛關(guān)注?；谟嬎闼季S的學(xué)習(xí)目的是為了創(chuàng)造，計算思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵。以先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)教學(xué)，對學(xué)生現(xiàn)在以及將來具有非常重要的影響。

目前，計算思維在教育教學(xué)中的應(yīng)用正逐步展開，增強(qiáng)學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)已成為共識[2]。針對計算思維的培養(yǎng)問題，2008年，美國國家計算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會發(fā)布了報告《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》。我國高等學(xué)校計算機(jī)教育研究會召開了“計算思維”專題研討會。2009年，Hambrusch等介紹了普渡大學(xué)在開設(shè)計算思維導(dǎo)論課程中所取得的經(jīng)驗;董榮勝對以計算思維為基礎(chǔ)和以學(xué)科思想為基礎(chǔ)的兩類計算機(jī)導(dǎo)論課程進(jìn)行了比較分析。之后的研究主要圍繞計算思維在計算機(jī)應(yīng)用型人才中的培養(yǎng)、在程序設(shè)計課程中的培養(yǎng)，以及如何在離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫等課程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力[3-6]等。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論性強(qiáng)、概念抽象，將計算思維融入到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中顯得尤為重要。本文首先分析計算思維與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的關(guān)系，然后通過教學(xué)設(shè)計案例探討計算思維在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 計算思維與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

計算思維是人類求解問題的途徑，影響著人們的思維方式和思維習(xí)慣，將深刻影響人們的思維能力。基于計算思維的教學(xué)核心理念包括：①以培養(yǎng)計算思維為目的，將計算思維融入課程教學(xué)中，使學(xué)生在計算思維活動中學(xué)習(xí);②學(xué)習(xí)計算思維本身，不僅為學(xué)生解決問題，而且通過為學(xué)生提供思維空間，激勵和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從而學(xué)會發(fā)現(xiàn)有價值的問題并解決問題。計算思維包含一系列的計算機(jī)科學(xué)思維方法，如：通過抽象、轉(zhuǎn)化、仿真等形式，將復(fù)雜的問題分解成細(xì)小的、易于處理的問題。

為了培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，本文結(jié)合本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)提出：注重從應(yīng)用實例導(dǎo)入知識點(diǎn);強(qiáng)調(diào)從問題分析入手，提煉基本概念和思維方法，有意識地強(qiáng)化學(xué)生計算思維方法，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。采取問題討論形式，通過逐步提出問題、引導(dǎo)學(xué)生由淺入深層次的理解和不同視角討論，逐步建立較為科學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，其理論性和工程性都很強(qiáng)，概念多、內(nèi)容抽象。首先，學(xué)生對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層難理解;其次，對復(fù)雜龐大的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作原理不知從何下手;再有，各協(xié)議的具體工作過程若使用動畫演示或軟件仿真實現(xiàn)，能更好地理解協(xié)議。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理源于工程實踐，同時又服務(wù)于實踐，初學(xué)者很難將理論與實際應(yīng)用融于一體，從而缺乏較高的學(xué)習(xí)興趣。計算思維為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)提供了一種新視角。從計算思維角度，如果訓(xùn)練學(xué)生在建立網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上來分析問題、解決問題，既便于梳理課程的教學(xué)內(nèi)容，也體現(xiàn)了計算思維的核心所在。

2 基于計算思維的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

為了在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中融入計算思維，下面從教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計兩方面來探討計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與計算思維培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

2.1 基于計算思維的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

在計算思維教育理念指導(dǎo)下，結(jié)合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)，按照“知識—思維—技能”三層教育模式，構(gòu)建計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革方案。在課堂教學(xué)中，從實際問題出發(fā)，圍繞分析問題和解決問題，導(dǎo)入課程知識點(diǎn)，講授思想和方法，鼓勵學(xué)生運(yùn)用計算思維求解問題，啟發(fā)學(xué)生針對新問題尋找解決方案;在實踐教學(xué)中，合理設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容，引入一些典型實例，利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺獨(dú)立分析問題和解決問題;有目的地指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)生創(chuàng)新項目，在項目實施過程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體、團(tuán)隊協(xié)作思想，加強(qiáng)計算思維滲透，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

2.2 融入計算思維的課堂教學(xué)設(shè)計

計算思維與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)相結(jié)合主要體現(xiàn)在：網(wǎng)絡(luò)模型和案例驅(qū)動，根據(jù)講授的知識點(diǎn)適時引入計算思維方法，盡可能逼近解決真實世界問題。下面以協(xié)議分層、網(wǎng)絡(luò)模型與計算為例闡述基于計算思維的課程教學(xué)設(shè)計。

案例1：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層

復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之所以能有條不紊地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其原因之一是通信雙方都遵循事先約定的規(guī)則，稱之為“協(xié)議”。為了讓學(xué)生很好地理解協(xié)議的概念及其工作方式，可引入實例：在瀏覽器地址欄中輸入“www.hncu.net”，回車，分析之后所發(fā)生的事件及相關(guān)協(xié)議。在此實例操作過程中，涉及到的協(xié)議有：DNS、TCP、UDP、HTTP、IP、ARP、MAC等，從上往下協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對具體的協(xié)議，使用網(wǎng)絡(luò)模擬器Packet Tracer，模擬瀏覽網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)傳遞過程。操作如下：①搭建實驗拓?fù)?，其中至少包括一臺Web服務(wù)器和PC機(jī)，通過交換機(jī)連接;②配置Web服務(wù)器和DNS服務(wù)器;③單擊“simulation mode”進(jìn)行設(shè)置，過濾DNS、TCP、UDP、HTTP、ARP等協(xié)議，之后單擊“自動捕獲/播放”;④在客戶PC機(jī)上執(zhí)行“瀏覽網(wǎng)頁”操作，對捕獲到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議分析。在模擬模式的“Event List”對話框中，顯示當(dāng)前捕獲到的協(xié)議，如圖2所示。選擇事件列表中的某個協(xié)議，單擊實驗拓?fù)鋱D中的數(shù)據(jù)包，在“PDU信息”對話框中顯示該協(xié)議的詳細(xì)信息，包括OSI模型和進(jìn)/出站PDU詳細(xì)信息。

圖1 ?TCP/IP工作層次

圖2 ?事件捕獲

案例2：網(wǎng)絡(luò)問題抽象與基本網(wǎng)絡(luò)計算

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，分析和理解大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)行為，不僅必要、而且能夠?qū)崿F(xiàn)[7]。“圖”方法是抽象計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本方法。

⑴ 將網(wǎng)絡(luò)問題抽象成圖

一個圖包含一組節(jié)點(diǎn)元素和節(jié)點(diǎn)之間連接關(guān)系，連接關(guān)系稱為邊，分別用集合V和E表示。定義圖為：

G（V，E），其中V={A，B，C…}，E?{（x，y）|x，y∈V，x≠y}

現(xiàn)實世界中的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可抽象成一種無向圖，節(jié)點(diǎn)表示計算機(jī)、智能終端、交換機(jī)或路由器等，邊表示網(wǎng)絡(luò)中任意兩臺設(shè)備之間的物理連接。在網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中，一條鏈路還具有屬性特征，如：帶寬、延時、平均流量、通信代價、距離等。從而抽象后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D邊還附有權(quán)值，稱為加權(quán)圖。

⑵ 基本網(wǎng)絡(luò)計算

TCP/IP協(xié)議為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心，它具體包括IP地址、路由協(xié)議、流量控制和擁塞控制等網(wǎng)絡(luò)計算問題?；趫D論分析網(wǎng)絡(luò)計算問題，是將復(fù)雜龐大的網(wǎng)絡(luò)問題轉(zhuǎn)化成了便于處理的小問題。這里以路由選擇算法為例說明網(wǎng)絡(luò)計算問題的求解。

路由算法分為靜態(tài)路由算法和動態(tài)路由算法。最短路徑優(yōu)先屬于靜態(tài)路由算法;RIP、OSPF、BGP算法屬于動態(tài)路由算法。最短路徑優(yōu)先路由中使用Dijistra算法選擇路由，實際可轉(zhuǎn)化成在加權(quán)圖上使用該算法計算最短路徑問題[8]。對于動態(tài)路由算法，可分別在動態(tài)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上使用距離-矢量路由、鏈路狀態(tài)路由、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議等完成路由的計算問題。同時，用網(wǎng)絡(luò)仿真工具演示路由協(xié)議的工作過程，以進(jìn)一步理解和掌握路由算法思想，分析算法性能，以培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力和創(chuàng)新思維能力。

3 結(jié)束語

我們將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)與計算思維培養(yǎng)緊密結(jié)合，在教學(xué)實施過程中融入計算思維，教學(xué)效果顯著提高。取得的主要成效有：一是提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性增強(qiáng);二是更好地培養(yǎng)了學(xué)生計算思維能力，提高了學(xué)生解決實際問題的能力，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提升?？偟膩碚f，計算思維對21世紀(jì)人才提出了新的要求，必須在計算機(jī)課程教學(xué)改革中加強(qiáng)計算思維能力培養(yǎng)，這對培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)人才起到示范作用。

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