陳凱 王春艷

初中教學(xué)內(nèi)容中有計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的內(nèi)容，主要涉及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型、功能、主要組成設(shè)備、局域網(wǎng)簡單組建等，在以往的教學(xué)中，筆者通常會結(jié)合講解、演示、開展組網(wǎng)實驗等方式來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。在新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下，在實施這一單元的教學(xué)設(shè)計時，筆者面臨著一個重要卻又讓人感到困惑的問題，那就是和網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的這些內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)該如何與培養(yǎng)信息技術(shù)核心素養(yǎng)的目標(biāo)緊密聯(lián)系起來。

幸運的是，筆者在日常工作中，積累了局域網(wǎng)組建的實際經(jīng)驗，這得以讓筆者能夠結(jié)合自身工作經(jīng)歷來實現(xiàn)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計。雖然一個簡單的星型拓?fù)涞木钟蚓W(wǎng)的組建過程從硬件上說可以簡單到“將網(wǎng)線一端接入交換機(jī)，另一端接入計算機(jī)網(wǎng)卡”即可，但通過對日常工作經(jīng)歷的反思可知，在面對真實的工作和生活需求時，即便不考慮軟件和協(xié)議方面的設(shè)置，一個局域網(wǎng)的組建也并不僅僅是考慮如何將網(wǎng)線插到位那樣簡單，常遇見的問題還有諸如怎樣合理地設(shè)定工作流程、怎樣合理地設(shè)定多個交換機(jī)和多個電腦之間的關(guān)系、怎樣合理地對連接線路進(jìn)行描述和記錄、怎樣選取合理的方法來尋找故障點等。張汶老師提出：“技術(shù)不是技術(shù)產(chǎn)品，不是技術(shù)成果，不是會說話互動的機(jī)器人，它的本質(zhì)仍然是一種問題解決方案?！盵1]相應(yīng)地，一旦將網(wǎng)絡(luò)組建的內(nèi)容放置在復(fù)雜的真實場景中，就會發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容絕不可能只是告訴學(xué)生“這是什么產(chǎn)品”“這是哪種結(jié)構(gòu)”“這是怎樣的方案”，而是讓學(xué)生知道在問題解決過程中“需要什么”“可能有哪些方法去做”“應(yīng)該如何去實施某個方案”。

因此，設(shè)計基于真實場景的問題解決的任務(wù)，是在課堂教學(xué)活動中落實核心素養(yǎng)，尤其是思維培養(yǎng)的重要途徑。下面，筆者以在學(xué)校中組建局域網(wǎng)的任務(wù)為場景，用單元教學(xué)的形式串聯(lián)起“網(wǎng)線連接—貼標(biāo)簽—畫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹边@三個任務(wù)環(huán)節(jié)，來幫助學(xué)生完成具有一定探究性的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生不僅能從中了解到最基本的局域網(wǎng)組建的具體方法，還能同時體會到編碼、算法等與計算機(jī)科學(xué)有關(guān)的思維方法的運用。

網(wǎng)絡(luò)組建流程與生活化的算法

生活中的某些事件的處理，往往具有算法的某些特征，如：在一大堆網(wǎng)線中用尋線器找線，其方式和查找算法類似;制作網(wǎng)線后用測線器測線，由于并不知道線兩端的水晶頭究竟哪一個被做壞，所以先重做一端，如線不通再重做另一端，這就有了回溯算法的特點;在蠕蟲病毒爆發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，筆者從主交換機(jī)開始，往次級交換機(jī)逐層排查，這類似于遞歸的方法。

武健老師在本世紀(jì)初就提出了“生活算法”的概念，他認(rèn)為“生活算法是非常樸實又極具可操作性的……它從思維的方法、行為的習(xí)慣以及發(fā)現(xiàn)問題的方向等角度向我們昭示了一種可以遵循的規(guī)律”。[2]筆者發(fā)現(xiàn)，武健老師的許多觀點與計算思維培養(yǎng)的目標(biāo)是契合的，盡管“計算思維”作為一個概念名詞2006年才被提出。今天重提“生活算法”一詞，其意圖是想讓抽象的計算思維概念向生活真實情境還原，顯現(xiàn)出在實際問題解決過程中的某些操作所具有的算法的特征。筆者在教學(xué)中并不只是將現(xiàn)成的算法的描述形式（如流程圖）直接展現(xiàn)出來（這樣就錯失了顯現(xiàn)學(xué)生思維過程的機(jī)會），而是讓學(xué)生先自行去嘗試各種可能的算法的描述，將算法描述在某種意義上的必然性（一般流程圖都有規(guī)范的描繪方法）先轉(zhuǎn)換為充分的可能性，然后在由可能到可行的通達(dá)過程中，顯現(xiàn)出學(xué)生思維的成長。

例如，可以將網(wǎng)絡(luò)組建的某個場景中的流程以文字描述的方式來表達(dá)，然后讓學(xué)生用繪圖的方式對流程進(jìn)行描述：某人在組建網(wǎng)絡(luò)時，因為線路混亂，不慎將一根網(wǎng)線的兩端都接入了同一臺交換機(jī)，致使交換機(jī)無法正常工作，警告燈閃爍（實際情況是交換機(jī)所有的端口狀態(tài)燈快速閃爍，教學(xué)中要盡可能用簡單的描述弱化專業(yè)技術(shù)色彩）。由于網(wǎng)線很長而且相互纏繞，尋找接錯的母線比較麻煩。那么如何找到這根接錯的網(wǎng)線呢？首先讓學(xué)生用文字的方式來描述故障排除過程，如按次序逐個從交換機(jī)上拔下網(wǎng)線，如果警告燈仍然閃爍，則重新插上，直到發(fā)現(xiàn)拔下某根網(wǎng)線后交換機(jī)警告燈不再閃爍，便可發(fā)現(xiàn)接錯的網(wǎng)線。接下來是讓學(xué)生用框圖連線的方式來描述組網(wǎng)過程，教師可以先提供一些繪圖的零件作為支架。這里未必一定要求畫出規(guī)范的流程圖，而是希望通過繪圖強(qiáng)化過程中“控制”的存在。

將日常語言能夠清晰表達(dá)的任務(wù)，轉(zhuǎn)換成圖示的方式，并沒有想象中那樣容易，因為首先要將語言描述中的任務(wù)分解成不能再分解的某一步，然后要以符合控制流程的方式將每個步驟連接起來。這其中就蘊含著分解和抽象的思想。如果學(xué)生學(xué)習(xí)過算法，那就比較容易用流程圖的方式描繪出任務(wù)步驟，但筆者的教學(xué)對象大部分還沒有學(xué)習(xí)過算法和流程圖，這反而使得這項活動具有了促進(jìn)思維發(fā)展的意義。在學(xué)生們描繪的步驟圖示中有一些值得思考的發(fā)現(xiàn)，如：很多學(xué)生不自覺地就用線條表達(dá)出了循環(huán)的結(jié)構(gòu);有的學(xué)生試圖將具象的交換機(jī)、網(wǎng)線、人的圖案和抽象的步驟流程結(jié)合在一起（作為一個人雖然能夠理解圖示的含義，但一個機(jī)器如何來理解呢）;少數(shù)曾經(jīng)學(xué)習(xí)過流程圖的學(xué)生，在沒有任何具體要求的情況下，就將排除故障的步驟以比較標(biāo)準(zhǔn)的流程圖的方式呈現(xiàn)了出來。筆者還注意到一些十分有意思的細(xì)節(jié)，如圍繞拔下網(wǎng)線后燈的情況的觀察以及后續(xù)動作，可以發(fā)現(xiàn)有三種不同的描繪方式，如圖1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，第一種描繪方式是以超越第一人稱且以近乎平行宇宙的視角在描繪步驟，既沒有區(qū)分主客體，也沒有區(qū)分動作和狀態(tài);第二種描繪方式區(qū)分了主體和客體，但仍然沒有區(qū)分出動作和狀態(tài);第三種描繪方式將狀態(tài)和動作用不同的圖示做了區(qū)分，這樣就解釋了前后動作的因果關(guān)系。在收取上來的各種圖示中，第一種描繪方式是最多的，這能夠映射出學(xué)生對具體事件進(jìn)行抽象時的原始的狀態(tài)。通過對各種圖示的展示，學(xué)生們能夠領(lǐng)悟到，哪些圖示的方式更利于機(jī)器工作，而哪些是人便于閱讀理解的。

網(wǎng)絡(luò)編碼中的數(shù)據(jù)與表征

在真實場景中，連接到交換機(jī)的網(wǎng)線蜿蜒在建筑物的管道中，常常橫跨房間、樓層，距離可能非常長，其用途也各異，有連到下級交換機(jī)的，有連到服務(wù)器的，有連到辦公室墻壁上端口的（通常是為普通電腦準(zhǔn)備的），有連到無線AP的。并且，下端連入設(shè)備所處的位置也不同，如不同的樓層、房間以及房間內(nèi)的網(wǎng)點。有時候還需要區(qū)分使用者的不同，如同一間教室中，有些網(wǎng)點是供教師使用的，有些是供學(xué)生使用的。當(dāng)布線完畢后，通常都要在網(wǎng)線兩端為線路的用途打上標(biāo)簽。在現(xiàn)實中，標(biāo)簽空間有限，標(biāo)簽上標(biāo)識的信息量往往令人沮喪，A001、B002之類的標(biāo)簽除了方便找線外別無他意。如何在有限的標(biāo)簽的空間（假設(shè)不超過若干個字符）中，設(shè)計一個標(biāo)記方式，使之能夠盡可能多地表達(dá)出描寫信息？這是一個有趣的開放性的活動。

這樣的需求，不僅需要知道網(wǎng)線的用途，還需要知道網(wǎng)線的來源，如網(wǎng)線可能直接來自主交換機(jī)，但也可能來自與主交換機(jī)相連接的次級交換機(jī)，甚至是與次級交換機(jī)所連接的再次級交換機(jī)，那么，應(yīng)當(dāng)如何來設(shè)置這個標(biāo)記方式？假設(shè)主交換機(jī)下只連接三個次級交換機(jī)，而每個次級交換機(jī)下只連接三個再次級交換機(jī)，每個再次級交換機(jī)連接若干網(wǎng)線。當(dāng)我們看到標(biāo)簽時，如何能反映出線路來源的整個路徑？如表1所示。

當(dāng)方案完成后，得到的不僅僅是一個網(wǎng)絡(luò)布線的結(jié)構(gòu)，而是一個可以遷移到其他用途的樹的結(jié)構(gòu)（如圖2），用這個結(jié)構(gòu)可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定位，或者也可以通過遍歷來實現(xiàn)所有的排列組合。曹楊璐老師和謝忠新老師提出，在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中強(qiáng)調(diào)、強(qiáng)化靈活遷移模型與算法具有十分重要的意義。[3]筆者借助網(wǎng)絡(luò)布線得到的樹的結(jié)構(gòu)，就為今后更深層次的算法學(xué)習(xí)，先行提供了可靈活遷移的模型。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿枋雠c記錄

當(dāng)局域網(wǎng)的線路布置到位后，往往需要對布線的情況進(jìn)行記錄。通常，關(guān)注的重點是設(shè)備與設(shè)備之間邏輯上的關(guān)系（顯然管理者十分清楚網(wǎng)絡(luò)中心和下屬設(shè)備的實際物理位置）。那么，并不需要嚴(yán)格按物理現(xiàn)實來描繪線路的走向和連接，也不需要知道設(shè)備的大小、形狀。這里就遇見了拓?fù)涞母拍?，拓?fù)溲芯康氖菐缀螆D形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)，為了描繪網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，需要先對真實的布線情況進(jìn)行觀察，然后在頭腦中進(jìn)行變換，在變換過程中，無論是拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、還是放大、縮小都可以，只要不撕裂和割破就行。在變換中不斷簡化圖形，并保留圖片中對象之間關(guān)系的不變的特性。由于對象之間關(guān)系是確定的，所以就可以只用純粹的符號，將拓?fù)鋱D保存下來。筆者希望設(shè)計一個數(shù)據(jù)記錄的形式，當(dāng)某個機(jī)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時，它所做的事情其實和人用眼睛和頭腦對拓?fù)鋱D進(jìn)行分析和處理是同構(gòu)的。筆者并不想在這里“教授”圖論，而是希望學(xué)生們在設(shè)計那些能夠?qū)?yīng)拓?fù)鋱D的數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理方案時，生發(fā)出的方法，可能與圖論的方式具有某種類似之處。圖3所示為一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

筆者要求學(xué)生將以上簡單的拓?fù)鋱D中所蘊含的信息用多個一維列表的形式來進(jìn)行記錄，具體方法不限，但必須在數(shù)據(jù)記錄中，保存原網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中二維結(jié)構(gòu)的信息。考慮到學(xué)生可能不太容易理解“一維”“二維”這樣的概念，因此將任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為：在表格中填入數(shù)據(jù)，并描寫閱讀說明，要求同伴能根據(jù)數(shù)據(jù)和說明，在沒有見到原始拓?fù)鋱D的情況下，描繪出這個拓?fù)鋱D的樣子。一種簡單的填寫方案可能是這樣的：表2中的每一行從第二項及之后項，都是第一項所要連接的設(shè)備。

筆者甚至可以將這個設(shè)計數(shù)據(jù)存儲方案的任務(wù)與本文先前介紹的畫步驟流程的任務(wù)結(jié)合起來，假設(shè)有一個機(jī)器人，它能夠讀出表格中的數(shù)據(jù)，那么這個機(jī)器人如何才能計算出電腦4是以怎樣的方式連接到交換機(jī)A的？實施該任務(wù)的文字描述可能是這樣的：機(jī)器人在表格中逐行尋找，直到在第三行中找到電腦4，然后獲知該行的第一項是交換機(jī)b，然后在表格中逐行尋找交換機(jī)b，它在第一行中找到交換機(jī)b，然后獲知該行的第一項是交換機(jī)A。通過這樣的過程，機(jī)器人知道電腦4先被連接到了交換機(jī)b上，然后交換機(jī)b又被連接到了交換機(jī)A上。通過這樣的過程，機(jī)器人就能夠“知曉”網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和設(shè)備之間的關(guān)系了。雖然說還可以繼續(xù)深入到每個步驟的進(jìn)一步細(xì)化工作中，如為了讓機(jī)器人做到逐行搜索某個對象，就必須考慮設(shè)置關(guān)于機(jī)器人行走方式的數(shù)據(jù)，但這些內(nèi)容離開網(wǎng)絡(luò)組建太遠(yuǎn)了，筆者擔(dān)心這樣就不知不覺滑進(jìn)了另一個教學(xué)模塊中，而原來的網(wǎng)絡(luò)組建任務(wù)已經(jīng)完全變成了新的教學(xué)的背景。但似乎也沒有明確的規(guī)定說，不能用這樣的方法來銜接不同內(nèi)容的教學(xué)，這讓筆者想起了埃舍爾名為《天與水》的藝術(shù)作品（如圖4），在這幅畫作中，魚的圖形從清晰轉(zhuǎn)為混沌，逐漸成為越來越清晰的鳥的圖形的背景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張汶.上海推進(jìn)普通高中信息術(shù)課程的思考與探索[J].中國信息技術(shù)教育，2019（08）：16-19.

[2]武健.從生活算法中審視程序設(shè)計算法[J].信息技術(shù)教育，2007（05）：36-37.

[3]曹楊璐，謝忠新.信息技術(shù)學(xué)科計算思維的遷移能力培養(yǎng)實踐研究[J].中國信息技術(shù)教育，2021（15）：54-57+100.