基于計算思維的計算機網絡教學改革探索

陳偉宏 郭賽球

摘 ?要： 計算思維作為一種先進的教育理念，對計算機專業人才培養提出了新的要求。結合計算機網絡課程特點，分析了計算思維與計算機網絡課程教學的內在關系，提出了將計算思維融入計算機網絡課程教學的改革方案，并以實例闡述了基于計算思維的教學方法設計。該方案能有效提高學生的計算思維能力，為高校培養計算機專業人才提供了教學改革新思路。

關鍵詞： 計算思維; 計算機網絡; 教學改革; 能力培養

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標志碼：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大學的Jeannnette M. Wing教授提出的一種教育理念，她指出：計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類行為[1]。計算思維概念一經提出，就受到國內外教育界和科學界人士的廣泛關注。基于計算思維的學習目的是為了創造，計算思維發展水平是學生成才的關鍵。以先進的教學理念指導教學，對學生現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中的應用正逐步展開，增強學生計算思維能力培養已成為共識[2]。針對計算思維的培養問題，2008年，美國國家計算機科學技術教師協會發布了報告《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》。我國高等學校計算機教育研究會召開了“計算思維”專題研討會。2009年，Hambrusch等介紹了普渡大學在開設計算思維導論課程中所取得的經驗;董榮勝對以計算思維為基礎和以學科思想為基礎的兩類計算機導論課程進行了比較分析。之后的研究主要圍繞計算思維在計算機應用型人才中的培養、在程序設計課程中的培養，以及如何在離散數學、數據庫等課程中培養學生的計算思維能力[3-6]等。

計算機網絡課程理論性強、概念抽象，將計算思維融入到計算機網絡課程教學中顯得尤為重要。本文首先分析計算思維與計算機網絡課程教學的關系，然后通過教學設計案例探討計算思維在計算機網絡教學中的應用，以培養學生計算思維能力，提高教學質量。

1 計算思維與計算機網絡教學

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慣，將深刻影響人們的思維能力。基于計算思維的教學核心理念包括：①以培養計算思維為目的，將計算思維融入課程教學中，使學生在計算思維活動中學習;②學習計算思維本身，不僅為學生解決問題，而且通過為學生提供思維空間，激勵和引導學生自主學習，從而學會發現有價值的問題并解決問題。計算思維包含一系列的計算機科學思維方法，如：通過抽象、轉化、仿真等形式，將復雜的問題分解成細小的、易于處理的問題。

為了培養學生的計算思維能力，本文結合本校應用型人才培養的特點提出：注重從應用實例導入知識點;強調從問題分析入手，提煉基本概念和思維方法，有意識地強化學生計算思維方法，培養學生思維能力、應用能力和創新能力。采取問題討論形式，通過逐步提出問題、引導學生由淺入深層次的理解和不同視角討論，逐步建立較為科學的學習習慣。

計算機網絡是計算機相關專業的一門重要課程，其理論性和工程性都很強，概念多、內容抽象。首先，學生對計算機網絡協議分層難理解;其次，對復雜龐大的計算機網絡工作原理不知從何下手;再有，各協議的具體工作過程若使用動畫演示或軟件仿真實現，能更好地理解協議。計算機網絡的基本原理源于工程實踐，同時又服務于實踐，初學者很難將理論與實際應用融于一體，從而缺乏較高的學習興趣。計算思維為計算機網絡課程的教學提供了一種新視角。從計算思維角度，如果訓練學生在建立網絡模型基礎上來分析問題、解決問題，既便于梳理課程的教學內容，也體現了計算思維的核心所在。

2 基于計算思維的計算機網絡教學

為了在計算機網絡教學中融入計算思維，下面從教學模式、教學設計兩方面來探討計算機網絡教學與計算思維培養的有機結合。

2.1 基于計算思維的計算機網絡教學模式

在計算思維教育理念指導下，結合計算機網絡課程特點，按照“知識—思維—技能”三層教育模式，構建計算機網絡教學改革方案。在課堂教學中，從實際問題出發，圍繞分析問題和解決問題，導入課程知識點，講授思想和方法，鼓勵學生運用計算思維求解問題，啟發學生針對新問題尋找解決方案;在實踐教學中，合理設置實驗教學內容，引入一些典型實例，利用網絡仿真平臺獨立分析問題和解決問題;有目的地指導學生參加學生創新項目，在項目實施過程中強調學生主體、團隊協作思想，加強計算思維滲透，提高學生的學習興趣和學習主動性。

2.2 融入計算思維的課堂教學設計

計算思維與計算機網絡課程教學相結合主要體現在：網絡模型和案例驅動，根據講授的知識點適時引入計算思維方法，盡可能逼近解決真實世界問題。下面以協議分層、網絡模型與計算為例闡述基于計算思維的課程教學設計。

案例1：計算機網絡協議分層

復雜的網絡系統之所以能有條不紊地進行數據通信，其原因之一是通信雙方都遵循事先約定的規則，稱之為“協議”。為了讓學生很好地理解協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，分析之后所發生的事件及相關協議。在此實例操作過程中，涉及到的協議有：DNS、TCP、UDP、HTTP、IP、ARP、MAC等，從上往下協議層次結構如圖1所示。針對具體的協議，使用網絡模擬器Packet Tracer，模擬瀏覽網頁的數據傳遞過程。操作如下：①搭建實驗拓撲，其中至少包括一臺Web服務器和PC機，通過交換機連接;②配置Web服務器和DNS服務器;③單擊“simulation mode”進行設置，過濾DNS、TCP、UDP、HTTP、ARP等協議，之后單擊“自動捕獲/播放”;④在客戶PC機上執行“瀏覽網頁”操作，對捕獲到的數據包進行協議分析。在模擬模式的“Event List”對話框中，顯示當前捕獲到的協議，如圖2所示。選擇事件列表中的某個協議，單擊實驗拓撲圖中的數據包，在“PDU信息”對話框中顯示該協議的詳細信息，包括OSI模型和進/出站PDU詳細信息。

圖1 ?TCP/IP工作層次

圖2 ?事件捕獲

案例2：網絡問題抽象與基本網絡計算

隨著計算機網絡應用的不斷深入，分析和理解大規模復雜網絡行為，不僅必要、而且能夠實現[7]。“圖”方法是抽象計算機網絡的基本方法。

⑴ 將網絡問題抽象成圖

一個圖包含一組節點元素和節點之間連接關系，連接關系稱為邊，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}

現實世界中的計算機網絡可抽象成一種無向圖，節點表示計算機、智能終端、交換機或路由器等，邊表示網絡中任意兩臺設備之間的物理連接。在網絡的實際應用中，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。從而抽象后的網絡拓撲圖邊還附有權值，稱為加權圖。

⑵ 基本網絡計算

TCP/IP協議為計算機網絡的核心，它具體包括IP地址、路由協議、流量控制和擁塞控制等網絡計算問題。基于圖論分析網絡計算問題，是將復雜龐大的網絡問題轉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絡計算問題的求解。

路由算法分為靜態路由算法和動態路由算法。最短路徑優先屬于靜態路由算法;RIP、OSPF、BGP算法屬于動態路由算法。最短路徑優先路由中使用Dijistra算法選擇路由，實際可轉化成在加權圖上使用該算法計算最短路徑問題[8]。對于動態路由算法，可分別在動態構建的網絡拓撲圖上使用距離-矢量路由、鏈路狀態路由、邊界網關協議等完成路由的計算問題。同時，用網絡仿真工具演示路由協議的工作過程，以進一步理解和掌握路由算法思想，分析算法性能，以培養學生解決問題能力和創新思維能力。

3 結束語

我們將計算機網絡課程教學與計算思維培養緊密結合，在教學實施過程中融入計算思維，教學效果顯著提高。取得的主要成效有：一是提高了學生的學習興趣，學生學習主動性增強;二是更好地培養了學生計算思維能力，提高了學生解決實際問題的能力，學生的綜合素質得到提升。總的來說，計算思維對21世紀人才提出了新的要求，必須在計算機課程教學改革中加強計算思維能力培養，這對培養計算機專業人才起到示范作用。

參考文獻：

[1] 袁磊，寧彬，谷瓊.計算思維在計算機應用型人才培養中的應用探索[J].

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[2] 戰德臣，聶蘭順等著.大學計算機——計算思維導論[M].電子工業出

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[3] Susanne Hambrusch， Christoph Hoffmann， John T. Korb， et al. A

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[7] 李曉明等譯.網絡、群體與市場：揭示高度互連世界的行為原理與效

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[8] Andrew S. Tanenbaum. Computer Networks（5th Edition）[M].機械工

業出版社，2011.