基于計算思維的計算機網(wǎng)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(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求。結合計算機網(wǎng)絡課程特點，分析了計算思維與計算機網(wǎng)絡課程教學的內在關系，提出了將計算思維融入計算機網(wǎng)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(yǎng)計算機專業(yè)人才提供了教學改革新思路。

關鍵詞： 計算思維; 計算機網(wǎng)絡; 教學改革; 能力培養(yǎng)

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(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(chuàng)造，計算思維發(fā)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(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中的應用正逐步展開，增強學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，美國國家計算機科學技術教師協(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(jīng)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(yǎng)、在程序設計課程中的培養(yǎng)，以及如何在離散數(shù)學、數(shù)據(jù)庫等課程中培養(yǎng)學生的計算思維能力[3-6]等。

計算機網(wǎng)絡課程理論性強、概念抽象，將計算思維融入到計算機網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡教學中的應用，以培養(yǎng)學生計算思維能力，提高教學質量。

1 計算思維與計算機網(wǎng)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(yǎng)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(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(yǎng)學生的計算思維能力，本文結合本校應用型人才培養(yǎng)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(yǎng)學生思維能力、應用能力和創(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(wǎng)絡是計算機相關專業(yè)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(wǎng)絡協(xié)議分層難理解;其次，對復雜龐大的計算機網(wǎng)絡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。計算機網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)了計算思維的核心所在。

2 基于計算思維的計算機網(wǎng)絡教學

為了在計算機網(wǎng)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(wǎng)絡教學與計算思維培養(yǎng)的有機結合。

2.1 基于計算思維的計算機網(wǎng)絡教學模式

在計算思維教育理念指導下，結合計算機網(wǎng)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(wǎng)絡教學改革方案。在課堂教學中，從實際問題出發(fā)，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(fā)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(wǎng)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(chuàng)新項目，在項目實施過程中強調學生主體、團隊協(xié)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(wǎng)絡課程教學相結合主要體現(xiàn)在：網(wǎng)絡模型和案例驅動，根據(jù)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(xié)議分層、網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議分層

復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)之所以能有條不紊地進行數(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)議層次結構如圖1所示。針對具體的協(xié)議，使用網(wǎng)絡模擬器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(xié)議，之后單擊“自動捕獲/播放”;④在客戶PC機上執(zhí)行“瀏覽網(wǎng)頁”操作，對捕獲到的數(shù)據(jù)包進行協(xié)議分析。在模擬模式的“Event List”對話框中，顯示當前捕獲到的協(xié)議，如圖2所示。選擇事件列表中的某個協(xié)議，單擊實驗拓撲圖中的數(shù)據(jù)包，在“PDU信息”對話框中顯示該協(xié)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(wǎng)絡問題抽象與基本網(wǎng)絡計算

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

⑴ 將網(wǎng)絡問題抽象成圖

一個圖包含一組節(jié)點元素和節(jié)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(xiàn)實世界中的計算機網(wǎng)絡可抽象成一種無向圖，節(jié)點表示計算機、智能終端、交換機或路由器等，邊表示網(wǎng)絡中任意兩臺設備之間的物理連接。在網(wǎng)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(wǎng)絡拓撲圖邊還附有權值，稱為加權圖。

⑵ 基本網(wǎng)絡計算

TCP/IP協(xié)議為計算機網(wǎng)絡的核心，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)絡計算問題。基于圖論分析網(wǎng)絡計算問題，是將復雜龐大的網(wǎng)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(wǎng)絡計算問題的求解。

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(tài)路由算法，可分別在動態(tài)構建的網(wǎng)絡拓撲圖上使用距離-矢量路由、鏈路狀態(tài)路由、邊界網(wǎng)關協(xié)議等完成路由的計算問題。同時，用網(wǎng)絡仿真工具演示路由協(xié)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(yǎng)學生解決問題能力和創(chuàng)新思維能力。

3 結束語

我們將計算機網(wǎng)絡課程教學與計算思維培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)，這對培養(yǎng)計算機專業(yè)人才起到示范作用。

參考文獻：

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

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

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