計算機網絡課程學員計算思維能力培養的思考與實踐＊

路艷麗，王曉丹，徐云飛

（空軍工程大學防空反導學院，陜西 西安 710051）

1 引言

計算大師Dijkstra說過，“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”。電動機的出現引發了自動化的思維，計算機的出現催生了智能化的思維和計算思維［1］。2006年，美國計算機學會通訊發表Wing J M教授［2］《計算思維》一文，系統地提出計算思維的概念。隨后，計算思維在國內計算機基礎教育界迅速傳播并得到重視發展［3］。

計算機網絡課程在軍校大學教育中的地位，可以通過計算機網絡在軍隊信息化建設中的作用來真實地反映和體現。軍隊計算機網絡是軍事系統信息傳輸的“神經”、指揮決策的“大腦”、一體化聯合作戰的支撐、管理訓練的“根基”，及戰斗力的“倍增器”。因此，計算機網絡作為了軍校多數專業的必修課。在計算機網絡課程中開展學員計算思維能力的培養具有非常迫切的需求和良好的條件。然而，如何使學員掌握計算機網絡知識和技能，并能更好地使用計算機網絡解決軍隊信息化建設中面臨的問題，即對學員計算思維能力的培養，是一個擺在我們面前的難點問題。

目前，關于計算思維的理解多停留在“哲學”或“科學”層面，在“教學”層面上沒有形成一個清晰的表達體系。本文首先對計算思維和網絡思維進行必要分析和介紹；接著，對基于案例教學的計算思維能力培養進行了深入解析，包括教學內容的梳理和在案例中融入計算思維，即從應用角度出發梳理教學內容，在此基礎上構造能將教學內容合理地組織和呈現的具體案例，以培養學員的計算思維能力，最后用實例進行了詳細說明。

2 計算思維與網絡思維

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計和人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。2010年7月，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會確定了以計算思維為核心的計算機基礎課程的教學改革［4］，期間的《九校聯盟計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》指出，要加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的研究。增強計算思維能力的培養，已成為當前大學計算機基礎教學改革的主旋律，并且得到教育部高教司的重視與支持。

網絡技術在人們日常工作、生活和社會各個領域的廣泛應用，培養、訓練了人們新的思維模式，開放性、協同性、系統性等網絡思維的習慣逐漸形成。文獻［5］指出，作為計算思維發展的網絡思維，是面向當代大學生的“一種普遍認識和一類普適技能”，并將計算思維和網絡思維進行了比較。網絡思維的概念體系包含思維形態、思維方法、行為模式和社會道德四個層面。網絡思維具有非線性、發散性、開放性、系統性、創新性、群體性等特征。文獻［6］提出了基于網絡思維的探究式教學模式設計，較好地體現了網絡思維能力的培養。網絡思維是計算思維進一步的發展，在本文中筆者仍用計算思維表述，但其內涵已擴展到了網絡思維的內容。

在課程中培養計算思維能力，關鍵是要提煉并展現隱藏在知識背后的計算思維的光芒，這要求任課教員改革課程教學體系結構、采用恰當的教學方法、精心設計教學內容與案例。以下就是筆者在這些方面的思考和實踐。

3 基于案例教學的計算思維能力培養

3.1 從應用角度出發梳理教學內容

計算思維培養并不是教學內容或工具的改變，而是教學方法、方式的改變［7］。但是，實施教學方法、方式的改變，需要在不改變教學內容的基礎上對教學內容進行重新的梳理。關于如何重新梳理計算機網絡的教學內容，筆者認為應該從以下兩個方面考慮。

一是強調根據學員特點、培養目標及部隊需求，合理規劃教學內容。恰當的教學內容是教學順利展開的基礎。在高等計算機基礎教育的教學中，首先要解決的問題是準確定位，根據具體的培養目標合理取舍教學內容［8］。必須分清楚哪些內容是主要需要的，哪些內容是不需要的；哪些內容是目前暫時可以不學而留待以后學的，哪些內容是不必學的。絕不可胡子眉毛一把抓，不加分析不問主次，使學員感到難以入門。因此，這里強調要根據培養目標和學員特點來對課程內容進行恰當取舍，根據學員未來需要給學員傳授計算機網絡的基本知識和技術，在此過程中兼顧計算思維能力的培養。

二是從應用角度出發規劃教學內容。計算機類課程不是純理論課程，有很強的應用性，應當強調學以致用，圍繞應用進行學習，通過多用來培養學員的計算思維。因此，可以將教學內容按照應用層次、應用角度和應用方向進行整合和梳理。作為多數專業必修的工程技術基礎課和基礎平臺必修課，計算機網絡教學內容的特點是原理抽象、名詞術語和知識點很多且知識點之間的聯系不是特別緊密。學習本課程的學員之前所學的計算機知識不多、普遍積累較少，面對課程中如此多的名詞術語和抽象概念，學員會感到無從下手。譚浩強教授認為，面向非計算機專業的計算機基礎教育實際上是計算機應用教育，應當以應用為目的，以應用為出發點［9］。因此，對于非計算機專業的計算機網絡教學內容，也應該從實際應用的角度出發，將教學內容從專題應用進行劃分，比如局域網專題、廣域網專題、網絡服務專題、網絡安全與管理專題、無線網絡專題等，甚至可以與具體的專業應用相結合來按應用問題進行劃分，如指揮自動化網絡中的可靠傳輸問題、現代測控系統中的局域網基本原理問題等。以使學員從開始了解計算機網絡到逐步考慮計算機網絡技術與切身關心問題的關系，一直到最后的自覺應用計算機網絡技術解決本專業本領域的實際問題，也就達到了培養計算思維的目的。

3.2 在案例教學中融入計算思維培養

實施計算思維能力培養重在改革教學方式和方法。如果在計算機網絡課程中仍采用傳統的教學三部曲：提出概念——解釋概念——舉例說明，那么需要說明的概念名詞就太多且相互分散，學員只會覺得枯燥難懂，計算思維能力的培養也就無從談起。案例式教學方法是實施計算思維能力培養的有效途徑。根據計算機網絡教學內容及授課對象的特點和需求，采用案例式教學方法可以很好地將繁雜的知識點進行串并，并很好地強調了面向應用的主題。

在實施案例教學的過程中，其中所反映的教學模式與傳統教學模式是完全不同的。即在設計案例的基礎上，根據案例需求提出問題——分析討論解決問題的方法——歸納出必要的概念和結論［10］。這種從具體到抽象，從實際到理論，從個別到一般，是完全符合人們的認識規律的，也能較為自然地通過問題的解決來培養學員的計算思維能力。在將教學內容從應用角度進行整合之后，每一部分或幾部分內容可以較為鮮明地對應某一類應用，在此基礎上就可以相對容易地實施案例教學。

要使用案例較好地將教學內容呈現，而且能夠通過案例的逐步解決，使學員能夠掌握計算機網絡的相關知識和技能，并能培養學員的計算思維能力。如何構造滿足這些要求的案例是一個關鍵問題。已有的文獻中提出許多關于案例構造的方法、原則及工具。比如，案例要針對不同的專業區別處理、案例要具有時效性、難度深度要適中、普通案例與綜合案例相結合、使用Packet Tracer工具來組織實施案例教學等。這些都是實施案例教學應把握的問題。綜合來講，要把握兩個原則，一是案例教學要在教學內容梳理恰當的基礎上實施，這種梳理必須是面向應用的梳理；二是案例要能將教學內容合理地組織和呈現，使學生在案例中學會知識并能掌握運用知識解決實際問題的方法，體現知識背后的思維訓練，而不是簡單的概念堆積和知識堆積。下面通過一個具體的案例來說明作者的案例教學思路。

3.3 具體案例

案例：IP地址及子網劃分，如圖1所示。

在設置案例之前應該從應用角度出發將IP地址及子網劃分的相關知識點進行梳理，在此基礎上再采取循序漸進的原則設置案例。首先，設置一個初始案例，關于某公司擴展規模帶來的IP地址分配問題。此時通過引導學員發現兩級IP所面臨的突出問題之一，即IP地址浪費嚴重問題，啟發學員思考。在兩級IP的基礎上引導學員對三級IP的設想，以此為契機引入子網掩碼的概念，通過定長子網掩碼可以解決該案例中的地址分配問題，并指導學員自主完成子網的劃分方案。

定長子網掩碼是子網劃分最簡單的形式，在此基礎上將案例升級，構造出分公司IP地址的分配問題，引導學員發現“C類地址192.77.33.0包含了256個IP地址，卻不能為這200臺主機分配IP地址”這一問題。采用定長子網掩碼無法解決問題，申請新的IP地址已受到限制。因此，需要另尋它途來解決問題；在這種情況下，借助學生飯堂的標準餐和自助餐來形象說明定長子網掩碼的受限之處，由此啟發學員思考實施變長子網掩碼的可能性。在學員認可變長子網掩碼的基礎上，與學員共同用變長子網掩碼解決升級案例中的問題，在解決的過程中提取可能遇到的問題，進而對無分類編址進行適當討論。

Figure 1 Case of IP and subnet partition圖1 IP地址與子網劃分案例

在升級之后對案例進一步做出拓展，引出IP網絡面臨的幾類問題，并讓學員結合日常上網中遇到的問題，討論相關的網絡技術，如虛擬局域網技術、VPN技術、NAT技術及IPv6等內容，可以根據學員專業需要重點選擇其中若干內容進行深入探討。學員通過對之前所學的兩級IP進行改進生成三級IP，再將三級IP返回兩級IP，進而得出無分類編址的概念，在此基礎上引出虛擬局域網、VPN、IPv6等技術。

值得一提的是，這里的案例并沒有從一開始就體現兩級IP的所有局限性，而只是從其中的一個局限性出發構造案例，這并不影響學員對知識的理解。如果從一開始就告訴學員兩級IP的所有局限性，包括不夠靈活、會使路由表變得太大等，反而讓這些非計算機專業的學員失去了主線。因此，從一個缺點入手發現問題，在問題解決之后再由教員啟發學員發掘其中的優點時，學員會再拿這些優點和之前的兩級IP去比較，從而發現它更多的局限性，此時發現也為時不晚，而且印象更為深刻。最后，教員在每一次小總結的基礎上對本部分內容的核心概念及關鍵技術再次進行歸納和升華，從而為學員建立整體的IP子網劃分及相關拓展技術的思路。

在實施案例教學的過程中，學員深刻地體驗了計算機網絡技術隨時代需求而不斷突破性發展的曲折性，也充分感受了利用所需知識不斷改進、完善相關技術滿足實際需求的過程，這個過程是不斷創新思維的過程，也是培養計算思維的過程。在某種意義上，最為吸引大學生的計算機應用技術就是網絡技術［10］，計算機網絡技術博大而精深，要將這種吸引化為學員主動的學習和自覺的應用，需要我們將更多的知識融入一個個有效、生動的案例，以此激發學員興趣，使計算機網絡這項偉大的發明能夠在軍校學員的強軍職業生涯中發揮它應有的作用。

4 結束語

計算機網絡應用水平的高度決定著國防信息化建設水平的高度。計算思維能力的培養將有助于軍校學員解決未來信息化建設中遇到的實際問題。本文基于案例教學的計算思維能力培養的核心觀點是，從應用出發梳理教學內容，通過與學員熟悉領域結合恰當設置案例，增加復雜理論的可接受性，并通過提出問題——討論解決方案——歸納總結核心概念和結論，培養學員應用計算機網絡技術解決專業領域問題的主動性和自覺性，也即達到了培養計算思維能力的目的。

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附中文參考文獻：

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