計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中Python對學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的探索

王亮

摘要：Python語言簡潔高效，應(yīng)用廣泛，特別是在人工智能領(lǐng)域，能夠讓學(xué)生有更多精力關(guān)注問題的建模與求解，進而有效地提升學(xué)生的計算思維能力。如何在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)過程中利用有限的課時開展基于Python的網(wǎng)絡(luò)編程教學(xué)和實驗，以提升學(xué)生的計算思維能力，是一個教學(xué)難題。對此，本文借鑒翻轉(zhuǎn)課堂模式，提出了“課前自學(xué)+課堂討論+論壇反饋+上機實驗”的授課模式，能使學(xué)生有效地理解網(wǎng)絡(luò)通信的概念和原理，掌握Python編程并實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；計算思維；網(wǎng)絡(luò)編程；Python

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）26-0123-02

一、在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的意義

計算機網(wǎng)絡(luò)作為計算機及其相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的一門專業(yè)核心課，其目標(biāo)在于幫助學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)和常見網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議的基本原理，使得學(xué)生面對飛速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)特別是移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠理解基本的運行原理，而且能夠保持一定的判斷力和創(chuàng)新能力。為了培養(yǎng)新時代大學(xué)生的創(chuàng)新能力，對大學(xué)生進行計算思維能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為一種十分有效且必定要走的道路。

二、Python特點及其在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中的優(yōu)勢

首先，Python是一門靈活的高級編程語言，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，特別是在人工智能領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用，如TensorFlow、Keras等。Python程序簡潔，語法更為接近自然語言，如采用縮進來標(biāo)識代碼段等；Python方便運行，其提供了多種運行機制，如可本機運行的PyCharm編輯器，也可以在線運行，如Jupyter Notebook等。另一方面，Python提供各種應(yīng)用庫，如數(shù)值計算庫numpy、與畫圖相關(guān)的matplotlib、機器學(xué)習(xí)的scikit-learn等，而且通過anaconda軟件可以很方便地來安裝、管理和更新Python的各種庫。這些庫實現(xiàn)了相關(guān)領(lǐng)域的很多操作，功能強大且方便調(diào)用，極大地減少了學(xué)生實現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的基本功能所需的編程時間，而且其運行效率高。因此，對學(xué)生而言特別是計算機相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，Python編程簡單易學(xué)，方便上手，特別關(guān)注問題本身的建模與求解。它能夠使學(xué)生從較為復(fù)雜的編程語言的語法中解脫出來，全身心地關(guān)注與所要求解問題的建模與對應(yīng)的解法優(yōu)化。

其次，本人所在學(xué)院的計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程采用的教材是《計算機網(wǎng)絡(luò)-自頂向下法（原書第六版）》，該教材中在第二章的socket編程中采用Python語言取代了之前版本中的Java語言。一方面采用Python語言對于編程新手來說，能夠方便地理解TCP和UDP協(xié)議的核心概念；另一方面，Python語言能夠提供訪問原始socket的接口，從而使學(xué)生能夠在此基礎(chǔ)上自主創(chuàng)建一系列更為廣泛的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

三、如何開展Python教學(xué)以提升學(xué)生計算思維能力

（一）課前自學(xué)

考慮到本學(xué)院的開課學(xué)生是計算機和軟件相關(guān)專業(yè)的大二學(xué)生，授課學(xué)生已經(jīng)學(xué)過一些相關(guān)的編程語言，如C++，對計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機編程都有較好的基礎(chǔ)。授課時，應(yīng)該充分考慮學(xué)生的這些基礎(chǔ)，同時重視不同學(xué)生對于這些課程的掌握程度會有一定的差異性。此時，如果采用集中授課或者唯一的教材進行Python編程的授課，有可能一些學(xué)生已經(jīng)很了解相關(guān)內(nèi)容，而另一些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可能覺得進度有些快。因而，采用推薦相關(guān)的教材和公開課視頻等資料，讓學(xué)生根據(jù)自身已有基礎(chǔ)和時間安排，有目的地重點學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。

（二）課堂討論

根據(jù)學(xué)生自學(xué)的反饋，在課堂上，通過與學(xué)生討論的方式，啟發(fā)學(xué)生回答課前編程作業(yè)的相關(guān)問題，隨后通過設(shè)計幾個簡單的程序示例，引導(dǎo)學(xué)生思考相應(yīng)的輸出結(jié)果，進而讓學(xué)生自查通過課前自學(xué)對Python編程的掌握程度。最后，和學(xué)生們一起總結(jié)Python編程的重要知識點和相關(guān)編程原則。然而，課堂的重點應(yīng)該放在通過課堂討論，讓學(xué)生理解Python語言對TCP和UDP協(xié)議運行機制的編程實現(xiàn)，讓學(xué)生理解實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的核心思想，同時基本熟悉如何通過Python語言來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信這一功能。

（三）論壇反饋

由于課時有限，教師不可能一一解決所有學(xué)生們的問題。因而，可以鼓勵學(xué)生根據(jù)課前自學(xué)和課堂討論的結(jié)果，利用課余時間在相關(guān)的論壇上進行討論，例如，使用本學(xué)院教學(xué)所采用的Blackboard平臺，針對Python編程以及上課所講授的TCP和UDP協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容進行提問和討論。授課教師可以瀏覽學(xué)生們的提問和相關(guān)討論，回答學(xué)生共同疑惑的地方。關(guān)于Python編程中遇到的相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生們在Python語言編程的公共論壇進行提問和討論，如GitHub、Reddit等。

（四）上機實驗

為了鞏固課堂教學(xué)效果，并提高學(xué)生的動手能力，設(shè)計了上機實驗，分為基礎(chǔ)實驗和進階實驗。上機實驗時，將學(xué)生們以兩人為一組分成多個實驗小組，每個小組的兩名學(xué)生分別來實現(xiàn)TCP編程的server和client程序，進而進行網(wǎng)絡(luò)通信測試，而UDP實驗的任務(wù)分配則對調(diào)過來。每個學(xué)生既能夠分別實現(xiàn)server和client端的編程，又能通過兩人一組進行相互討論。

為了進一步培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)更為有趣和面向用戶的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的能力，設(shè)計進階實驗，比如，讓學(xué)生的client程序?qū)⒅付▋?nèi)容發(fā)給server，而server必須對該內(nèi)容進行一些必要的處理，如大小寫轉(zhuǎn)換、字符數(shù)統(tǒng)計、加密等。該部分內(nèi)容并沒有現(xiàn)成可以參考的算法或者編程實現(xiàn)，學(xué)生們需要自己分析如何來實現(xiàn)該部分功能，同時將功能分解到對應(yīng)的client和server端，進而采用高效的編程語言來實現(xiàn)。學(xué)生需要對編寫的程序進行調(diào)試和相關(guān)測試，以保證正確、高效地實現(xiàn)相關(guān)功能。

最后，教師通過當(dāng)面運行相關(guān)程序，檢查學(xué)生們所編寫程序的正確性和有效性。同時，將實驗的完成時間作為本次實驗的一個考核指標(biāo)，激勵實驗用時較少的學(xué)生，以激發(fā)學(xué)生們做實驗的熱情和積極性。課堂結(jié)束前，總結(jié)并糾正學(xué)生在實驗中遇到的典型錯誤，提醒學(xué)生在以后學(xué)習(xí)和編程中注意這些問題。隨后，全班展示最簡潔高效的代碼，讓學(xué)生們相互比較和學(xué)習(xí)，進一步體會高效編程的一些原則，并逐步嘗試將這些規(guī)則應(yīng)用到自己的學(xué)習(xí)實踐中去。此外，鼓勵學(xué)生比較之前做過的單機編程實驗和本次網(wǎng)絡(luò)通信實驗的區(qū)別，使學(xué)生進一步理解網(wǎng)絡(luò)通信的特點，理解server和client的分工與協(xié)作，加深學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)概念和運行機制的理解與掌握。

四、結(jié)語

本文以Python語言在網(wǎng)絡(luò)編程實驗中的應(yīng)用為例，探索了如何在計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程中逐步培養(yǎng)并提升學(xué)生的計算思維能力，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂思想，提出了“課前自學(xué)+課堂討論+論壇反饋+上機實驗”的授課模式，以逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如何結(jié)合其他相關(guān)課程特點以持續(xù)提升大學(xué)生的計算思維能力，進而在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中設(shè)計完整的計算思維能力培養(yǎng)體系是未來教學(xué)工作中需要進一步探索和改革的新方向。

參考文獻：

[1]James F.Kurose，Keith W.Ross.著，陳鳴譯.計算機網(wǎng)絡(luò)：自頂向下方法[M].原書第6版.機械工業(yè)出版社，2014.

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