基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革探索

陳偉宏 郭賽球

摘 ?要： 計(jì)算思維作為一種先進(jìn)的教育理念，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求。結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)，分析了計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的內(nèi)在關(guān)系，提出了將計(jì)算思維融入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的改革方案，并以實(shí)例闡述了基于計(jì)算思維的教學(xué)方法設(shè)計(jì)。該方案能有效提高學(xué)生的計(jì)算思維能力，為高校培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才提供了教學(xué)改革新思路。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維; 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò); 教學(xué)改革; 能力培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：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(jì)算思維是由美國(guó)Carnegie Mellon大學(xué)的Jeannnette M. Wing教授提出的一種教育理念，她指出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為[1]。計(jì)算思維概念一經(jīng)提出，就受到國(guó)內(nèi)外教育界和科學(xué)界人士的廣泛關(guān)注?；谟?jì)算思維的學(xué)習(xí)目的是為了創(chuàng)造，計(jì)算思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵。以先進(jìn)的教學(xué)理念指導(dǎo)教學(xué)，對(duì)學(xué)生現(xiàn)在以及將來(lái)具有非常重要的影響。

目前，計(jì)算思維在教育教學(xué)中的應(yīng)用正逐步展開(kāi)，增強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)已成為共識(shí)[2]。針對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)問(wèn)題，2008年，美國(guó)國(guó)家計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)發(fā)布了報(bào)告《計(jì)算思維：一個(gè)所有課堂問(wèn)題解決的工具》。我國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)召開(kāi)了“計(jì)算思維”專題研討會(huì)。2009年，Hambrusch等介紹了普渡大學(xué)在開(kāi)設(shè)計(jì)算思維導(dǎo)論課程中所取得的經(jīng)驗(yàn);董榮勝對(duì)以計(jì)算思維為基礎(chǔ)和以學(xué)科思想為基礎(chǔ)的兩類計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程進(jìn)行了比較分析。之后的研究主要圍繞計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才中的培養(yǎng)、在程序設(shè)計(jì)課程中的培養(yǎng)，以及如何在離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)等課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力[3-6]等。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程理論性強(qiáng)、概念抽象，將計(jì)算思維融入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中顯得尤為重要。本文首先分析計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的關(guān)系，然后通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)案例探討計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

計(jì)算思維是人類求解問(wèn)題的途徑，影響著人們的思維方式和思維習(xí)慣，將深刻影響人們的思維能力?；谟?jì)算思維的教學(xué)核心理念包括：①以培養(yǎng)計(jì)算思維為目的，將計(jì)算思維融入課程教學(xué)中，使學(xué)生在計(jì)算思維活動(dòng)中學(xué)習(xí);②學(xué)習(xí)計(jì)算思維本身，不僅為學(xué)生解決問(wèn)題，而且通過(guò)為學(xué)生提供思維空間，激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從而學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的問(wèn)題并解決問(wèn)題。計(jì)算思維包含一系列的計(jì)算機(jī)科學(xué)思維方法，如：通過(guò)抽象、轉(zhuǎn)化、仿真等形式，將復(fù)雜的問(wèn)題分解成細(xì)小的、易于處理的問(wèn)題。

為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，本文結(jié)合本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)提出：注重從應(yīng)用實(shí)例導(dǎo)入知識(shí)點(diǎn);強(qiáng)調(diào)從問(wèn)題分析入手，提煉基本概念和思維方法，有意識(shí)地強(qiáng)化學(xué)生計(jì)算思維方法，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。采取問(wèn)題討論形式，通過(guò)逐步提出問(wèn)題、引導(dǎo)學(xué)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(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，其理論性和工程性都很強(qiáng)，概念多、內(nèi)容抽象。首先，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層難理解;其次，對(duì)復(fù)雜龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作原理不知從何下手;再有，各協(xié)議的具體工作過(guò)程若使用動(dòng)畫演示或軟件仿真實(shí)現(xiàn)，能更好地理解協(xié)議。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原理源于工程實(shí)踐，同時(shí)又服務(wù)于實(shí)踐，初學(xué)者很難將理論與實(shí)際應(yīng)用融于一體，從而缺乏較高的學(xué)習(xí)興趣。計(jì)算思維為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)提供了一種新視角。從計(jì)算思維角度，如果訓(xùn)練學(xué)生在建立網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，既便于梳理課程的教學(xué)內(nèi)容，也體現(xiàn)了計(jì)算思維的核心所在。

2 基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

為了在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中融入計(jì)算思維，下面從教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)兩方面來(lái)探討計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與計(jì)算思維培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

2.1 基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

在計(jì)算思維教育理念指導(dǎo)下，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程特點(diǎn)，按照“知識(shí)—思維—技能”三層教育模式，構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)改革方案。在課堂教學(xué)中，從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，圍繞分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，導(dǎo)入課程知識(shí)點(diǎn)，講授思想和方法，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維求解問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生針對(duì)新問(wèn)題尋找解決方案;在實(shí)踐教學(xué)中，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，引入一些典型實(shí)例，利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題;有目的地指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體、團(tuán)隊(duì)協(xié)作思想，加強(qiáng)計(jì)算思維滲透，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

2.2 融入計(jì)算思維的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)相結(jié)合主要體現(xiàn)在：網(wǎng)絡(luò)模型和案例驅(qū)動(dòng)，根據(jù)講授的知識(shí)點(diǎn)適時(shí)引入計(jì)算思維方法，盡可能逼近解決真實(shí)世界問(wèn)題。下面以協(xié)議分層、網(wǎng)絡(luò)模型與計(jì)算為例闡述基于計(jì)算思維的課程教學(xué)設(shè)計(jì)。

案例1：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層

復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之所以能有條不紊地進(jìn)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(xué)生很好地理解協(xié)議的概念及其工作方式，可引入實(shí)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(guān)協(xié)議。在此實(shí)例操作過(guò)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(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)具體的協(xié)議，使用網(wǎng)絡(luò)模擬器Packet Tracer，模擬瀏覽網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程。操作如下：①搭建實(shí)驗(yàn)拓?fù)?，其中至少包括一臺(tái)Web服務(wù)器和PC機(jī)，通過(guò)交換機(jī)連接;②配置Web服務(wù)器和DNS服務(wù)器;③單擊“simulation mode”進(jìn)行設(shè)置，過(guò)濾DNS、TCP、UDP、HTTP、ARP等協(xié)議，之后單擊“自動(dòng)捕獲/播放”;④在客戶PC機(jī)上執(zhí)行“瀏覽網(wǎng)頁(yè)”操作，對(duì)捕獲到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議分析。在模擬模式的“Event List”對(duì)話框中，顯示當(dāng)前捕獲到的協(xié)議，如圖2所示。選擇事件列表中的某個(gè)協(xié)議，單擊實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D中的數(shù)據(jù)包，在“PDU信息”對(duì)話框中顯示該協(xié)議的詳細(xì)信息，包括OSI模型和進(jìn)/出站PDU詳細(xì)信息。

圖1 ?TCP/IP工作層次

圖2 ?事件捕獲

案例2：網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題抽象與基本網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，分析和理解大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)行為，不僅必要、而且能夠?qū)崿F(xiàn)[7]。“圖”方法是抽象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本方法。

⑴ 將網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題抽象成圖

一個(gè)圖包含一組節(jié)點(diǎn)元素和節(jié)點(diǎn)之間連接關(guān)系，連接關(guān)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(shí)世界中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可抽象成一種無(wú)向圖，節(jié)點(diǎn)表示計(jì)算機(jī)、智能終端、交換機(jī)或路由器等，邊表示網(wǎng)絡(luò)中任意兩臺(tái)設(shè)備之間的物理連接。在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，一條鏈路還具有屬性特征，如：帶寬、延時(shí)、平均流量、通信代價(jià)、距離等。從而抽象后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D邊還附有權(quán)值，稱為加權(quán)圖。

⑵ 基本網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

TCP/IP協(xié)議為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(luò)計(jì)算問(wèn)題?；趫D論分析網(wǎng)絡(luò)計(jì)算問(wèn)題，是將復(fù)雜龐大的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了便于處理的小問(wèn)題。這里以路由選擇算法為例說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)計(jì)算問(wèn)題的求解。

路由算法分為靜態(tài)路由算法和動(dòng)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(dòng)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(shí)際可轉(zhuǎn)化成在加權(quán)圖上使用該算法計(jì)算最短路徑問(wèn)題[8]。對(duì)于動(dòng)態(tài)路由算法，可分別在動(dòng)態(tài)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D上使用距離-矢量路由、鏈路狀態(tài)路由、邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議等完成路由的計(jì)算問(wèn)題。同時(shí)，用網(wǎng)絡(luò)仿真工具演示路由協(xié)議的工作過(guò)程，以進(jìn)一步理解和掌握路由算法思想，分析算法性能，以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新思維能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

我們將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)與計(jì)算思維培養(yǎng)緊密結(jié)合，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中融入計(jì)算思維，教學(xué)效果顯著提高。取得的主要成效有：一是提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性增強(qiáng);二是更好地培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算思維能力，提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提升?？偟膩?lái)說(shuō)，計(jì)算思維對(duì)21世紀(jì)人才提出了新的要求，必須在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革中加強(qiáng)計(jì)算思維能力培養(yǎng)，這對(duì)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才起到示范作用。

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