計算機網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)員計算思維能力培養(yǎng)的思考與實踐＊

路艷麗，王曉丹，徐云飛

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)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(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”。電動機的出現(xiàn)引發(fā)了自動化的思維，計算機的出現(xiàn)催生了智能化的思維和計算思維［1］。2006年，美國計算機學(xué)會通訊發(fā)表Wing J M教授［2］《計算思維》一文，系統(tǒng)地提出計算思維的概念。隨后，計算思維在國內(nèi)計算機基礎(chǔ)教育界迅速傳播并得到重視發(fā)展［3］。

計算機網(wǎng)絡(luò)課程在軍校大學(xué)教育中的地位，可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)在軍隊信息化建設(shè)中的作用來真實地反映和體現(xiàn)。軍隊計算機網(wǎng)絡(luò)是軍事系統(tǒng)信息傳輸?shù)摹吧窠?jīng)”、指揮決策的“大腦”、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的支撐、管理訓(xùn)練的“根基”，及戰(zhàn)斗力的“倍增器”。因此，計算機網(wǎng)絡(luò)作為了軍校多數(shù)專業(yè)的必修課。在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中開展學(xué)員計算思維能力的培養(yǎng)具有非常迫切的需求和良好的條件。然而，如何使學(xué)員掌握計算機網(wǎng)絡(luò)知識和技能，并能更好地使用計算機網(wǎng)絡(luò)解決軍隊信息化建設(shè)中面臨的問題，即對學(xué)員計算思維能力的培養(yǎng)，是一個擺在我們面前的難點問題。

目前，關(guān)于計算思維的理解多停留在“哲學(xué)”或“科學(xué)”層面，在“教學(xué)”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(wǎng)絡(luò)思維進行必要分析和介紹；接著，對基于案例教學(xué)的計算思維能力培養(yǎng)進行了深入解析，包括教學(xué)內(nèi)容的梳理和在案例中融入計算思維，即從應(yīng)用角度出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造能將教學(xué)內(nèi)容合理地組織和呈現(xiàn)的具體案例，以培養(yǎng)學(xué)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(wǎng)絡(luò)思維

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。2010年7月，教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會確定了以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革［4］，期間的《九校聯(lián)盟計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》指出，要加強以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究。增強計算思維能力的培養(yǎng)，已成為當(dāng)前大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的主旋律，并且得到教育部高教司的重視與支持。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人們?nèi)粘９ぷ?、生活和社會各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，培養(yǎng)、訓(xùn)練了人們新的思維模式，開放性、協(xié)同性、系統(tǒng)性等網(wǎng)絡(luò)思維的習(xí)慣逐漸形成。文獻［5］指出，作為計算思維發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)思維，是面向當(dāng)代大學(xué)生的“一種普遍認識和一類普適技能”，并將計算思維和網(wǎng)絡(luò)思維進行了比較。網(wǎng)絡(luò)思維的概念體系包含思維形態(tài)、思維方法、行為模式和社會道德四個層面。網(wǎng)絡(luò)思維具有非線性、發(fā)散性、開放性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、群體性等特征。文獻［6］提出了基于網(wǎng)絡(luò)思維的探究式教學(xué)模式設(shè)計，較好地體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)思維能力的培養(yǎng)。網(wǎng)絡(luò)思維是計算思維進一步的發(fā)展，在本文中筆者仍用計算思維表述，但其內(nèi)涵已擴展到了網(wǎng)絡(luò)思維的內(nèi)容。

在課程中培養(yǎng)計算思維能力，關(guān)鍵是要提煉并展現(xiàn)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(xué)體系結(jié)構(gòu)、采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)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(xué)的計算思維能力培養(yǎng)

3.1 從應(yīng)用角度出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容

計算思維培養(yǎng)并不是教學(xué)內(nèi)容或工具的改變，而是教學(xué)方法、方式的改變［7］。但是，實施教學(xué)方法、方式的改變，需要在不改變教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上對教學(xué)內(nèi)容進行重新的梳理。關(guān)于如何重新梳理計算機網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容，筆者認為應(yīng)該從以下兩個方面考慮。

一是強調(diào)根據(jù)學(xué)員特點、培養(yǎng)目標及部隊需求，合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容是教學(xué)順利展開的基礎(chǔ)。在高等計算機基礎(chǔ)教育的教學(xué)中，首先要解決的問題是準確定位，根據(jù)具體的培養(yǎng)目標合理取舍教學(xué)內(nèi)容［8］。必須分清楚哪些內(nèi)容是主要需要的，哪些內(nèi)容是不需要的；哪些內(nèi)容是目前暫時可以不學(xué)而留待以后學(xué)的，哪些內(nèi)容是不必學(xué)的。絕不可胡子眉毛一把抓，不加分析不問主次，使學(xué)員感到難以入門。因此，這里強調(diào)要根據(jù)培養(yǎng)目標和學(xué)員特點來對課程內(nèi)容進行恰當(dāng)取舍，根據(jù)學(xué)員未來需要給學(xué)員傳授計算機網(wǎng)絡(luò)的基本知識和技術(shù)，在此過程中兼顧計算思維能力的培養(yǎng)。

二是從應(yīng)用角度出發(fā)規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。計算機類課程不是純理論課程，有很強的應(yīng)用性，應(yīng)當(dāng)強調(diào)學(xué)以致用，圍繞應(yīng)用進行學(xué)習(xí)，通過多用來培養(yǎng)學(xué)員的計算思維。因此，可以將教學(xué)內(nèi)容按照應(yīng)用層次、應(yīng)用角度和應(yīng)用方向進行整合和梳理。作為多數(shù)專業(yè)必修的工程技術(shù)基礎(chǔ)課和基礎(chǔ)平臺必修課，計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容的特點是原理抽象、名詞術(shù)語和知識點很多且知識點之間的聯(lián)系不是特別緊密。學(xué)習(xí)本課程的學(xué)員之前所學(xué)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(shù)語和抽象概念，學(xué)員會感到無從下手。譚浩強教授認為，面向非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)教育實際上是計算機應(yīng)用教育，應(yīng)當(dāng)以應(yīng)用為目的，以應(yīng)用為出發(fā)點［9］。因此，對于非計算機專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，也應(yīng)該從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容從專題應(yīng)用進行劃分，比如局域網(wǎng)專題、廣域網(wǎng)專題、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)專題、網(wǎng)絡(luò)安全與管理專題、無線網(wǎng)絡(luò)專題等，甚至可以與具體的專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合來按應(yīng)用問題進行劃分，如指揮自動化網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸問題、現(xiàn)代測控系統(tǒng)中的局域網(wǎng)基本原理問題等。以使學(xué)員從開始了解計算機網(wǎng)絡(luò)到逐步考慮計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與切身關(guān)心問題的關(guān)系，一直到最后的自覺應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決本專業(yè)本領(lǐng)域的實際問題，也就達到了培養(yǎng)計算思維的目的。

3.2 在案例教學(xué)中融入計算思維培養(yǎng)

實施計算思維能力培養(yǎng)重在改革教學(xué)方式和方法。如果在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)員只會覺得枯燥難懂，計算思維能力的培養(yǎng)也就無從談起。案例式教學(xué)方法是實施計算思維能力培養(yǎng)的有效途徑。根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容及授課對象的特點和需求，采用案例式教學(xué)方法可以很好地將繁雜的知識點進行串并，并很好地強調(diào)了面向應(yīng)用的主題。

在實施案例教學(xué)的過程中，其中所反映的教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式是完全不同的。即在設(shè)計案例的基礎(chǔ)上，根據(jù)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(jié)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(guī)律的，也能較為自然地通過問題的解決來培養(yǎng)學(xué)員的計算思維能力。在將教學(xué)內(nèi)容從應(yīng)用角度進行整合之后，每一部分或幾部分內(nèi)容可以較為鮮明地對應(yīng)某一類應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上就可以相對容易地實施案例教學(xué)。

要使用案例較好地將教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，而且能夠通過案例的逐步解決，使學(xué)員能夠掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識和技能，并能培養(yǎng)學(xué)員的計算思維能力。如何構(gòu)造滿足這些要求的案例是一個關(guān)鍵問題。已有的文獻中提出許多關(guān)于案例構(gòu)造的方法、原則及工具。比如，案例要針對不同的專業(yè)區(qū)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(jié)合、使用Packet Tracer工具來組織實施案例教學(xué)等。這些都是實施案例教學(xué)應(yīng)把握的問題。綜合來講，要把握兩個原則，一是案例教學(xué)要在教學(xué)內(nèi)容梳理恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上實施，這種梳理必須是面向應(yīng)用的梳理；二是案例要能將教學(xué)內(nèi)容合理地組織和呈現(xiàn)，使學(xué)生在案例中學(xué)會知識并能掌握運用知識解決實際問題的方法，體現(xiàn)知識背后的思維訓(xùn)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(xué)思路。

3.3 具體案例

案例：IP地址及子網(wǎng)劃分，如圖1所示。

在設(shè)置案例之前應(yīng)該從應(yīng)用角度出發(fā)將IP地址及子網(wǎng)劃分的相關(guān)知識點進行梳理，在此基礎(chǔ)上再采取循序漸進的原則設(shè)置案例。首先，設(shè)置一個初始案例，關(guān)于某公司擴展規(guī)模帶來的IP地址分配問題。此時通過引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)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(fā)學(xué)員思考。在兩級IP的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)員對三級IP的設(shè)想，以此為契機引入子網(wǎng)掩碼的概念，通過定長子網(wǎng)掩碼可以解決該案例中的地址分配問題，并指導(dǎo)學(xué)員自主完成子網(wǎng)的劃分方案。

定長子網(wǎng)掩碼是子網(wǎng)劃分最簡單的形式，在此基礎(chǔ)上將案例升級，構(gòu)造出分公司IP地址的分配問題，引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)“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(wǎng)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(xué)生飯?zhí)玫臉藴什秃妥灾蛠硇蜗笳f明定長子網(wǎng)掩碼的受限之處，由此啟發(fā)學(xué)員思考實施變長子網(wǎng)掩碼的可能性。在學(xué)員認可變長子網(wǎng)掩碼的基礎(chǔ)上，與學(xué)員共同用變長子網(wǎng)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(dāng)討論。

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

在升級之后對案例進一步做出拓展，引出IP網(wǎng)絡(luò)面臨的幾類問題，并讓學(xué)員結(jié)合日常上網(wǎng)中遇到的問題，討論相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如虛擬局域網(wǎng)技術(shù)、VPN技術(shù)、NAT技術(shù)及IPv6等內(nèi)容，可以根據(jù)學(xué)員專業(yè)需要重點選擇其中若干內(nèi)容進行深入探討。學(xué)員通過對之前所學(xué)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(chǔ)上引出虛擬局域網(wǎng)、VPN、IPv6等技術(shù)。

值得一提的是，這里的案例并沒有從一開始就體現(xiàn)兩級IP的所有局限性，而只是從其中的一個局限性出發(fā)構(gòu)造案例，這并不影響學(xué)員對知識的理解。如果從一開始就告訴學(xué)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(yè)的學(xué)員失去了主線。因此，從一個缺點入手發(fā)現(xiàn)問題，在問題解決之后再由教員啟發(fā)學(xué)員發(fā)掘其中的優(yōu)點時，學(xué)員會再拿這些優(yōu)點和之前的兩級IP去比較，從而發(fā)現(xiàn)它更多的局限性，此時發(fā)現(xiàn)也為時不晚，而且印象更為深刻。最后，教員在每一次小總結(jié)的基礎(chǔ)上對本部分內(nèi)容的核心概念及關(guān)鍵技術(shù)再次進行歸納和升華，從而為學(xué)員建立整體的IP子網(wǎng)劃分及相關(guān)拓展技術(shù)的思路。

在實施案例教學(xué)的過程中，學(xué)員深刻地體驗了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨時代需求而不斷突破性發(fā)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(guān)技術(shù)滿足實際需求的過程，這個過程是不斷創(chuàng)新思維的過程，也是培養(yǎng)計算思維的過程。在某種意義上，最為吸引大學(xué)生的計算機應(yīng)用技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［10］，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)博大而精深，要將這種吸引化為學(xué)員主動的學(xué)習(xí)和自覺的應(yīng)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(fā)學(xué)員興趣，使計算機網(wǎng)絡(luò)這項偉大的發(fā)明能夠在軍校學(xué)員的強軍職業(yè)生涯中發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

4 結(jié)束語

計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平的高度決定著國防信息化建設(shè)水平的高度。計算思維能力的培養(yǎng)將有助于軍校學(xué)員解決未來信息化建設(shè)中遇到的實際問題。本文基于案例教學(xué)的計算思維能力培養(yǎng)的核心觀點是，從應(yīng)用出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容，通過與學(xué)員熟悉領(lǐng)域結(jié)合恰當(dāng)設(shè)置案例，增加復(fù)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(jié)核心概念和結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)員應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的主動性和自覺性，也即達到了培養(yǎng)計算思維能力的目的。

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