基于计算思维的“计算机网络”课程教学探索

刘会会，王　宁，郭丽萍

(周口师范学院 计算机科学与技术学院，河南 周口 466001)

2010年以来，计算思维成为教育界的研究热点之一，国内很多高校开始注重在教学过程中培养学生的计算思维能力.“计算机网络”是一门专业基础课程，该课程具有理论性强、内容较为抽象的特点，采用传统的教学模式，只是概念和知识的堆积，不能提高学生分析问题、解决问题的能力.本文将计算思维能力的培养融入“计算机网络”教学的各个环节，以“引入问题→分析问题→解决问题”为主线，将教学过程转化为问题解决的过程.在该过程中逐步引导学生由浅入深地积极主动思考，提高其分析问题、解决问题的能力，进而培养其计算思维能力，使其能高效、灵活地解决生活、学习或工作中的各种实际问题.

1　计算思维的内涵

计算思维是美国Carnegie Mellon大学的周以真(Jeannette M.Wing)教授在国际著名计算机期刊Communications of the ACM上首次提出的[1]，是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等，包含了计算机科学之广度的一系列思维活动，其本质是抽象和自动化.其中计算机科学的基础概念包括约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、建模、预防、保护、回复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习、调度等[2].熟练掌握这些概念可以增强发现问题、分析问题和解决问题的能力，进而提高思维能力.计算思维是一种人的思维方式，影响人的思维习惯，不但是解决专业领域问题的途径，还能为解决生活、学习或工作中的各种实际问题提供有效的方法和手段.

2　“计算机网络”教学现状

2.1　内容抽象，理论性强

“计算机网络”课程内容较为抽象，理论性较强，在实际的理论教学过程中，存在重视理论知识讲授、轻视思维能力培养的现象[3].比如，多数教师按照教材内容自下而上从物理层讲到应用层，每一层所涉及的概念、原理、协议及方法较为抽象，学生听得迷迷糊糊，无法将知识点进行有效衔接，对于网络的运行机理不能形成一个清晰的认识，更无法和现实生活中的网络联系到一起.

2.2　教材内容滞后，缺乏及时更新

教学过程中存在教材内容滞后，缺乏及时更新的现象.“计算机网络”技术发展较为迅速，日新月异，而教材内容往往知识陈旧，更新不及时，比如现在比较流行的4G网络通信技术、大数据、云计算和物联网等，大都没有涉及.教师往往也会因教材里没有涉及而忽略讲解这部分内容，这会造成学生认为所学知识与实际生活脱节.

2.3　理论与实践不能紧密结合

教学过程中存在理论与实践不能紧密结合的现象.“计算机网络”是一门理论性和工程性都较强的课程，理论是实践的基础，实践可以帮助加深对理论的理解，灵活运用所学的理论.在“计算机网络”教学过程中存在实践环节薄弱或缺少的情况，即使有，实验内容也大都过于简单化或流程化，完全按照教师的操作步骤即可完成，缺少让学生自主思考、讨论协商的环节.这会使学生懒惰，不愿意动脑分析解决问题.

2.4　考核评价体系不完善

“计算机网络”课程存在考核评价方式单一的现象.一般是在学期末采用闭卷的形式考核学生，分为主观题和客观题两大类型，考查的是学生对理论知识的识记情况，缺乏灵活性.实践环节要么缺少，要么比重较小，没有真正考查出学生分析问题、解决问题的能力.针对“计算机网络”的以上教学现状，迫切需要对其进行教学改革.

3　“计算机网络”中蕴含计算思维

“计算机网络”是一个复杂的系统，由多种软硬件资源组成，最主要的功能就是通信.要想顺利地完成通信，就需要解决一系列的问题.面对如此复杂的系统，如何才能使其按照用户的需求进行工作？怎么样才能够更好地学习这个复杂庞大系统的运行机理及相关知识？运用计算思维可以解决上述问题.计算思维是人类固有的一种思维方式，只是之前未将其明确化、概念化.

实际上，“计算机网络”中处处蕴含着计算思维的思想方法[4]，比如网络分层模型，无论是OSI/RM参考模型中七层体系结构还是TCP/IP参考模型中的四层体系结构，将网络进行分层，把一个大的复杂问题化简成简单、易解决的问题，均体现了计算思维中的约简、转化思想；此外，将大的报文拆分成小的分组，为每一个分组独立选择路径，提高数据传输效率，这也体现了计算思维的约简、转化思想.将现实生活中的复杂网络如校园网等抽象、分解成图，体现了计算思维中的抽象、分解思想.网络通信过程中将多路信号进行复合，然后在同一个信道上传输的信道复用技术，以及将报文拆分成分组，然后同时传输的分组交换技术，均体现了计算思维中的并行处理思想.

网络不同层次间通信时的封装和解封，比如上层数据传输给下层时，要进行封装，下层的数据要传输给上层时，要进行解封，体现了计算思维中的递归思想；此外，在域名解析过程中，主机向本地域名服务器发送查询请求报文，一般都是采用递归查询，也体现了计算思维中的递归思想.

为了保证数据传输的可靠性，必须要进行差错控制，接收方要对接收到的数据进行差错检验，如果出现了差错就丢弃并通知发送方重传；此外，网络中增加冗余线路、备份电源等，也体现了计算思维的冗余、容错和纠错思想.已知某主机的IP地址求其硬件地址时，利用ARP协议在本局域网内用广播方式发送请求分组，如果该主机在本局域网内，就返回对应的硬件地址，如果不在，剩下的工作就交给相应的路由器处理；此外，需要IP地址的主机在启动时向DHCP服务器广播发送发现报文，以发现DHCP服务器的IP地址，这均体现了计算思维中的穷举思想.

以上所列举的“计算机网络”中蕴含计算思维的情况，可以用下图1更加直观地展现：

图1　计算思维与“计算机网络”关系图

当然，“计算机网络”中还有很多地方蕴含计算思维，就不再一一列举.

4　基于计算思维的“计算机网络”教学

在“计算机网络”教学中融入计算思维是一个关键性、值得探讨的问题，关键是如何组织和呈现教学内容，使学生在学习过程中逐渐理解并灵活应用计算机思维.依据“计算机网络”课程的特点，较为合适的做法是综合运用启发式教学法、案例式教学法和问题式教学法，以问题为导向[5-6]，围绕“引入问题→分析问题→解决问题”这一主线，使教学过程转化为问题解决的过程，在该过程中引导学生由浅入深地积极主动思考，进而逐步培养其计算思维能力.下面从三个方面展开论述.

4.1　 理论教学方面

单纯地讲授理论知识难免会枯燥乏味，教师应根据教学内容，灵活调整教学方法[7]，结合MOOC、微课、翻转课堂、PBL(Problem-based learning，问题式教学法)、CBS(Case-based study，案例式教学法)、启发式教学等多种教学方法，制定出个性化、满足需求的教学方案.比如采用PBL和CBS相结合的教学方法，引导学生主动思考、自主学习.

教师应根据所讲内容和教学目标，结合现实生活中的场景或案例，精心设计具有启发性的问题，并经常使用类比或比喻，以便学生更好地理解较为抽象的知识.比如在讲信道复用技术时，可以先让学生讲述其家庭或宿舍联网情况，然后总结，一般有一个路由器，下面连接多个上网设备，同时有一根网线或光纤从外面进来连接到该路由器上.这就意味着多个上网设备产生的数据都要经过这根光纤传输出去，从外界传输进来的数据也都要经过这同一根光纤，然后再分别传输到相应设备上.接下来提出以下问题，引导学生主动思考和学习：

(1)如何将多个设备产生的数据同时经过一根光纤传输？

(2)会产生相互干扰、失真吗？

(3)如果会，如何减少甚至避免？

(4)信号有光信号和电信号之分，如何传输不同类型的信号？

留一定时间让学生讨论、查找资料，并通过提问检验.然后，引入信道复用技术的理论讲解，在讲解的过程中系统分析解决上述问题.最后让学生自己归纳总结问题的解决过程及方法，举一反三.

网络技术发展迅速，而教材往往更新不及时，这就需要教师多关注发展动态，将前沿知识如云计算、物联网、大数据、互联网+等融入到课堂教学中，使学生感受到网络技术与日常生活密不可分，进而激发学生的学习兴趣和求知欲.积极引导学生发挥主观能动性，经常访问网络方面的知名网站，拓宽知识面，如因特网协会(Internet Society)、万维网联盟(Word Wide Web Consortium)等国际组织网站，Cisco网络技术论坛、CSNA网络分析论坛等技术论坛，还有知名院校的“计算机网络”精品课程网站等.

此外，教师可依据本校的实际情况采用网络教学，如笔者所在学校运用网络学习空间这一平台进行网络教学，教师可以上传教学大纲、实验大纲、考试大纲、教学进度表、课件、前沿知识等各种教学资源，在线布置作业、辅导答疑和测试；学生可以下载各种资源，在线跟教师互动交流，学生之间在线讨论，讨论答疑内容对所有班级成员公开.

4.2　 实验教学方面

通过实验，可以使抽象的理论具体化，加深理解，提高分析问题和解决问题的能力，所以要注重实验教学.在实验教学过程中，应采用启发式的教学方法，设计的实验要有层次性，从易到难、由浅入深，不能流于形式[8].

实验内容应具有层次性，如图2所示.具体地讲，首先是基础型实验，教师明确告诉学生实验的步骤和结果，通过这些实验学生可以验证进而掌握课堂上所讲的基本理论知识，理解计算思维的方法；其次是综合型实验，教师告诉学生实验中所需的设备和涉及的相关网络技术，要求学生自己动手设计和操作，通过这些实验学生可以提高应用网络技术的能力，增强计算思维的意识；最后是构造型实验，教师只给出任务和特定的需求，要求学生自主思考，列举所需的网络设备，考虑所用的网络技术，设计相应的实验过程，通过这些实验学生可以提高综合运用所学知识解决问题的能力，提高运用计算思维处理问题的能力.

图2　实验教学设计示意图

实验之前，教师应要求学生预习实验要求，最好提供相应的实验指导书；实验之中，教师与学生应积极主动沟通，遇到问题及时解决；实验之后，教师应要求学生认真撰写实验报告并重点列出心得体会.同时教师应提醒学生，现实生活中若遇到了类似问题，也同样要沉着冷静、积极思考，采取相应的解决方法.通过这种方式逐步引导学生运用计算思维分析、解决工作生活中遇到的实际问题.

4.3　考核评价体系方面

为了更全面地评价每一个学生，笔者认为课程考核评价体系应由平时成绩、实验成绩和期末考试成绩三部分组成，这样更有利于激发学生的学习兴趣，提高学生的动手操作能力，培养学生的计算思维能力.其中，平时成绩包括课堂提问、上课出勤、听课效果、课后作业、参与网络学习空间的活跃度等方面，占总成绩的20%.听课效果是指上课是否认真听讲、是否认真独立思考问题的解决方法、是否积极踊跃回答教师提问的问题等；参与网络学习空间的活跃度是指是否经常访问网络学习空间并下载资源、是否积极参与在线答疑等.实验成绩占总成绩的30%，主要包括实验过程和结果等，由该课程所要求完成的所有实验组成.实验过程是指过程中态度是否认真、是否是自己认真分析思考并独立完成的.期末考试成绩占总成绩的50%，采取闭卷形式，主观题所占分值不低于50%，应以综合应用分析题为主，重点考查学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力.

4.4　教学效果分析

为了检验“计算机网络”进行教学探索之后的效果，笔者对2015级软件工程专业和计算机科学与技术专业学生的成绩进行了分析，对照组为上届同期同专业类别学生.分析指标包括出勤率、平时成绩平均分、实验成绩平均分、期末考试成绩平均分及不及格率.对比实验数据表明，试点教学班整体情况好于对照组，具体分析见下表.

学生成绩分析表

数据分析显示，课程改革之后采用的新教学模式，教学效果更好.

5　结束语

“计算机网络”是一门理论性和工程性较强的课程，在理论教学、实验教学和考核评价过程中充分利用计算思维方法，有利于激发学生的学习兴趣，有利于培养学生的自主学习能力、动手操作能力和创新能力，有利于培养学生的计算思维能力，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力.网络技术日新月异，“计算机网络”课程的教学研究工作任重而道远.在未来教学中，笔者将继续探索优化教学方式方法，深化教学改革，为社会提供满足需求的人才.

参考文献：

[1] Jeannette M Wing. Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49(3)：33-35.

[2]陈国良，董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学，2013(12)：22-26.

[3]石晓敬，吕小萍，郭文秀.基于计算思维的“计算机网络”课程教学改革[J].中华医学图书情报杂志，2017,26(6)：63-66.

[4]贾伟，肖宁，李鑫．计算思维在“计算机网络”课程教学中的应用[J]．高等财经教育研究，2015，18(3)：50-53．

[5]颜学熊，曹宇，张连成.“计算机网络”课程中的基于问题教学模式[J].计算机教育，2017，19(6)：79-81.

[6]陆汉权，何钦铭，徐镜春.基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学内容设计[J].中国大学教学，2012，22(9)：55-58.

[7]李国佳，杨喜亮，李秀芹.“计算机网络”课程多元化教学与考核模式探索[J].计算机教育，2015，28(15)：89-92.

[8]王勇，薛静锋，李鹏，等.面向创新的高级“计算机网络”课程系统化教学[J].计算机教育，2017，10(4)：116-120.