计算思维在计算机网络类课程中的应用

王惠惠 李敏 王俊飞 白贵山

摘要：计算思维是目前研究较广泛的一种思维方式，他可以培养学生分析问题、解决问题的能力。该文首先简要论述了计算思维的应用现状，然后分析了在计算机网络类课程中应用计算思维的基本思路和具体方法。

关键词：计算思维;计算机网络;问题解决

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）22-0140-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 计算思维的应用现状

计算思维是由美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授提出。周教授认为计算思维是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涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。近年来，各学科都在研究利用计算思维解决行业知识。目前，计算思维融人生物学、化学、物理学、哲学等领域，在各学科中具有很大的影响。

计算思维是每一个人必须具备的基本技能，是人类求解问题的一条途径，它告诉人们只要肯善于思考勤于实践，世界上就会只有想不到、没有做不到的事情。

2 基于计算思维的计算机网络类课程教学改革基本思路

2.1通过计算思维提高应用、创新能力

计算思维的本质是应用计算机科学技术解决复杂问题。在课程中融人技术思维，将复杂问题分解为多个子问题，按照计算机的串行和并行计算的思想执行，最终解决问题。应用技术思维可以简化问题，使问题更清晰，使学生在解决问题的过程中内化知识。从而提高应用能力，并具有一定的创新能力。

2.2 将计算思维培养贯穿整个教学过程[1]

计算思维能力的培养不仅仅体现在程序设计类课程中，要在学生的整个学习生涯中都要进行。在计算机网络类课程中融人计算思维，帮助学生学会从本质和全局上解决学习和工作中的实际问题，同时提升学生的计算机网络应用能力[1]。

3 基于计算思维的计算机网络类课程教学设计

3.1 基于流程图的计算思维能力培养

计算思维是一种建构性思维，需要将解决问题的思维转化为一系列计算机可以理解并执行的过程，再进一步建立可自动化处理的计算系统[2]。按照概念计算思维可以分为问题识别、问题分解、抽象和问题解决4个部分。

流程图是将系统按照事件发生的先后顺序用图形表示出来的一个信息流、观点流。流程图将计算思维中对问题的识别用不同图形符号表示出来，并辅以简单的文字说明;而将一个复杂问题用流程分支结构表示出，实现对计算思维中问题的分解;有了对问题的标识，怎么样对问题进行抽象，是流程图的核心，它使用流程框、输入输出框等表示的顺序、选择、循环等结构实现对问题的抽象;将所有信息用有向线条连接起来，构成一个有先后顺序的清晰图表，及可用计算机按照一定算法来执行并解决。流程图对问题的构造体现了计算思维的四个步骤，将计算思维对问题的描述更加简单易于理解。

在信息技术课程中程序设计类课程使用流程图描述问题的较多，将某一问题构建为流程图，并编写相应的代码。在计算机网络类课程中流程图的应用较少。若能将流程图的方法应用于计算机网络课程，则可以更好地培养学生计算思维能力。

例如1，在讲解DHCP协议的执行过程时计算思维的体现及流程图实现。

（1）问题提出并识别

问题提出：DHCP按照什么流程将IP地址分配给客户机？

问题识别：DHCP服務器，服务器IP地址，服务器MAC地址，客户机，客户机IP地址，客户机MAC地址。

（2）问题分解

客户机获得IP地址分为2种情况，一种是初次申请IP地址，一种是IP地址过期之前续约。

（3）系统抽象

当客户机初次申请IP地址时要经过四个步骤，并且每步的IP地址均要发生变化，这四步是顺序执行的。当客户机提出对IP地址的续约时，分为三种情况.当达到租约时间的50%时，当达到租约时间的7/8时，当完全超时时。三种情况有先后顺序，但是对于整个过程来说是一个循环。

其中学生绘制的客户机续约的流程图如图1所示。

例如2，在讲解两台计算机之间数据转发时的计算思维培养及流程图实现。

（1）问题提出并识别

问题提出：数据转发需要经过哪些设备？两台计算机是同网段吗？

问题识别：计算机1，计算机2，路由器，交换机

（2）问题分解

数据转发分为两种情况，一种为同网段数据转发，一种为跨网段数据转发。

（3）系统抽象

在数据转发过程中需要判断源IP地址与目标IP地址的关系，源IP地址与路由器接口IP地址的关系，以及所有的MAC地址关系。整个数据流程为顺序结构。

学生绘制的数据转发流程图如图2所示。

3.2 通过设置问题，提高发散思维能力[3]

设置问题是任何一门课程教学中不可缺少的环节，是对计算思维能力培养的重要体现。通过问题迁移可以有效提升学生的应用能力和创新能力。设置问题在不同的教学环境中，面对不同的学生应有不同的设计。对提问的设计不仅要注重基础知识的体现，注重学生的承受能力，注重与专业技能的结合，更应该注重学生核心素养的培养。设置问题可以有如下几种形式：

（1）教师设置问题，学生思考回答问题

教师提出问题、学生回答，这种形式就是课堂上的提问。教师提问时注意的一点是，通过思考回答问题，能够培养学生的能力，切记不能设置不加思索就能回答出来的问题。

例如，在讲解了DHCP协议的执行过程后，可以让学生思考如下问题：DHCP的执行过程是分段、分层执行的，它和哪些协议的执行过程相似？分层思想在计算机网络中的应用还有哪些？生活中有哪些事情处理是分段、分层完成的？日常生活中普及的智能手机等人网设备，他们是否也需要IP地址呢，他们的IP地址如何获得，怎么查看手机IP地址？

类似的问题可以让学生了解网络的构建思路，让学生学会分层的思想，为以后解决问题提供一定的思路。将专业知识与生活现象联系起来，更能激发学习兴趣。

（2）由教师引导，学生自己提出问题

教师正确引导，学生提出高质量问题，对于学生的创造性思维的培养具有重要的作用。但是需要注意问题的提出要有解决思路，最好能用流程图解决。

例如，在讲解证书服务器章节之后，教师提出你能从所学内容中提出哪些问题，可以从知识本身的扩展、CA在生活中的应用方面思考？

根据教师的引导，有的学生提出证书的具体内容是什么？证书存放在哪里？证书服务器在生活中有哪些应用？CA类似于生活中的哪些机构？

还有学生提出更有趣的问题，能不能利用证书服务器的思想构建可靠的局域网环境？

类似的问题说明学生已经理解证书服务器的作用，但是仍然有很大的扩展空间。学生提出创新问题，可以作为毕业设计的研究内容，也可以作为兴趣爱好，巩固知识的学习。

3.3 巧设综合性案例，培养综合应用能力

计算机网络课程中的综合性案例通常为综合本课程或者多门课程的多个知识点的实验。在解决综合性案例时也要学生按照计算思维的四步骤进行。

例如，实验描述如下：

实验环境：客户机1台，操作系统为Windows 7;服务器2台，操作系统均为Windows server 2008 R2

实验要求：（1）服务器1中配置DHCP、DNS服务器，服务器2中配置WEB、FTP服务器。（2）客户机的IP地址自动获得。（3）WEB站点的文件均由用户通过FTP服务器远程上传。

在讲解了DHCP、DNS、WEB、FTP服务器的原理和配置之后，如果是单独的实验，学生都会按时完成。如果将四种服务作为一个整体，相互关联起来，90qo的学生不能准确理解。

在完成该实验的之前，首先让学生分析问题，然后对问题进行分解，进行系统抽象，最后实现。

（1）问题提出和识别

本实验中涉及DHCP、DNS、WEB、FTP、客户机五个角色，3台物理机。并要求学生画出整个网络结构图。

（2）问题分解

可以把该实验分为四个部分，分别为DHCP、DNS、WEB、FTP配置四个部分。每部分之间的关系为：DHCP为DNS、WEB、FTP分配保留IP地址，DNS配置WEN、FTP的資源记录，FTP的物理路径指向WEB的物理路径。

（3）系统抽象

该实验可以借鉴计算思维中的并行和串行思想，将四个部分连接起来。首先需要配置的是DHCP服务器，他给其他计算机分配IP地址，然后可以同时配置DNS、WEB、FTP服务器，最后配置客户机。

（4）问题解决

前面3步完成之后，即可按照步骤完成这个实验。

4 结束语

计算思维在学生的成长过程中有着非常重要的作用。它可以提高学生分析问题解决问题的能力。因此教师和学生一定要在平时的工作和学习中不断提高自身的计算思维，提高工作和学习效率[4]。

参考文献：

[1]曾兆敏，王宏旭，王坤，化工类院校视域下高校计算机课程计算思维培养[Jl.粘接，2019，40（10）：162-164.

[2]郁晓华，王美玲.流程图支持下的计算思维培养实践研究[J].中国远程教育，2019（9）：83-91.

[3]李敏，以培养计算思维为主的C程序设计课程教学改革[Jl.电脑知识与技术，2019.15 （12）：111-112.

[4]赵娜龙.基于计算思维“计算机”课程混合教学模式浅析[J]信息记录材料，2020，21（1）：218-219.

【通联编辑：朱宝贵】基金项目：基于“翻转课堂”和企业案例相结合的教学方法研究——以《Windows Server服务器管理》课程为例》（项目编号：

HTXYJXY18014）

作者简介：王惠惠（1983-），副教授;李敏（1979-），副教授;王俊飞（1977-），教师;白贵山（1963-），副教授。