基于计算思维的计算机网络教学改革探索

陈伟宏 郭赛球

摘  要： 计算思维作为一种先进的教育理念，对计算机专业人才培养提出了新的要求。结合计算机网络课程特点，分析了计算思维与计算机网络课程教学的内在关系，提出了将计算思维融入计算机网络课程教学的改革方案，并以实例阐述了基于计算思维的教学方法设计。该方案能有效提高学生的计算思维能力，为高校培养计算机专业人才提供了教学改革新思路。

关键词： 计算思维; 计算机网络; 教学改革; 能力培养

中图分类号：G642          文献标志码：A      文章编号：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

计算思维是由美国Carnegie Mellon大学的Jeannnette M. Wing教授提出的一种教育理念，她指出：计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类行为[1]。计算思维概念一经提出，就受到国内外教育界和科学界人士的广泛关注。基于计算思维的学习目的是为了创造，计算思维发展水平是学生成才的关键。以先进的教学理念指导教学，对学生现在以及将来具有非常重要的影响。

目前，计算思维在教育教学中的应用正逐步展开，增强学生计算思维能力培养已成为共识[2]。针对计算思维的培养问题，2008年，美国国家计算机科学技术教师协会发布了报告《计算思维：一个所有课堂问题解决的工具》。我国高等学校计算机教育研究会召开了“计算思维”专题研讨会。2009年，Hambrusch等介绍了普渡大学在开设计算思维导论课程中所取得的经验;董荣胜对以计算思维为基础和以学科思想为基础的两类计算机导论课程进行了比较分析。之后的研究主要围绕计算思维在计算机应用型人才中的培养、在程序设计课程中的培养，以及如何在离散数学、数据库等课程中培养学生的计算思维能力[3-6]等。

计算机网络课程理论性强、概念抽象，将计算思维融入到计算机网络课程教学中显得尤为重要。本文首先分析计算思维与计算机网络课程教学的关系，然后通过教学设计案例探讨计算思维在计算机网络教学中的应用，以培养学生计算思维能力，提高教学质量。

1 计算思维与计算机网络教学

计算思维是人类求解问题的途径，影响着人们的思维方式和思维习惯，将深刻影响人们的思维能力。基于计算思维的教学核心理念包括：①以培养计算思维为目的，将计算思维融入课程教学中，使学生在计算思维活动中学习;②学习计算思维本身，不仅为学生解决问题，而且通过为学生提供思维空间，激励和引导学生自主学习，从而学会发现有价值的问题并解决问题。计算思维包含一系列的计算机科学思维方法，如：通过抽象、转化、仿真等形式，将复杂的问题分解成细小的、易于处理的问题。

为了培养学生的计算思维能力，本文结合本校应用型人才培养的特点提出：注重从应用实例导入知识点;强调从问题分析入手，提炼基本概念和思维方法，有意识地强化学生计算思维方法，培养学生思维能力、应用能力和创新能力。采取问题讨论形式，通过逐步提出问题、引导学生由浅入深层次的理解和不同视角讨论，逐步建立较为科学的学习习惯。

计算机网络是计算机相关专业的一门重要课程，其理论性和工程性都很强，概念多、内容抽象。首先，学生对计算机网络协议分层难理解;其次，对复杂庞大的计算机网络工作原理不知从何下手;再有，各协议的具体工作过程若使用动画演示或软件仿真实现，能更好地理解协议。计算机网络的基本原理源于工程实践，同时又服务于实践，初学者很难将理论与实际应用融于一体，从而缺乏较高的学习兴趣。计算思维为计算机网络课程的教学提供了一种新视角。从计算思维角度，如果训练学生在建立网络模型基础上来分析问题、解决问题，既便于梳理课程的教学内容，也体现了计算思维的核心所在。

2 基于计算思维的计算机网络教学

为了在计算机网络教学中融入计算思维，下面从教学模式、教学设计两方面来探讨计算机网络教学与计算思维培养的有机结合。

2.1 基于计算思维的计算机网络教学模式

在计算思维教育理念指导下，结合计算机网络课程特点，按照“知识—思维—技能”三层教育模式，构建计算机网络教学改革方案。在课堂教学中，从实际问题出发，围绕分析问题和解决问题，导入课程知识点，讲授思想和方法，鼓励学生运用计算思维求解问题，启发学生针对新问题寻找解决方案;在实践教学中，合理设置实验教学内容，引入一些典型实例，利用网络仿真平台独立分析问题和解决问题;有目的地指导学生参加学生创新项目，在项目实施过程中强调学生主体、团队协作思想，加强计算思维渗透，提高学生的学习兴趣和学习主动性。

2.2 融入计算思维的课堂教学设计

计算思维与计算机网络课程教学相结合主要体现在：网络模型和案例驱动，根据讲授的知识点适时引入计算思维方法，尽可能逼近解决真实世界问题。下面以协议分层、网络模型与计算为例阐述基于计算思维的课程教学设计。

案例1：计算机网络协议分层

复杂的网络系统之所以能有条不紊地进行数据通信，其原因之一是通信双方都遵循事先约定的规则，称之为“协议”。为了让学生很好地理解协议的概念及其工作方式，可引入实例：在浏览器地址栏中输入“www.hncu.net”，回车，分析之后所发生的事件及相关协议。在此实例操作过程中，涉及到的协议有：DNS、TCP、UDP、HTTP、IP、ARP、MAC等，从上往下协议层次结构如图1所示。针对具体的协议，使用网络模拟器Packet Tracer，模拟浏览网页的数据传递过程。操作如下：①搭建实验拓扑，其中至少包括一台Web服务器和PC机，通过交换机连接;②配置Web服务器和DNS服务器;③单击“simulation mode”进行设置，过滤DNS、TCP、UDP、HTTP、ARP等协议，之后单击“自动捕获/播放”;④在客户PC机上执行“浏览网页”操作，对捕获到的数据包进行协议分析。在模拟模式的“Event List”对话框中，显示当前捕获到的协议，如图2所示。选择事件列表中的某个协议，单击实验拓扑图中的数据包，在“PDU信息”对话框中显示该协议的详细信息，包括OSI模型和进/出站PDU详细信息。

图1  TCP/IP工作层次

图2  事件捕获

案例2：网络问题抽象与基本网络计算

随着计算机网络应用的不断深入，分析和理解大规模复杂网络行为，不仅必要、而且能够实现[7]。“图”方法是抽象计算机网络的基本方法。

⑴ 将网络问题抽象成图

一个图包含一组节点元素和节点之间连接关系，连接关系称为边，分别用集合V和E表示。定义图为：

G（V，E），其中V={A，B，C…}，E?{（x，y）|x，y∈V，x≠y}

现实世界中的计算机网络可抽象成一种无向图，节点表示计算机、智能终端、交换机或路由器等，边表示网络中任意两台设备之间的物理连接。在网络的实际应用中，一条链路还具有属性特征，如：带宽、延时、平均流量、通信代价、距离等。从而抽象后的网络拓扑图边还附有权值，称为加权图。

⑵ 基本网络计算

TCP/IP协议为计算机网络的核心，它具体包括IP地址、路由协议、流量控制和拥塞控制等网络计算问题。基于图论分析网络计算问题，是将复杂庞大的网络问题转化成了便于处理的小问题。这里以路由选择算法为例说明网络计算问题的求解。

路由算法分为静态路由算法和动态路由算法。最短路径优先属于静态路由算法;RIP、OSPF、BGP算法属于动态路由算法。最短路径优先路由中使用Dijistra算法选择路由，实际可转化成在加权图上使用该算法计算最短路径问题[8]。对于动态路由算法，可分别在动态构建的网络拓扑图上使用距离-矢量路由、链路状态路由、边界网关协议等完成路由的计算问题。同时，用网络仿真工具演示路由协议的工作过程，以进一步理解和掌握路由算法思想，分析算法性能，以培养学生解决问题能力和创新思维能力。

3 结束语

我们将计算机网络课程教学与计算思维培养紧密结合，在教学实施过程中融入计算思维，教学效果显著提高。取得的主要成效有：一是提高了学生的学习兴趣，学生学习主动性增强;二是更好地培养了学生计算思维能力，提高了学生解决实际问题的能力，学生的综合素质得到提升。总的来说，计算思维对21世纪人才提出了新的要求，必须在计算机课程教学改革中加强计算思维能力培养，这对培养计算机专业人才起到示范作用。

参考文献：

[1] 袁磊，宁彬，谷琼.计算思维在计算机应用型人才培养中的应用探索[J].

计算机时代，2014.4：62-63

[2] 战德臣，聂兰顺等著.大学计算机——计算思维导论[M].电子工业出

版社，2014.

[3] Susanne Hambrusch， Christoph Hoffmann， John T. Korb， et al. A

multidisciplinary approach towards computational thinking for science majors[C]. In：Proceedings of the 40th SIGCSE Technical Symposium on Computer Science Education. New York： ACM Press，2009：183-187

[4] 董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学，2009.4： 50-52

[5] 常亮，徐周波，古天龙等.离散数学教学中的计算思维培养[J].计算机

教育，2014.14：90-94

[6] 周炜.计算思维与“数据库原理及应用”课程[J].计算机工程与科学，

2014.36（A1）：110-114

[7] 李晓明等译.网络、群体与市场：揭示高度互连世界的行为原理与效

应机制[M].清华大学出版社，2011.

[8] Andrew S. Tanenbaum. Computer Networks（5th Edition）[M].机械工

业出版社，2011.