网络组建教学中的思维培养

陈凯 王春艳

初中教学内容中有计算机网络相关的内容，主要涉及计算机网络的类型、功能、主要组成设备、局域网简单组建等，在以往的教学中，笔者通常会结合讲解、演示、开展组网实验等方式来进行教学设计。在新课程标准背景下，在实施这一单元的教学设计时，笔者面临着一个重要却又让人感到困惑的问题，那就是和网络有关的这些内容的教学应该如何与培养信息技术核心素养的目标紧密联系起来。

幸运的是，笔者在日常工作中，积累了局域网组建的实际经验，这得以让笔者能够结合自身工作经历来实现相关教学内容的设计。虽然一个简单的星型拓扑的局域网的组建过程从硬件上说可以简单到“将网线一端接入交换机，另一端接入计算机网卡”即可，但通过对日常工作经历的反思可知，在面对真实的工作和生活需求时，即便不考虑软件和协议方面的设置，一个局域网的组建也并不仅仅是考虑如何将网线插到位那样简单，常遇见的问题还有诸如怎样合理地设定工作流程、怎样合理地设定多个交换机和多个电脑之间的关系、怎样合理地对连接线路进行描述和记录、怎样选取合理的方法来寻找故障点等。张汶老师提出：“技术不是技术产品，不是技术成果，不是会说话互动的机器人，它的本质仍然是一种问题解决方案。”[1]相应地，一旦将网络组建的内容放置在复杂的真实场景中，就会发现，教学内容绝不可能只是告诉学生“这是什么产品”“这是哪种结构”“这是怎样的方案”，而是让学生知道在问题解决过程中“需要什么”“可能有哪些方法去做”“应该如何去实施某个方案”。

因此，设计基于真实场景的问题解决的任务，是在课堂教学活动中落实核心素养，尤其是思维培养的重要途径。下面，笔者以在学校中组建局域网的任务为场景，用单元教学的形式串联起“网线连接—贴标签—画网络拓扑”这三个任务环节，来帮助学生完成具有一定探究性的学习，希望学生不仅能从中了解到最基本的局域网组建的具体方法，还能同时体会到编码、算法等与计算机科学有关的思维方法的运用。

网络组建流程与生活化的算法

生活中的某些事件的处理，往往具有算法的某些特征，如：在一大堆网线中用寻线器找线，其方式和查找算法类似;制作网线后用测线器测线，由于并不知道线两端的水晶头究竟哪一个被做坏，所以先重做一端，如线不通再重做另一端，这就有了回溯算法的特点;在蠕虫病毒爆发造成网络风暴时，笔者从主交换机开始，往次级交换机逐层排查，这类似于递归的方法。

武健老师在本世纪初就提出了“生活算法”的概念，他认为“生活算法是非常朴实又极具可操作性的……它从思维的方法、行为的习惯以及发现问题的方向等角度向我们昭示了一种可以遵循的规律”。[2]笔者发现，武健老师的许多观点与计算思维培养的目标是契合的，尽管“计算思维”作为一个概念名词2006年才被提出。今天重提“生活算法”一词，其意图是想让抽象的计算思维概念向生活真实情境还原，显现出在实际问题解决过程中的某些操作所具有的算法的特征。笔者在教学中并不只是将现成的算法的描述形式（如流程图）直接展现出来（这样就错失了显现学生思维过程的机会），而是让学生先自行去尝试各种可能的算法的描述，将算法描述在某种意义上的必然性（一般流程图都有规范的描绘方法）先转换为充分的可能性，然后在由可能到可行的通达过程中，显现出学生思维的成长。

例如，可以将网络组建的某个场景中的流程以文字描述的方式来表达，然后让学生用绘图的方式对流程进行描述：某人在组建网络时，因为线路混乱，不慎将一根网线的两端都接入了同一台交换机，致使交换机无法正常工作，警告灯闪烁（实际情况是交换机所有的端口状态灯快速闪烁，教学中要尽可能用简单的描述弱化专业技术色彩）。由于网线很长而且相互缠绕，寻找接错的母线比较麻烦。那么如何找到这根接錯的网线呢？首先让学生用文字的方式来描述故障排除过程，如按次序逐个从交换机上拔下网线，如果警告灯仍然闪烁，则重新插上，直到发现拔下某根网线后交换机警告灯不再闪烁，便可发现接错的网线。接下来是让学生用框图连线的方式来描述组网过程，教师可以先提供一些绘图的零件作为支架。这里未必一定要求画出规范的流程图，而是希望通过绘图强化过程中“控制”的存在。

将日常语言能够清晰表达的任务，转换成图示的方式，并没有想象中那样容易，因为首先要将语言描述中的任务分解成不能再分解的某一步，然后要以符合控制流程的方式将每个步骤连接起来。这其中就蕴含着分解和抽象的思想。如果学生学习过算法，那就比较容易用流程图的方式描绘出任务步骤，但笔者的教学对象大部分还没有学习过算法和流程图，这反而使得这项活动具有了促进思维发展的意义。在学生们描绘的步骤图示中有一些值得思考的发现，如：很多学生不自觉地就用线条表达出了循环的结构;有的学生试图将具象的交换机、网线、人的图案和抽象的步骤流程结合在一起（作为一个人虽然能够理解图示的含义，但一个机器如何来理解呢）;少数曾经学习过流程图的学生，在没有任何具体要求的情况下，就将排除故障的步骤以比较标准的流程图的方式呈现了出来。笔者还注意到一些十分有意思的细节，如围绕拔下网线后灯的情况的观察以及后续动作，可以发现有三种不同的描绘方式，如图1所示。

可以发现，第一种描绘方式是以超越第一人称且以近乎平行宇宙的视角在描绘步骤，既没有区分主客体，也没有区分动作和状态;第二种描绘方式区分了主体和客体，但仍然没有区分出动作和状态;第三种描绘方式将状态和动作用不同的图示做了区分，这样就解释了前后动作的因果关系。在收取上来的各种图示中，第一种描绘方式是最多的，这能够映射出学生对具体事件进行抽象时的原始的状态。通过对各种图示的展示，学生们能够领悟到，哪些图示的方式更利于机器工作，而哪些是人便于阅读理解的。

网络编码中的数据与表征

在真实场景中，连接到交换机的网线蜿蜒在建筑物的管道中，常常横跨房间、楼层，距离可能非常长，其用途也各异，有连到下级交换机的，有连到服务器的，有连到办公室墙壁上端口的（通常是为普通电脑准备的），有连到无线AP的。并且，下端连入设备所处的位置也不同，如不同的楼层、房间以及房间内的网点。有时候还需要区分使用者的不同，如同一间教室中，有些网点是供教师使用的，有些是供学生使用的。当布线完毕后，通常都要在网线两端为线路的用途打上标签。在现实中，标签空间有限，标签上标识的信息量往往令人沮丧，A001、B002之类的标签除了方便找线外别无他意。如何在有限的标签的空间（假设不超过若干个字符）中，设计一个标记方式，使之能够尽可能多地表达出描写信息？这是一个有趣的开放性的活动。

这样的需求，不仅需要知道网线的用途，还需要知道网线的来源，如网线可能直接来自主交换机，但也可能来自与主交换机相连接的次级交换机，甚至是与次级交换机所连接的再次级交换机，那么，应当如何来设置这个标记方式？假设主交换机下只连接三个次级交换机，而每个次级交换机下只连接三个再次级交换机，每个再次级交换机连接若干网线。当我们看到标签时，如何能反映出线路来源的整个路径？如表1所示。

当方案完成后，得到的不仅仅是一个网络布线的结构，而是一个可以迁移到其他用途的树的结构（如图2），用这个结构可以方便地实现数据的定位，或者也可以通过遍历来实现所有的排列组合。曹杨璐老师和谢忠新老师提出，在信息技术学科教学中强调、强化灵活迁移模型与算法具有十分重要的意义。[3]笔者借助网络布线得到的树的结构，就为今后更深层次的算法学习，先行提供了可灵活迁移的模型。

网络拓扑的描述与记录

当局域网的线路布置到位后，往往需要对布线的情况进行记录。通常，关注的重点是设备与设备之间逻辑上的关系（显然管理者十分清楚网络中心和下属设备的实际物理位置）。那么，并不需要严格按物理现实来描绘线路的走向和连接，也不需要知道设备的大小、形状。这里就遇见了拓扑的概念，拓扑研究的是几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质，为了描绘网络的拓扑图，需要先对真实的布线情况进行观察，然后在头脑中进行变换，在变换过程中，无论是拉伸、扭转、弯曲、还是放大、缩小都可以，只要不撕裂和割破就行。在变换中不断简化图形，并保留图片中对象之间关系的不变的特性。由于对象之间关系是确定的，所以就可以只用纯粹的符号，将拓扑图保存下来。笔者希望设计一个数据记录的形式，当某个机器对数据进行分析和处理时，它所做的事情其实和人用眼睛和头脑对拓扑图进行分析和处理是同构的。笔者并不想在这里“教授”图论，而是希望学生们在设计那些能够对应拓扑图的数据记录和数据处理方案时，生发出的方法，可能与图论的方式具有某种类似之处。图3所示为一种网络拓扑结构图。

笔者要求学生将以上简单的拓扑图中所蕴含的信息用多个一维列表的形式来进行记录，具体方法不限，但必须在数据记录中，保存原网络拓扑图中二维结构的信息。考虑到学生可能不太容易理解“一维”“二维”这样的概念，因此将任务要求转化为：在表格中填入数据，并描写阅读说明，要求同伴能根据数据和说明，在没有见到原始拓扑图的情况下，描绘出这个拓扑图的样子。一种简单的填写方案可能是这样的：表2中的每一行从第二项及之后项，都是第一项所要连接的设备。

笔者甚至可以将这个设计数据存储方案的任务与本文先前介绍的画步骤流程的任务结合起来，假设有一个机器人，它能够读出表格中的数据，那么这个机器人如何才能计算出电脑4是以怎样的方式连接到交换机A的？实施该任务的文字描述可能是这样的：机器人在表格中逐行寻找，直到在第三行中找到电脑4，然后获知该行的第一项是交换机b，然后在表格中逐行寻找交换机b，它在第一行中找到交换机b，然后获知该行的第一项是交换机A。通过这样的过程，机器人知道电脑4先被连接到了交换机b上，然后交换机b又被连接到了交换机A上。通过这样的过程，机器人就能够“知晓”网络中设备和设备之间的关系了。虽然说还可以继续深入到每个步骤的进一步细化工作中，如为了让机器人做到逐行搜索某个对象，就必须考虑设置关于机器人行走方式的数据，但这些内容离开网絡组建太远了，笔者担心这样就不知不觉滑进了另一个教学模块中，而原来的网络组建任务已经完全变成了新的教学的背景。但似乎也没有明确的规定说，不能用这样的方法来衔接不同内容的教学，这让笔者想起了埃舍尔名为《天与水》的艺术作品（如图4），在这幅画作中，鱼的图形从清晰转为混沌，逐渐成为越来越清晰的鸟的图形的背景。

参考文献：

[1]张汶.上海推进普通高中信息术课程的思考与探索[J].中国信息技术教育，2019（08）：16-19.

[2]武健.从生活算法中审视程序设计算法[J].信息技术教育，2007（05）：36-37.

[3]曹杨璐，谢忠新.信息技术学科计算思维的迁移能力培养实践研究[J].中国信息技术教育，2021（15）：54-57+100.