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計算機網(wǎng)絡教學中學生計算思維的培養(yǎng)的論文
一、引言
近年來，美國卡內基·梅隆大學周以真教授對計算思維的系統(tǒng)闡述，引起了國內計算機學者的關注，在計算機基礎課中進行計算思維培養(yǎng)的教學改革也迅速開展起來。計算機網(wǎng)絡是高校的一門重要課程，也是計算機應用和信息技術類專業(yè)必修的基礎課程。在這門課程的教學過程中加強計算思維的培養(yǎng)非常重要，它對于提升計算機網(wǎng)絡課程教學水平、提高學生的學習能力乃至推動網(wǎng)絡技術的發(fā)展都具有重要意義。
二、計算思維的概念
1996 年麻省理工學院（MIT）的 Seymour Papert教授最早提出了計算思維這一概念[1],2006 年美國卡內基·梅隆大學周以真教授對計算思維進行了系統(tǒng)闡述。周以真教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2].要理解這個概念，必須對概念的內容進行深刻分析，才能掌握它的含義、特征和本質。
從概念的內容來看，計算思維屬于思維的范疇。
思維作為一種心理現(xiàn)象，是人認識世界的一種高級反應形式。具體來說，思維是人腦對客觀事物的一種概括、間接的反應，它體現(xiàn)了客觀事物的本質和規(guī)律。從思維的定義可以看出，人腦是思維的主體，自然界的客觀事物是思維的原料，通過實踐活動對客觀事物從直接感知到借助于語言的抽象概括構成了思維活動。按照思維的形成和應用領域，思維可以分為科學思維和日常思維。顯然，作為涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，計算思維屬于具有科學性和嚴謹性的科學思維的范疇，它的活動主體也是人腦，也就是說它是人的思維。從人類認識世界和改造世界的思維方式出發(fā)，科學思維可以分為理論思維、實驗思維和計算思維。理論思維又稱為邏輯思維，是人們認識事物時能動地使用概念、推理、判斷等方法對客觀世界的認識過程，具有推理和演繹的特點。實驗思維又稱為實證思維，是人類通過觀察和實驗的過程歸納出自然規(guī)律的方法，具有觀察和歸納的特點。計算思維又稱為構造思維，它以形式化和機械化為特點，通過具體的算法來構造和解決具體問題。
區(qū)別于理論思維和實驗思維，計算思維有其獨有的特征。計算思維是隨著計算機的飛速發(fā)展體現(xiàn)出來的，計算機在海量信息處理、復雜系統(tǒng)模擬和大型工程組織方面，具有自動、精確和可控地實現(xiàn)從思想到產(chǎn)品整個過程的能力，這使得人類思維活動中以形式化、程序化和機械化為特征的計算思維得到充分的體現(xiàn)。另外，計算機、計算機科學的發(fā)展是以計算理論的發(fā)展為基礎，計算理論是對計算本質的理解和探索，主要包括算法與算法學、計算復雜性理論、可計算性理論、自動機理論和形式語言理論等。其中，算法在計算思維中有著重要地位，它是計算的靈魂，它所包含的算法設計策略如窮舉法、回溯法、遞歸法、分治法、貪心法和動態(tài)規(guī)劃等已應用在生活的很多方面。當前，計算思維已經(jīng)成為推動人類文明進步和科技發(fā)展的三大支柱之一，其"抽象化、能行性、機械性、自動化、構造性等"特征已經(jīng)在指導社會實踐中得到充分的驗證。
三、計算機網(wǎng)絡中的計算思維
計算機網(wǎng)絡是指將地理位置分散的、具有獨立功能的計算機，通過網(wǎng)絡協(xié)議連接成能夠共享軟硬件資源的集合。經(jīng)過長時間的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的體系結構和組網(wǎng)技術已經(jīng)非常成熟，基于計算機網(wǎng)絡的應用也非常豐富。計算機網(wǎng)絡對國家的經(jīng)濟建設、國防建設以及人們的日常生活和思維方式產(chǎn)生了巨大影響。計算機網(wǎng)絡為什么會有如此大的影響力？這是因為，計算機網(wǎng)絡從產(chǎn)生和發(fā)展到網(wǎng)絡體系結構的形成，再到網(wǎng)絡協(xié)議標準的制定等，都潛藏著計算思維的影子。因此，本文將從計算機網(wǎng)絡課程教學內容中發(fā)掘一些計算思維的思想和方法，為今后在教學中培養(yǎng)計算思維提供參考。
（一）分層思想體現(xiàn)計算思維的約簡方法
計算思維在解決一些從未解決的困難問題時，通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，轉化為一個人們已知其解決方案的問題，從而有效地化解了難題。分層思想是計算思維約簡方法在計算機網(wǎng)絡中的具體體現(xiàn)，它對計算機網(wǎng)絡技術的影響很大。計算機網(wǎng)絡體系結構就是通過分層思想解決諸多復雜問題的典范，它將計算機技術和通信技術等諸多復雜問題分類化簡成獨立的、容易的小問題，然后分別解決并形成獨立的功能。在數(shù)據(jù)交換機技術中，分層思想體現(xiàn)為把報文拆分成更小的分組，用分組交換技術代替報文交換技術，從而減少存儲轉發(fā)時延，提高傳輸效率。此外，組網(wǎng)時根據(jù)網(wǎng)絡設備的不同作用和功能，可以將一個網(wǎng)絡劃分為接入層、匯聚層和核心層，同樣體現(xiàn)了計算思維的簡約思想。對于數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層對應的數(shù)據(jù)單元，可以根據(jù)分層思想劃分出不同意義的字段空間。另外，IP 地址的組成結構也體現(xiàn)了分層思想。
（二）計算思維并行處理的思想在網(wǎng)絡中的體現(xiàn)
要提高計算機網(wǎng)絡中通信線路和網(wǎng)絡設備的利用率，增強信息的傳輸效率，需要采取各種網(wǎng)絡技術和方法，對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流實現(xiàn)并行處理，并行處理思想在網(wǎng)絡各個層次中都有所體現(xiàn)。
在物理層，信道復用技術使用復用器將多路用戶信息聚合成高速信號在單一的線路上進行傳輸，然后使用分用器將收到的高速信號分給相應的用戶。網(wǎng)絡設備的接口以全雙工的方式來傳輸高速信號信息，這樣就實現(xiàn)了信號數(shù)據(jù)的并行處理，提高了通信線路和網(wǎng)絡設備的利用率。
在數(shù)據(jù)鏈路層，交換機的使用將一個物理信道劃分為多條虛擬的信道，可以保證多個用戶并行收發(fā)信息且互不干擾。
在網(wǎng)絡層，分組交換技術和存儲轉發(fā)技術可以保證非即時性的突發(fā)數(shù)字數(shù)據(jù)并行處理。分組數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)報文拆分成的非常小的數(shù)據(jù)塊，它在存儲轉發(fā)的過程中占用的存儲空間小，轉發(fā)時延短，從而可以實現(xiàn)網(wǎng)絡層的并行處理。
在傳輸層和應用層，傳輸層為應用進程提供端到端的傳輸服務和邏輯信道。應用層主要面向網(wǎng)絡應用程序的使用，這兩層并行處理的對象都為進程，無論是計算機的操作系統(tǒng)還是網(wǎng)絡設備的操作系統(tǒng)對于進程的并行處理都已形成成熟的機制。
�。ㄈ┯嬎銠C網(wǎng)絡中的遞歸思想
遞歸的認識是從斐波那契數(shù)列、漢諾塔等問題開始，經(jīng)過數(shù)學家的研究，遞歸算法在現(xiàn)代科學的多個領域都有直接的應用。根據(jù)邱奇-圖靈論點，一切可以計算的函數(shù)都是遞歸函數(shù)。這實際上是將遞歸算法上升到思想的高度，遞歸思想已經(jīng)成為計算思維的重要組成部分。遞歸思想在計算機網(wǎng)絡中的表現(xiàn)有很多方面。例如，OSI 參考模型將計算機網(wǎng)絡分成七層，網(wǎng)絡中各結點按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。不同層次的形成是通過不同層次的協(xié)議字段封裝實現(xiàn)的，下層通過封裝加上了實現(xiàn)本層功能的信息，同時包含了上層數(shù)據(jù)單元的信息。在通信的過程中，發(fā)送信息節(jié)點將原始數(shù)據(jù)從高層到低層一次次地封裝，最后將封裝后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到傳輸線路上；接收信息節(jié)點收到來自傳輸線路上的信息后，將數(shù)據(jù)信息從底層到高層一次次地解封裝，最后還原出原始信息。在整個通信過程中，反復進行的封裝和解封裝這兩個互逆的過程實際上就是遞歸過程。此外，在計算機網(wǎng)絡中，當本地 DNS 服務器對用戶的域名解析請求無法直接回復時，"遞歸查詢"解析就會啟動。也就是說，在本地 DNS 服務器上查詢不到用戶要求的域名和 IP 地址對應列表時，本地 DNS 服務器就會自動遞歸到上級 DNS 服務器查詢，然后將查詢結果返回并保存到本地 DNS 服務器的解析列表中。
�。ㄋ模⿵V播技術體現(xiàn)了計算思維的窮舉方法
窮舉法是靠"蠻力"直接簡單地解決問題的方法，即在問題求解過程中，只要確定了問題解的空間范圍，就可依靠窮舉法這種簡單的逐一測試辦法找到問題的解。由于計算機網(wǎng)絡擁有運算速度快的優(yōu)勢，窮舉法成為計算機網(wǎng)絡中非常有用的方法。計算機網(wǎng)絡中的廣播技術就是窮舉法的具體應用。
例如，在一個以太網(wǎng)中，源主機必須知道目標主機的 MAC 地址才能與未知的目標主機實現(xiàn)通信。那么，怎樣才能獲取目標主機的 MAC 地址呢？首先，源主機利用 ARP 協(xié)議（地址解析協(xié)議）向以太網(wǎng)中發(fā)送含有目標主機 IP 地址的 ARP 協(xié)議廣播數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)內的其他主機都可以收到源主機發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包，直到目標主機收到 ARP 協(xié)議廣播包后就會響應源主機的請求，把自己的 MAC 地址告訴對方以實現(xiàn)通信。在上述過程中，利用 ARP 協(xié)議廣播的過程就是從網(wǎng)絡的未知主機中窮舉出目標主機的過程。此外，其他如網(wǎng)絡層 IP 協(xié)議通過發(fā)送廣播地址的方式尋找默認網(wǎng)關、DNS 服務器地址、DHCP 服務器地址以及動態(tài)路由協(xié)議進行路由選擇等過程，本質上都是利用窮舉法實現(xiàn)目標的過程。
（五）計算機網(wǎng)絡的可靠性保障機制體現(xiàn)了計算思維
計算思維按照預防、保護的方式維護系統(tǒng)，并通過冗余、容錯和糾錯方式，在最壞的情況下進行系統(tǒng)恢復，從而保證系統(tǒng)的可靠性。計算機網(wǎng)絡的可靠性保障機制就是按照這樣的方式，在網(wǎng)絡部分節(jié)點發(fā)生故障的情況下，仍然可以通過冗余線路為用戶提供服務，同時使網(wǎng)絡迅速恢復到正常的穩(wěn)健狀態(tài)。這種機制體現(xiàn)在計算機網(wǎng)絡的許多方面，我們從差錯控制、安全性控制和增強適應性三個方面進行探討。
在差錯控制方面，計算機網(wǎng)絡主要進行兩種類型的控制：一是對信息傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤進行控制，二是對由于網(wǎng)絡信道擁塞造成的數(shù)據(jù)丟失進行控制。第一類控制主要通過提高線路和傳輸設備的性能和質量以及在數(shù)據(jù)鏈路層采取糾錯的方法來實現(xiàn)。比如，大量采用光纖作為傳輸媒介，就會大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤率。第二類控制主要通過傳輸層 TCP 協(xié)議的流量控制及擁塞控制來實現(xiàn)。比如，通過 TCP 協(xié)議的窗口滑動機制可以隨時根據(jù)接收方的處理能力和網(wǎng)絡的處理能力選擇一個最合適的發(fā)送速率，同時，對于因為網(wǎng)絡長時間擁塞而導致丟失的數(shù)據(jù)可以采取重傳措施，從而有效保障了網(wǎng)絡的可靠性。
在安全性控制方面，計算機網(wǎng)絡是從物理和邏輯兩個角度入手：一是通過增加冗余線路、冗余設備和增加備份電源的方式，保證計算機網(wǎng)絡物理屬性的安全；二是對接入層、匯聚層和核心層分別采取設置安全訪問控制列表、進行管理身份認知和強制密鑰授權等措施，三管齊下保障計算機網(wǎng)絡邏輯屬性的安全。
增強網(wǎng)絡的適應性實際上是計算機網(wǎng)絡對于新趨勢、新技術、新理念的適應能力。比如，對于當前 IPV4 地址池出現(xiàn)枯竭的問題，通過采用 NAT 技術（地址轉換技術）以及 IPV6 地址版本就可以從根本上解決。另外，對于當前網(wǎng)絡用戶要求"人性化"服務的新趨勢，計算機網(wǎng)絡廣泛采用了 WEB2.0 技術，從而推動了網(wǎng)絡應用互動水平的提高。
四、在計算機網(wǎng)絡課程教學中培養(yǎng)學生的計算思維
要把計算機網(wǎng)絡課程打造成一個培養(yǎng)計算思維的平臺，首先要對計算思維的本質做到全面的分析，發(fā)掘潛藏在計算網(wǎng)絡中的計算思維和方法，并從教學內容組織和實驗設計方面進行教學改革。
�。ㄒ唬┙虒W內容組織
要在計算機網(wǎng)絡課程教學中組織和呈現(xiàn)相應的教學內容，從"導出問題，尋求思路，進而引出解決方法，或得出實現(xiàn)方法的角度"入手是一個好的辦法。按照這樣的組織結構實施教學，可以使具體的教學過程成為問題的解決過程。比如，教師在講解網(wǎng)絡協(xié)議時，可以先引入"在計算機網(wǎng)絡中，不同型號、不同廠商、不同操作系統(tǒng)的計算機如何實現(xiàn)通信"這一問題，其解決思路是在它們之間設計一個共同遵守的規(guī)則程序，有了這個程序就可以識別不同計算機的信息，最后通過這個程序的"翻譯"實現(xiàn)它們之間的通信，從而可以推出網(wǎng)絡協(xié)議的具體理論講解。
�。ǘ⿲嶒炘O計
網(wǎng)絡實驗是通過實踐驗證學生網(wǎng)絡理論知識的重要教學環(huán)節(jié)。學生通過親自應用網(wǎng)絡技術驗證網(wǎng)絡的知識，鍛煉計算思維在網(wǎng)絡中的應用。以培養(yǎng)計算思維為目的的網(wǎng)絡實驗設計應當從網(wǎng)絡理論知識、網(wǎng)絡技術和計算思維三個方面入手，循序漸進。
首先，設計一些簡單的基礎性實驗，并講清楚步驟、結果和其中蘊含的思維。通過實驗，使學生加深對理論知識的理解。
其次，設計綜合性實驗，提高學生使用網(wǎng)絡工具和應用網(wǎng)絡技術的能力。教師可以把實驗中需要的網(wǎng)絡設備和連接方式以及所用的網(wǎng)絡技術告訴學生，讓他們動手去實驗功能。
再次，通過構造性試驗，使學生能夠自主地運用計算思維的方法，建立有效的數(shù)學模型，構建和設計實驗過程，了解運用計算思維方法處理問題的過程[3].比如，教師只給出特定環(huán)境的網(wǎng)絡需求，讓學生思考后建立網(wǎng)絡拓撲模型，寫出網(wǎng)絡配置步驟，最后給出結果。
五、結束語
在計算機網(wǎng)絡課程中培養(yǎng)學生的計算思維，是大學計算機教育改革的重要內容。本文解讀了計算思維的概念，詳細分析了計算思維在計算機網(wǎng)絡中的應用和體現(xiàn)，并以解決網(wǎng)絡問題為導向，從教學內容組織和實驗設計兩個方面對課程教學改革做了初步探討，以期為推進我國的計算機網(wǎng)絡課程教育改革提供參考。
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