計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中的應(yīng)用

王惠惠 李敏 王俊飛 白貴山

摘要：計(jì)算思維是目前研究較廣泛的一種思維方式，他可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。該文首先簡(jiǎn)要論述了計(jì)算思維的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后分析了在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中應(yīng)用計(jì)算思維的基本思路和具體方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);問題解決

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）22-0140-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 計(jì)算思維的應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算思維是由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出。周教授認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。近年來，各學(xué)科都在研究利用計(jì)算思維解決行業(yè)知識(shí)。目前，計(jì)算思維融人生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、哲學(xué)等領(lǐng)域，在各學(xué)科中具有很大的影響。

計(jì)算思維是每一個(gè)人必須具備的基本技能，是人類求解問題的一條途徑，它告訴人們只要肯善于思考勤于實(shí)踐，世界上就會(huì)只有想不到、沒有做不到的事情。

2 基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教學(xué)改革基本思路

2.1通過計(jì)算思維提高應(yīng)用、創(chuàng)新能力

計(jì)算思維的本質(zhì)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)解決復(fù)雜問題。在課程中融人技術(shù)思維，將復(fù)雜問題分解為多個(gè)子問題，按照計(jì)算機(jī)的串行和并行計(jì)算的思想執(zhí)行，最終解決問題。應(yīng)用技術(shù)思維可以簡(jiǎn)化問題，使問題更清晰，使學(xué)生在解決問題的過程中內(nèi)化知識(shí)。從而提高應(yīng)用能力，并具有一定的創(chuàng)新能力。

2.2 將計(jì)算思維培養(yǎng)貫穿整個(gè)教學(xué)過程[1]

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不僅僅體現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)類課程中，要在學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)生涯中都要進(jìn)行。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中融人計(jì)算思維，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)從本質(zhì)和全局上解決學(xué)習(xí)和工作中的實(shí)際問題，同時(shí)提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力[1]。

3 基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 基于流程圖的計(jì)算思維能力培養(yǎng)

計(jì)算思維是一種建構(gòu)性思維，需要將解決問題的思維轉(zhuǎn)化為一系列計(jì)算機(jī)可以理解并執(zhí)行的過程，再進(jìn)一步建立可自動(dòng)化處理的計(jì)算系統(tǒng)[2]。按照概念計(jì)算思維可以分為問題識(shí)別、問題分解、抽象和問題解決4個(gè)部分。

流程圖是將系統(tǒng)按照事件發(fā)生的先后順序用圖形表示出來的一個(gè)信息流、觀點(diǎn)流。流程圖將計(jì)算思維中對(duì)問題的識(shí)別用不同圖形符號(hào)表示出來，并輔以簡(jiǎn)單的文字說明;而將一個(gè)復(fù)雜問題用流程分支結(jié)構(gòu)表示出，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算思維中問題的分解;有了對(duì)問題的標(biāo)識(shí)，怎么樣對(duì)問題進(jìn)行抽象，是流程圖的核心，它使用流程框、輸入輸出框等表示的順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的抽象;將所有信息用有向線條連接起來，構(gòu)成一個(gè)有先后順序的清晰圖表，及可用計(jì)算機(jī)按照一定算法來執(zhí)行并解決。流程圖對(duì)問題的構(gòu)造體現(xiàn)了計(jì)算思維的四個(gè)步驟，將計(jì)算思維對(duì)問題的描述更加簡(jiǎn)單易于理解。

在信息技術(shù)課程中程序設(shè)計(jì)類課程使用流程圖描述問題的較多，將某一問題構(gòu)建為流程圖，并編寫相應(yīng)的代碼。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類課程中流程圖的應(yīng)用較少。若能將流程圖的方法應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，則可以更好地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力。

例如1，在講解DHCP協(xié)議的執(zhí)行過程時(shí)計(jì)算思維的體現(xiàn)及流程圖實(shí)現(xiàn)。

（1）問題提出并識(shí)別

問題提出：DHCP按照什么流程將IP地址分配給客戶機(jī)？

問題識(shí)別：DHCP服務(wù)器，服務(wù)器IP地址，服務(wù)器MAC地址，客戶機(jī)，客戶機(jī)IP地址，客戶機(jī)MAC地址。

（2）問題分解

客戶機(jī)獲得IP地址分為2種情況，一種是初次申請(qǐng)IP地址，一種是IP地址過期之前續(xù)約。

（3）系統(tǒng)抽象

當(dāng)客戶機(jī)初次申請(qǐng)IP地址時(shí)要經(jīng)過四個(gè)步驟，并且每步的IP地址均要發(fā)生變化，這四步是順序執(zhí)行的。當(dāng)客戶機(jī)提出對(duì)IP地址的續(xù)約時(shí)，分為三種情況.當(dāng)達(dá)到租約時(shí)間的50%時(shí)，當(dāng)達(dá)到租約時(shí)間的7/8時(shí)，當(dāng)完全超時(shí)時(shí)。三種情況有先后順序，但是對(duì)于整個(gè)過程來說是一個(gè)循環(huán)。

其中學(xué)生繪制的客戶機(jī)續(xù)約的流程圖如圖1所示。

例如2，在講解兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的計(jì)算思維培養(yǎng)及流程圖實(shí)現(xiàn)。

（1）問題提出并識(shí)別

問題提出：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要經(jīng)過哪些設(shè)備？?jī)膳_(tái)計(jì)算機(jī)是同網(wǎng)段嗎？

問題識(shí)別：計(jì)算機(jī)1，計(jì)算機(jī)2，路由器，交換機(jī)

（2）問題分解

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分為兩種情況，一種為同網(wǎng)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，一種為跨網(wǎng)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）系統(tǒng)抽象

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中需要判斷源IP地址與目標(biāo)IP地址的關(guān)系，源IP地址與路由器接口IP地址的關(guān)系，以及所有的MAC地址關(guān)系。整個(gè)數(shù)據(jù)流程為順序結(jié)構(gòu)。

學(xué)生繪制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程圖如圖2所示。

3.2 通過設(shè)置問題，提高發(fā)散思維能力[3]

設(shè)置問題是任何一門課程教學(xué)中不可缺少的環(huán)節(jié)，是對(duì)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要體現(xiàn)。通過問題遷移可以有效提升學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。設(shè)置問題在不同的教學(xué)環(huán)境中，面對(duì)不同的學(xué)生應(yīng)有不同的設(shè)計(jì)。對(duì)提問的設(shè)計(jì)不僅要注重基礎(chǔ)知識(shí)的體現(xiàn)，注重學(xué)生的承受能力，注重與專業(yè)技能的結(jié)合，更應(yīng)該注重學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。設(shè)置問題可以有如下幾種形式：

（1）教師設(shè)置問題，學(xué)生思考回答問題

教師提出問題、學(xué)生回答，這種形式就是課堂上的提問。教師提問時(shí)注意的一點(diǎn)是，通過思考回答問題，能夠培養(yǎng)學(xué)生的能力，切記不能設(shè)置不加思索就能回答出來的問題。

例如，在講解了DHCP協(xié)議的執(zhí)行過程后，可以讓學(xué)生思考如下問題：DHCP的執(zhí)行過程是分段、分層執(zhí)行的，它和哪些協(xié)議的執(zhí)行過程相似？分層思想在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還有哪些？生活中有哪些事情處理是分段、分層完成的？日常生活中普及的智能手機(jī)等人網(wǎng)設(shè)備，他們是否也需要IP地址呢，他們的IP地址如何獲得，怎么查看手機(jī)IP地址？

類似的問題可以讓學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建思路，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分層的思想，為以后解決問題提供一定的思路。將專業(yè)知識(shí)與生活現(xiàn)象聯(lián)系起來，更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

（2）由教師引導(dǎo)，學(xué)生自己提出問題

教師正確引導(dǎo)，學(xué)生提出高質(zhì)量問題，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)具有重要的作用。但是需要注意問題的提出要有解決思路，最好能用流程圖解決。

例如，在講解證書服務(wù)器章節(jié)之后，教師提出你能從所學(xué)內(nèi)容中提出哪些問題，可以從知識(shí)本身的擴(kuò)展、CA在生活中的應(yīng)用方面思考？

根據(jù)教師的引導(dǎo)，有的學(xué)生提出證書的具體內(nèi)容是什么？證書存放在哪里？證書服務(wù)器在生活中有哪些應(yīng)用？CA類似于生活中的哪些機(jī)構(gòu)？

還有學(xué)生提出更有趣的問題，能不能利用證書服務(wù)器的思想構(gòu)建可靠的局域網(wǎng)環(huán)境？

類似的問題說明學(xué)生已經(jīng)理解證書服務(wù)器的作用，但是仍然有很大的擴(kuò)展空間。學(xué)生提出創(chuàng)新問題，可以作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容，也可以作為興趣愛好，鞏固知識(shí)的學(xué)習(xí)。

3.3 巧設(shè)綜合性案例，培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的綜合性案例通常為綜合本課程或者多門課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。在解決綜合性案例時(shí)也要學(xué)生按照計(jì)算思維的四步驟進(jìn)行。

例如，實(shí)驗(yàn)描述如下：

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：客戶機(jī)1臺(tái)，操作系統(tǒng)為Windows 7;服務(wù)器2臺(tái)，操作系統(tǒng)均為Windows server 2008 R2

實(shí)驗(yàn)要求：（1）服務(wù)器1中配置DHCP、DNS服務(wù)器，服務(wù)器2中配置WEB、FTP服務(wù)器。（2）客戶機(jī)的IP地址自動(dòng)獲得。（3）WEB站點(diǎn)的文件均由用戶通過FTP服務(wù)器遠(yuǎn)程上傳。

在講解了DHCP、DNS、WEB、FTP服務(wù)器的原理和配置之后，如果是單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生都會(huì)按時(shí)完成。如果將四種服務(wù)作為一個(gè)整體，相互關(guān)聯(lián)起來，90qo的學(xué)生不能準(zhǔn)確理解。

在完成該實(shí)驗(yàn)的之前，首先讓學(xué)生分析問題，然后對(duì)問題進(jìn)行分解，進(jìn)行系統(tǒng)抽象，最后實(shí)現(xiàn)。

（1）問題提出和識(shí)別

本實(shí)驗(yàn)中涉及DHCP、DNS、WEB、FTP、客戶機(jī)五個(gè)角色，3臺(tái)物理機(jī)。并要求學(xué)生畫出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

（2）問題分解

可以把該實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)部分，分別為DHCP、DNS、WEB、FTP配置四個(gè)部分。每部分之間的關(guān)系為：DHCP為DNS、WEB、FTP分配保留IP地址，DNS配置WEN、FTP的資源記錄，F(xiàn)TP的物理路徑指向WEB的物理路徑。

（3）系統(tǒng)抽象

該實(shí)驗(yàn)可以借鑒計(jì)算思維中的并行和串行思想，將四個(gè)部分連接起來。首先需要配置的是DHCP服務(wù)器，他給其他計(jì)算機(jī)分配IP地址，然后可以同時(shí)配置DNS、WEB、FTP服務(wù)器，最后配置客戶機(jī)。

（4）問題解決

前面3步完成之后，即可按照步驟完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

計(jì)算思維在學(xué)生的成長(zhǎng)過程中有著非常重要的作用。它可以提高學(xué)生分析問題解決問題的能力。因此教師和學(xué)生一定要在平時(shí)的工作和學(xué)習(xí)中不斷提高自身的計(jì)算思維，提高工作和學(xué)習(xí)效率[4]。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李敏，以培養(yǎng)計(jì)算思維為主的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革[Jl.電腦知識(shí)與技術(shù)，2019.15 （12）：111-112.

[4]趙娜龍.基于計(jì)算思維“計(jì)算機(jī)”課程混合教學(xué)模式淺析[J]信息記錄材料，2020，21（1）：218-219.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】基金項(xiàng)目：基于“翻轉(zhuǎn)課堂”和企業(yè)案例相結(jié)合的教學(xué)方法研究——以《Windows Server服務(wù)器管理》課程為例》（項(xiàng)目編號(hào)：

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作者簡(jiǎn)介：王惠惠（1983-），副教授;李敏（1979-），副教授;王俊飛（1977-），教師;白貴山（1963-），副教授。