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計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)的論文
一、引言
近年來，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授對計(jì)算思維的系統(tǒng)闡述，引起了國內(nèi)計(jì)算機(jī)學(xué)者的關(guān)注，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課中進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)改革也迅速開展起來。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是高校的一門重要課程，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用和信息技術(shù)類專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。在這門課程的教學(xué)過程中加強(qiáng)計(jì)算思維的培養(yǎng)非常重要，它對于提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)水平、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力乃至推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義。
二、計(jì)算思維的概念
1996 年麻省理工學(xué)院（MIT）的 Seymour Papert教授最早提出了計(jì)算思維這一概念[1],2006 年美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授對計(jì)算思維進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。周以真教授認(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[2].要理解這個(gè)概念，必須對概念的內(nèi)容進(jìn)行深刻分析，才能掌握它的含義、特征和本質(zhì)。
從概念的內(nèi)容來看，計(jì)算思維屬于思維的范疇。
思維作為一種心理現(xiàn)象，是人認(rèn)識世界的一種高級反應(yīng)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(yīng)，它體現(xiàn)了客觀事物的本質(zhì)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(shí)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(gòu)成了思維活動。按照思維的形成和應(yīng)用領(lǐng)域，思維可以分為科學(xué)思維和日常思維。顯然，作為涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動，計(jì)算思維屬于具有科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性的科學(xué)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(rèn)識世界和改造世界的思維方式出發(fā)，科學(xué)思維可以分為理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。理論思維又稱為邏輯思維，是人們認(rèn)識事物時(shí)能動地使用概念、推理、判斷等方法對客觀世界的認(rèn)識過程，具有推理和演繹的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)思維又稱為實(shí)證思維，是人類通過觀察和實(shí)驗(yàn)的過程歸納出自然規(guī)律的方法，具有觀察和歸納的特點(diǎn)。計(jì)算思維又稱為構(gòu)造思維，它以形式化和機(jī)械化為特點(diǎn)，通過具體的算法來構(gòu)造和解決具體問題。
區(qū)別于理論思維和實(shí)驗(yàn)思維，計(jì)算思維有其獨(dú)有的特征。計(jì)算思維是隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展體現(xiàn)出來的，計(jì)算機(jī)在海量信息處理、復(fù)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(shí)現(xiàn)從思想到產(chǎn)品整個(gè)過程的能力，這使得人類思維活動中以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的計(jì)算思維得到充分的體現(xiàn)。另外，計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展是以計(jì)算理論的發(fā)展為基礎(chǔ)，計(jì)算理論是對計(jì)算本質(zhì)的理解和探索，主要包括算法與算法學(xué)、計(jì)算復(fù)雜性理論、可計(jì)算性理論、自動機(jī)理論和形式語言理論等。其中，算法在計(jì)算思維中有著重要地位，它是計(jì)算的靈魂，它所包含的算法設(shè)計(jì)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(yīng)用在生活的很多方面。當(dāng)前，計(jì)算思維已經(jīng)成為推動人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大支柱之一，其"抽象化、能行性、機(jī)械性、自動化、構(gòu)造性等"特征已經(jīng)在指導(dǎo)社會實(shí)踐中得到充分的驗(yàn)證。
三、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算思維
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置分散的、具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接成能夠共享軟硬件資源的集合。經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也非常豐富。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)以及人們的日常生活和思維方式產(chǎn)生了巨大影響。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為什么會有如此大的影響力？這是因?yàn)�，�?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)從產(chǎn)生和發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成，再到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定等，都潛藏著計(jì)算思維的影子。因此，本文將從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)內(nèi)容中發(fā)掘一些計(jì)算思維的思想和方法，為今后在教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維提供參考。
�。ㄒ唬┓謱铀枷塍w現(xiàn)計(jì)算思維的約簡方法
計(jì)算思維在解決一些從未解決的困難問題時(shí)，通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(jì)算思維約簡方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的具體體現(xiàn)，它對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響很大。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)就是通過分層思想解決諸多復(fù)雜問題的典范，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等諸多復(fù)雜問題分類化簡成獨(dú)立的、容易的小問題，然后分別解決并形成獨(dú)立的功能。在數(shù)據(jù)交換機(jī)技術(shù)中，分層思想體現(xiàn)為把報(bào)文拆分成更小的分組，用分組交換技術(shù)代替報(bào)文交換技術(shù)，從而減少存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，提高傳輸效率。此外，組網(wǎng)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不同作用和功能，可以將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為接入層、匯聚層和核心層，同樣體現(xiàn)了計(jì)算思維的簡約思想。對于數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層對應(yīng)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(jié)構(gòu)也體現(xiàn)了分層思想。
�。ǘ┯�(jì)算思維并行處理的思想在網(wǎng)絡(luò)中的體現(xiàn)
要提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中通信線路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，增強(qiáng)信息的傳輸效率，需要采取各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和方法，對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)并行處理，并行處理思想在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次中都有所體現(xiàn)。
在物理層，信道復(fù)用技術(shù)使用復(fù)用器將多路用戶信息聚合成高速信號在單一的線路上進(jìn)行傳輸，然后使用分用器將收到的高速信號分給相應(yīng)的用戶。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口以全雙工的方式來傳輸高速信號信息，這樣就實(shí)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(luò)設(shè)備的利用率。
在數(shù)據(jù)鏈路層，交換機(jī)的使用將一個(gè)物理信道劃分為多條虛擬的信道，可以保證多個(gè)用戶并行收發(fā)信息且互不干擾。
在網(wǎng)絡(luò)層，分組交換技術(shù)和存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可以保證非即時(shí)性的突發(fā)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并行處理。分組數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)報(bào)文拆分成的非常小的數(shù)據(jù)塊，它在存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程中占用的存儲空間小，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延短，從而可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的并行處理。
在傳輸層和應(yīng)用層，傳輸層為應(yīng)用進(jìn)程提供端到端的傳輸服務(wù)和邏輯信道。應(yīng)用層主要面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的使用，這兩層并行處理的對象都為進(jìn)程，無論是計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)還是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作系統(tǒng)對于進(jìn)程的并行處理都已形成成熟的機(jī)制。
�。ㄈ┯�(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的遞歸思想
遞歸的認(rèn)識是從斐波那契數(shù)列、漢諾塔等問題開始，經(jīng)過數(shù)學(xué)家的研究，遞歸算法在現(xiàn)代科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都有直接的應(yīng)用。根據(jù)邱奇-圖靈論點(diǎn)，一切可以計(jì)算的函數(shù)都是遞歸函數(shù)。這實(shí)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(jì)算思維的重要組成部分。遞歸思想在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)有很多方面。例如，OSI 參考模型將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分成七層，網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)按照協(xié)議實(shí)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(shí)現(xiàn)的，下層通過封裝加上了實(shí)現(xiàn)本層功能的信息，同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)通信過程中，反復(fù)進(jìn)行的封裝和解封裝這兩個(gè)互逆的過程實(shí)際上就是遞歸過程。此外，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)本地 DNS 服務(wù)器對用戶的域名解析請求無法直接回復(fù)時(shí)，"遞歸查詢"解析就會啟動。也就是說，在本地 DNS 服務(wù)器上查詢不到用戶要求的域名和 IP 地址對應(yīng)列表時(shí)，本地 DNS 服務(wù)器就會自動遞歸到上級 DNS 服務(wù)器查詢，然后將查詢結(jié)果返回并保存到本地 DNS 服務(wù)器的解析列表中。
�。ㄋ模⿵V播技術(shù)體現(xiàn)了計(jì)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擁有運(yùn)算速度快的優(yōu)勢，窮舉法成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中非常有用的方法。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的廣播技術(shù)就是窮舉法的具體應(yīng)用。
例如，在一個(gè)以太網(wǎng)中，源主機(jī)必須知道目標(biāo)主機(jī)的 MAC 地址才能與未知的目標(biāo)主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。那么，怎樣才能獲取目標(biāo)主機(jī)的 MAC 地址呢？首先，源主機(jī)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(biāo)主機(jī) IP 地址的 ARP 協(xié)議廣播數(shù)據(jù)包，以太網(wǎng)內(nèi)的其他主機(jī)都可以收到源主機(jī)發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包，直到目標(biāo)主機(jī)收到 ARP 協(xié)議廣播包后就會響應(yīng)源主機(jī)的請求，把自己的 MAC 地址告訴對方以實(shí)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(luò)的未知主機(jī)中窮舉出目標(biāo)主機(jī)的過程。此外，其他如網(wǎng)絡(luò)層 IP 協(xié)議通過發(fā)送廣播地址的方式尋找默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器地址、DHCP 服務(wù)器地址以及動態(tài)路由協(xié)議進(jìn)行路由選擇等過程，本質(zhì)上都是利用窮舉法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程。
�。ㄎ澹┯�(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性保障機(jī)制體現(xiàn)了計(jì)算思維
計(jì)算思維按照預(yù)防、保護(hù)的方式維護(hù)系統(tǒng)，并通過冗余、容錯(cuò)和糾錯(cuò)方式，在最壞的情況下進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)，從而保證系統(tǒng)的可靠性。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性保障機(jī)制就是按照這樣的方式，在網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)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(wù)，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)迅速恢復(fù)到正常的穩(wěn)健狀態(tài)。這種機(jī)制體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的許多方面，我們從差錯(cuò)控制、安全性控制和增強(qiáng)適應(yīng)性三個(gè)方面進(jìn)行探討。
在差錯(cuò)控制方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要進(jìn)行兩種類型的控制：一是對信息傳輸過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行控制，二是對由于網(wǎng)絡(luò)信道擁塞造成的數(shù)據(jù)丟失進(jìn)行控制。第一類控制主要通過提高線路和傳輸設(shè)備的性能和質(zhì)量以及在數(shù)據(jù)鏈路層采取糾錯(cuò)的方法來實(shí)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(cuò)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(shí)現(xiàn)。比如，通過 TCP 協(xié)議的窗口滑動機(jī)制可以隨時(shí)根據(jù)接收方的處理能力和網(wǎng)絡(luò)的處理能力選擇一個(gè)最合適的發(fā)送速率，同時(shí)，對于因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)長時(shí)間擁塞而導(dǎo)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(luò)的可靠性。
在安全性控制方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是從物理和邏輯兩個(gè)角度入手：一是通過增加冗余線路、冗余設(shè)備和增加備份電源的方式，保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shè)置安全訪問控制列表、進(jìn)行管理身份認(rèn)知和強(qiáng)制密鑰授權(quán)等措施，三管齊下保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)邏輯屬性的安全。
增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性實(shí)際上是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對于新趨勢、新技術(shù)、新理念的適應(yīng)能力。比如，對于當(dāng)前 IPV4 地址池出現(xiàn)枯竭的問題，通過采用 NAT 技術(shù)（地址轉(zhuǎn)換技術(shù)）以及 IPV6 地址版本就可以從根本上解決。另外，對于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用戶要求"人性化"服務(wù)的新趨勢，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)廣泛采用了 WEB2.0 技術(shù)，從而推動了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用互動水平的提高。
四、在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維
要把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程打造成一個(gè)培養(yǎng)計(jì)算思維的平臺，首先要對計(jì)算思維的本質(zhì)做到全面的分析，發(fā)掘潛藏在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算思維和方法，并從教學(xué)內(nèi)容組織和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行教學(xué)改革。
（一）教學(xué)內(nèi)容組織
要在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中組織和呈現(xiàn)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，從"導(dǎo)出問題，尋求思路，進(jìn)而引出解決方法，或得出實(shí)現(xiàn)方法的角度"入手是一個(gè)好的辦法。按照這樣的組織結(jié)構(gòu)實(shí)施教學(xué)，可以使具體的教學(xué)過程成為問題的解決過程。比如，教師在講解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，可以先引入"在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不同型號、不同廠商、不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)通信"這一問題，其解決思路是在它們之間設(shè)計(jì)一個(gè)共同遵守的規(guī)則程序，有了這個(gè)程序就可以識別不同計(jì)算機(jī)的信息，最后通過這個(gè)程序的"翻譯"實(shí)現(xiàn)它們之間的通信，從而可以推出網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體理論講解。
（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是通過實(shí)踐驗(yàn)證學(xué)生網(wǎng)絡(luò)理論知識的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過親自應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的知識，鍛煉計(jì)算思維在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。以培養(yǎng)計(jì)算思維為目的的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)理論知識、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算思維三個(gè)方面入手，循序漸進(jìn)。
首先，設(shè)計(jì)一些簡單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，并講清楚步驟、結(jié)果和其中蘊(yùn)含的思維。通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對理論知識的理解。
其次，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)工具和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的能力。教師可以把實(shí)驗(yàn)中需要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和連接方式以及所用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)告訴學(xué)生，讓他們動手去實(shí)驗(yàn)功能。
再次，通過構(gòu)造性試驗(yàn)，使學(xué)生能夠自主地運(yùn)用計(jì)算思維的方法，建立有效的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，了解運(yùn)用計(jì)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(luò)需求，讓學(xué)生思考后建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ�，寫出網(wǎng)絡(luò)配置步驟，最后給出結(jié)果。
五、結(jié)束語
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革的重要內(nèi)容。本文解讀了計(jì)算思維的概念，詳細(xì)分析了計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和體現(xiàn)，并以解決網(wǎng)絡(luò)問題為導(dǎo)向，從教學(xué)內(nèi)容組織和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對課程教學(xué)改革做了初步探討，以期為推進(jìn)我國的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教育改革提供參考。
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