基于计算思维的计算机网络教学模式探索.pdf

2023年1 1 月计算机应用文摘第3 9 卷第2 1 期基于计算思维的计算机网络教学模式探索王杰（洛阳职业技术学院,河南洛阳4 7 1 0 0 0)摘要：为了解决计算机网络教学中学生解决问题能力不足的问题，文章将采用以问题解决为导向的方法，将计算思维应用于计算机网络教学中。在教学过程中，注重培养学生的计算思维，通过抽象、分解、算法思维和评估等关键步骤，以提高他们的应用能力。教学实践证明，基于计算思维的计算机网络教学模式能够增强学生的综合实践能力。关键词：计算思维；计算机网络教学；抽象；分解；算法思维中图法分类号：TP393Exploration of computer network teaching mode based onAbstract:There is too much theoretical knowledge in computer network courses,and the studentslack problem-solving ability.Aiming at the problems in computer network teaching practice,thispaper applies problem-solving oriented computational thinking to computer network teaching,andcultivates students computational thinking and improves their application ability through key stepssuch as abstraction,decomposition,algorithmic thinking and evaluation.Through teaching practice,it shows that computer network teaching mode based on computational thinking can improve studentscomprehensive practical ability.Key words:computational thinking,computer network teaching,abstraction,decomposition,algorithmic thinking1计算机网络教学现状“计算机网络基础”是计算机、通信、网络安全等专业的基础课程，随着计算机网络技术的迅速发展，这门课程的重要性愈加突出。它为学习“网络管理与运维”“网络安全技术”等专业课程奠定了坚实的基础,因此精通这门课程对培养高素质的应用型和技能型计算机网络技术人才尤为关键。然而,在实际教学应用中，“计算机网络基础”课程也面临一些问题。（1)该课程的理论知识相对较多,学科内容相对较枯燥,这可能导致学生在上课时兴趣不高,尤其是对于高职院校的学生而言，这门课程相对来说更加抽象。（2）计算机网络技术发展迅速,网络知识更新迭代速度也很快。不过,大多数学生在课堂学习中主要是死记硬背现有的知识点,而缺文献标识码：Acomputational thinkingWANGJie(Luoyang Polytechnic,Luoyang,Henan 471000,China)乏灵活应用这些知识解决实际网络问题的能力 1 因此,提升学生的学习和应用能力在该课程的改革中显得至关重要。2计算思维的应用现状计算思维由计算机科学家周以真教授于2 0 0 6 年提出,是一种问题解决的思维过程。它应用计算机科学的基础概念来解决问题和设计系统。在2 0 1 2 年的微软亚太教育峰会上，周以真教授分享了她对计算思维的看法。她表示：“计算思维能够清晰、抽象地描述问题,并将问题的解决方案表示为一个信息处理的流程。”2 。换句话说，计算思维能够提高人们解决问题的能力，而这种能力不仅适用于计算机科学专业或特定领域，它在人们生活的各个方面都具有重要作用。目前,计算思维大部分应用在编程类课程中，而基金项目：洛阳市社科联规划项目：双高校建设背景下职业院校计算机网络技术专业人才培养模式探索一以洛阳职业技术学院为例(2 0 2 3 B426)2在其他学科的教学实践中尚不够普遍。鉴于计算机网络课程具有理论知识繁多、趣味性不足以及学生解决问题能力不足等问题,因此在该课程中培养学生的计算思维能力显得至关重要。3计算思维在计算机网络教学中的应用计算思维主要旨在提升学生的问题分析、问题定位、问题分解和问题解决能力。它包括以下几个关键步骤：抽象、分解、算法思维和评估 3 抽象实际上是一个从看似复杂的问题中找出解决问题的关键部分的过程，需要抽丝剥茧、化繁为简。抽象在现实生活中也有广泛的应用。例如，当人们使用地图时，地图通过省略不必要的细节（如每个公园中每棵树的具体位置)向人们呈现了整个世界的简化版本，只保留了地图使用者需要的最重要信息，如道路和街道的名称。在计算机网络系统中,像OSI/RM模型这样的模型实际上包含大量的应用程序和软硬件平台,但是这些模型将其简化为了一个包含7 个层次的模型,这也是抽象的一个应用。分解是将一个复杂的问题分解成一些小的简单问题，通过解决这些小问题最终实现对复杂问题的解决。在现实生活中,分解的应用非常普遍。例如，如果我们想做一道菜，我们可以将整个过程分解为洗菜、切菜、炒菜等小步骤。在计算机网络领域，问题的分解同样经常出现，如模拟信号数字化的过程可以分解为采样、量化和编码这三个步骤。算法是解决问题或完成任务的标准化流程，同时是计算思维的核心。通过按照算法的步骤逐一执行，我们可以有效地解决问题。即使在不同的应用场景或问题条件下，依然可以成功解决问题，这体现了计算思维的举一反三能力。例如,在子网划分的过程中，一个标准化的流程（即算法)包括以下步骤：确定子网号和主机号的位数、确定子网掩码、确定每个子网的网络地址以及确定每个子网的主机地址范围。评估是判断哪种方案能够更快速、更有效地解决问题的过程。在实际教学中,引导学生在提出解决方案后,鼓励他们思考解决这个问题所需的时间、准确性,以及是否存在更快、更有效的解决方案。如果存在多个解决方案,应该对它们进行综合评估，最终确定最佳方案。接下来，本文将结合实际教学中的具体案例，按照图1 所示的流程,演示计算思维在计算机网络教学中的应用 4 3.1子网划分3.1.1教师提出问题某公司的网络地址是2 1 0.1 0.3 0.0。现在需要划计算机应用文摘分为2 个子网，以供2 个不同的部门使用,要求不分配全0 和全1 的子网。每个子网需要容纳6 2 个主机。计算每个子网可分配的IP地址范围。学生提散思维出不同方案问题问题教师提出问题定位分解图1 计算思维在计算机网络教学中的应用流程3.1.2问题定位该问题涉及子网划分。3.1.3问题分解（1)确定子网号和主机号的位数。为了划分2 个子网,需要至少2 位子网号。另外,每个子网需要能容纳6 2 个主机,所以需要6 位主机号。因此，最终确定使用2 位子网号和6 位主机号。(2)确定子网掩码。根据子网号位数和主机号位数，可以确定子网掩码。子网位对应子网掩码的1，主机位对应子网掩码的0。因此，得到的子网掩码是2 5 5.2 5 5.2 5 5.1 9 2。（3）确定每个子网的子网号。由于不分配全0 和全1 的子网，而子网地址对应的主机位都为0,因此得到两个子网的网络号分别为210.10.30.64 和 2 1 0.1 0.3 0.1 2 8。(4)确定每个子网的IP地址范围。由于主机位为6 位，全0 和全1 主机位未分配，因此每个子网的IP地址范围分别为2 1 0.1 0.3 0.6 5 210.10.30.126 和 2 1 0.1 0.3 0.1 2 9 2 1 0.1 0.3 0.2 5 4。3.1.4算法识别子网划分的算法如图2 所示。确认组网条件确定子网号和主机号的位数确定子网掩码确认每个子网的子网号确认每个子网的IP地址范围得出组网方案图2 子网划分算法3.1.5方案评估教师引导学生思考是否有其他解决方案，组织学2023年第2 1 期学生发算法识别方案评估（问题解决）2023 年第 2 1 期生共同对多个方案进行评估。3.2三层交换机工作原理3.2.1教师提出问题如果两个用户的IP地址不在一个网段上,那么这两个用户之间如何转发数据？需要使用何种设备？它的工作原理是什么？3.2.2问题定位该问题涉及跨网段用户的通信，考查的是三层交换机的工作原理 5 3.2.3问题分解(1)确定源IP地址和目的IP地址。确定发送方和接收方的IP地址,即源IP地址和目的IP地址。(2)判断源IP地址和目的IP地址是否在一个网段。分别判定源IP地址和目的IP地址属于哪一类IP地址,判断源IP地址和目的IP地址是否在一个网段。如果两个IP地址属于同一网段，三层交换机会通过二层交换模块直接对数据包进行转发，大致流程为：源主机向目的主机发送ARP请求报文；目的主机向源主机发送ARP响应报文；源主机向目的主机发送ICMP请求报文；目的主机向源主机发送ICMP响应报文。如果两个IP地址属于不同的网段，三层交换机将把该数据包传递给三层路由器进行路由，大致流程为：源主机向网关发送ARP请求报文；网关向源主机发送ARP响应报文；源主机向网关发送ICMP请求报文,该报文目的MAC是网关的MAC,源 MAC是源主机的MAC,目的IP是目的主机的IP,源IP是源主机的IP;网关向目的主机发送ARP请求报文；目的主机向网关发送ARP响应报文；网关向目的主机发送ICMP请求报文,该报文目的MAC是目的主机的MAC,源MAC是网关的MAC,目的IP是目的主机的IP,源IP是源主机的IP；目的主机向源主机发送ICMP响应报文。3.2.4算法识别三层交换机工作原理的算法如图3 所示。3.2.5方案评估教师引导学生思考是否有其他解决方案,组织学生共同对多个方案进行评估。3.3域名解析系统(DNS)工作流程3.3.1教师提出问题在我们访问淘宝网站（）时，计算机是如何解析到它的IP地址的？计算机应用文摘是判断源和目的1 P是否在同一网段源主机向目的主机源主机向网关发送ARP请求报文发送ARP请求报文网关向源主机发送ARP响应报文目的主机向源主机发送ARP响应报文源主机向目的主机发送ICMP请求报文目的主机向源主机发送ICMP响应报文结束图3 三层交换机工作原理3.3.22问题定位该问题涉及 DNS 解析的工作流程 6 3.3.3问题分解(1)查找本地 DNS缓存。查找本地DNS缓存,如果有则返回查询结果,如果没有则进行下一步。(2)查找本地host文件。查找本地host文件,如果有IP地址和域名的对应关系,则返回查询结果,如果没有则进行下一步。(3)查询本地DNS服务器。向本地DNS服务器发送请求进行查询，本地DNS服务器接受请求后先查询本地缓存有无IP地址和域名的对应关系，如果有则返回查询结果,如果没有则进行下一步。(4)查询DNS的根域名服务器。本地DNS服务器向DNS的根域名服务器发起查询请求，根域名服务器查询请求域名（）的顶级域（.com），然后返回顶级域的域名服务器地址。(5)查询顶级域名服务器本地DNS服务器向顶级域名服务器发起查询请求，顶级域名服务器收到请求后返回请求域名（w w w.t a o b a o.c o m）的二级域（）的服务器地址。(6)查询二级域名服务器地址。本地DNS服务器向二级域名服务器发起查询请求,二级域名服务器查询域名对应的IP地址,并把IP地址返回给本地DNS服务器。3发送方发送数据包）交换机分析包的源IP和目的IP否源主机向网关发送ICMP请求报文网关向目的主机发送ARP请求报文目的主机向网关发送ARP响应报文网关向目的主机发送ICMP请求报文目的主机向源主机发送ICMP响应报文4（7)将查询结果保存到缓存并返回给客户端。本地DNS服务器将收到的结果添加到自已的缓存中，并反馈给客户端。3.3.4算法识别DNS查询算法如图4 所示。客户输入要访问的网站域名查找本地DNS缓存是是否有对应关系文否查找本地host文件是否存在对应关系文香查找本地DNS服务器是否有对应关系香向DNS的根域名服务器发起查询请求返回二级域名文服务器地址向DNS的二级域名服务器发起查询请求立将查询结果保存到缓存并返回给客户端图4 DNS查询算法3.3.5方案评估教师引导学生思考是否有其他解决方案，组织学生共同对多个方案进行评估。4教学实践效果分析此次基于计算思维的计算机网络教学模式探索是在洛阳职业技术学院2 0 2 2 级计算机应用技术专业301和3 0 2 班进行的,共有8 2 名学生参与。在这次实践中,将计算思维融人了日常教学。在课堂上，教师会布置实际的任务，要求学生应用计算思维来解决问题。最终的考核方式由期末卷面成绩占4 0%,课堂实践任务和课堂出勤占6 0%。在此次教学实践过程中，总共布置了9 次计算思维课堂实践任务。其中,有6 2 名学生成功完成了所有任务，任务完成率为7 5.6%。同时，有7 1 名学生完成了6 次以上任务，占比达到了8 6.6%。计算机应用文摘在经过了2 0 2 2 一2 0 2 3 学年上学期的教学实践和探索后,这两个班的学生都成功地完成了计算机网络课程的学习。综合评分的及格率(得分在6 0 分以上)达到了1 0 0%，良好率（得分在8 0 分以上）为8 9%，而优秀率(得分在9 5 分以上为5 1%。这些数据表明,通过采用以计算思维为导向的计算机网络教学模式，学生通过课堂学习训练，都能够获得较强的综合实践能力和举一反三解决问题的能力。这种教学模式有助于提升课堂授课质量。5结束语是计算思维的培养对提升学生的问题解决能力具有重要作用，不仅适用于编程类课程,还适用于其他是计算机专业课程。针对计算机网络课程中学生对课程兴趣不高、举一反三能力不足以及实践能力不强等问题,本文将计算思维引入计算机网络课程的教学实践中。经过实践证明,这种以计算思维为基础的计算机网络教学模式能够显著提高学生的综合实践能力，取得了良好的教学效果。然而,这一教学模式仍在不断探索中,学生的发散思维能力有待进一步提升。因此,我们将把如何在课堂上进一步提升学生的发散思维能力作为下一步研究计划。参考文献：1 杨红飞,花燕峰.计算思维导向的计算机课堂混合教学模式探索 J.现代计算机,2 0 2 0(1 4）：8 8-9 1.2杨螺.基于计算思维的大学计算机课程混合教学模式实践J.电脑知识与技术,2 0 1 9,1 5（4：1 4 2-1 4 4.3王慧慧，李敏,王俊飞，等.计算思维在计算机网络类课程中的应用 J.电脑知识与技术,2 0 2 0,1 6(2 2)：1 4 0-1 4 2.4 郁晓华，王美玲.流程图支持下的计算思维培养实践研究J.中国远程教育,2 0 1 9(9)：8 3-9 1.5中锐网络.计算机网络基础M.北京：北京师范大学出版社,2 0 2 0.6孟敬.计算机网络基础与应用微课版M.北京：人民邮电出版社,2 0 2 1.作者简介：王杰（1 9 9 2 一）,硕士，助教，研究方向：计算机应用技术、无线通信。2023 年第2 1 期