路艷麗，王曉丹，徐云飛

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

1 引言

計算大師Dijkstra說過，“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”。電動機的出現(xiàn)引發(fā)了自動化的思維，計算機的出現(xiàn)催生了智能化的思維和計算思維［1］。2006年，美國計算機學(xué)會通訊發(fā)表Wing J M教授［2］《計算思維》一文，系統(tǒng)地提出計算思維的概念。隨后，計算思維在國內(nèi)計算機基礎(chǔ)教育界迅速傳播并得到重視發(fā)展［3］。

計算機網(wǎng)絡(luò)課程在軍校大學(xué)教育中的地位，可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)在軍隊信息化建設(shè)中的作用來真實地反映和體現(xiàn)。軍隊計算機網(wǎng)絡(luò)是軍事系統(tǒng)信息傳輸?shù)摹吧窠?jīng)”、指揮決策的“大腦”、一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的支撐、管理訓(xùn)練的“根基”，及戰(zhàn)斗力的“倍增器”。因此，計算機網(wǎng)絡(luò)作為了軍校多數(shù)專業(yè)的必修課。在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中開展學(xué)員計算思維能力的培養(yǎng)具有非常迫切的需求和良好的條件。然而，如何使學(xué)員掌握計算機網(wǎng)絡(luò)知識和技能，并能更好地使用計算機網(wǎng)絡(luò)解決軍隊信息化建設(shè)中面臨的問題，即對學(xué)員計算思維能力的培養(yǎng)，是一個擺在我們面前的難點問題。

目前，關(guān)于計算思維的理解多停留在“哲學(xué)”或“科學(xué)”層面，在“教學(xué)”層面上沒有形成一個清晰的表達體系。本文首先對計算思維和網(wǎng)絡(luò)思維進行必要分析和介紹；接著，對基于案例教學(xué)的計算思維能力培養(yǎng)進行了深入解析，包括教學(xué)內(nèi)容的梳理和在案例中融入計算思維，即從應(yīng)用角度出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造能將教學(xué)內(nèi)容合理地組織和呈現(xiàn)的具體案例，以培養(yǎng)學(xué)員的計算思維能力，最后用實例進行了詳細說明。

2 計算思維與網(wǎng)絡(luò)思維

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。2010年7月，教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會確定了以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革［4］，期間的《九校聯(lián)盟計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》指出，要加強以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究。增強計算思維能力的培養(yǎng)，已成為當(dāng)前大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的主旋律，并且得到教育部高教司的重視與支持。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人們?nèi)粘９ぷ?、生活和社會各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，培養(yǎng)、訓(xùn)練了人們新的思維模式，開放性、協(xié)同性、系統(tǒng)性等網(wǎng)絡(luò)思維的習(xí)慣逐漸形成。文獻［5］指出，作為計算思維發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)思維，是面向當(dāng)代大學(xué)生的“一種普遍認識和一類普適技能”，并將計算思維和網(wǎng)絡(luò)思維進行了比較。網(wǎng)絡(luò)思維的概念體系包含思維形態(tài)、思維方法、行為模式和社會道德四個層面。網(wǎng)絡(luò)思維具有非線性、發(fā)散性、開放性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、群體性等特征。文獻［6］提出了基于網(wǎng)絡(luò)思維的探究式教學(xué)模式設(shè)計，較好地體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)思維能力的培養(yǎng)。網(wǎng)絡(luò)思維是計算思維進一步的發(fā)展，在本文中筆者仍用計算思維表述，但其內(nèi)涵已擴展到了網(wǎng)絡(luò)思維的內(nèi)容。

在課程中培養(yǎng)計算思維能力，關(guān)鍵是要提煉并展現(xiàn)隱藏在知識背后的計算思維的光芒，這要求任課教員改革課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)、采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法、精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容與案例。以下就是筆者在這些方面的思考和實踐。

3 基于案例教學(xué)的計算思維能力培養(yǎng)

3.1 從應(yīng)用角度出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容

計算思維培養(yǎng)并不是教學(xué)內(nèi)容或工具的改變，而是教學(xué)方法、方式的改變［7］。但是，實施教學(xué)方法、方式的改變，需要在不改變教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上對教學(xué)內(nèi)容進行重新的梳理。關(guān)于如何重新梳理計算機網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)內(nèi)容，筆者認為應(yīng)該從以下兩個方面考慮。

一是強調(diào)根據(jù)學(xué)員特點、培養(yǎng)目標及部隊需求，合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容是教學(xué)順利展開的基礎(chǔ)。在高等計算機基礎(chǔ)教育的教學(xué)中，首先要解決的問題是準確定位，根據(jù)具體的培養(yǎng)目標合理取舍教學(xué)內(nèi)容［8］。必須分清楚哪些內(nèi)容是主要需要的，哪些內(nèi)容是不需要的；哪些內(nèi)容是目前暫時可以不學(xué)而留待以后學(xué)的，哪些內(nèi)容是不必學(xué)的。絕不可胡子眉毛一把抓，不加分析不問主次，使學(xué)員感到難以入門。因此，這里強調(diào)要根據(jù)培養(yǎng)目標和學(xué)員特點來對課程內(nèi)容進行恰當(dāng)取舍，根據(jù)學(xué)員未來需要給學(xué)員傳授計算機網(wǎng)絡(luò)的基本知識和技術(shù)，在此過程中兼顧計算思維能力的培養(yǎng)。

二是從應(yīng)用角度出發(fā)規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。計算機類課程不是純理論課程，有很強的應(yīng)用性，應(yīng)當(dāng)強調(diào)學(xué)以致用，圍繞應(yīng)用進行學(xué)習(xí)，通過多用來培養(yǎng)學(xué)員的計算思維。因此，可以將教學(xué)內(nèi)容按照應(yīng)用層次、應(yīng)用角度和應(yīng)用方向進行整合和梳理。作為多數(shù)專業(yè)必修的工程技術(shù)基礎(chǔ)課和基礎(chǔ)平臺必修課，計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容的特點是原理抽象、名詞術(shù)語和知識點很多且知識點之間的聯(lián)系不是特別緊密。學(xué)習(xí)本課程的學(xué)員之前所學(xué)的計算機知識不多、普遍積累較少，面對課程中如此多的名詞術(shù)語和抽象概念，學(xué)員會感到無從下手。譚浩強教授認為，面向非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)教育實際上是計算機應(yīng)用教育，應(yīng)當(dāng)以應(yīng)用為目的，以應(yīng)用為出發(fā)點［9］。因此，對于非計算機專業(yè)的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，也應(yīng)該從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，將教學(xué)內(nèi)容從專題應(yīng)用進行劃分，比如局域網(wǎng)專題、廣域網(wǎng)專題、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)專題、網(wǎng)絡(luò)安全與管理專題、無線網(wǎng)絡(luò)專題等，甚至可以與具體的專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合來按應(yīng)用問題進行劃分，如指揮自動化網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸問題、現(xiàn)代測控系統(tǒng)中的局域網(wǎng)基本原理問題等。以使學(xué)員從開始了解計算機網(wǎng)絡(luò)到逐步考慮計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與切身關(guān)心問題的關(guān)系，一直到最后的自覺應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決本專業(yè)本領(lǐng)域的實際問題，也就達到了培養(yǎng)計算思維的目的。

3.2 在案例教學(xué)中融入計算思維培養(yǎng)

實施計算思維能力培養(yǎng)重在改革教學(xué)方式和方法。如果在計算機網(wǎng)絡(luò)課程中仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)三部曲：提出概念——解釋概念——舉例說明，那么需要說明的概念名詞就太多且相互分散，學(xué)員只會覺得枯燥難懂，計算思維能力的培養(yǎng)也就無從談起。案例式教學(xué)方法是實施計算思維能力培養(yǎng)的有效途徑。根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容及授課對象的特點和需求，采用案例式教學(xué)方法可以很好地將繁雜的知識點進行串并，并很好地強調(diào)了面向應(yīng)用的主題。

在實施案例教學(xué)的過程中，其中所反映的教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式是完全不同的。即在設(shè)計案例的基礎(chǔ)上，根據(jù)案例需求提出問題——分析討論解決問題的方法——歸納出必要的概念和結(jié)論［10］。這種從具體到抽象，從實際到理論，從個別到一般，是完全符合人們的認識規(guī)律的，也能較為自然地通過問題的解決來培養(yǎng)學(xué)員的計算思維能力。在將教學(xué)內(nèi)容從應(yīng)用角度進行整合之后，每一部分或幾部分內(nèi)容可以較為鮮明地對應(yīng)某一類應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上就可以相對容易地實施案例教學(xué)。

要使用案例較好地將教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，而且能夠通過案例的逐步解決，使學(xué)員能夠掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識和技能，并能培養(yǎng)學(xué)員的計算思維能力。如何構(gòu)造滿足這些要求的案例是一個關(guān)鍵問題。已有的文獻中提出許多關(guān)于案例構(gòu)造的方法、原則及工具。比如，案例要針對不同的專業(yè)區(qū)別處理、案例要具有時效性、難度深度要適中、普通案例與綜合案例相結(jié)合、使用Packet Tracer工具來組織實施案例教學(xué)等。這些都是實施案例教學(xué)應(yīng)把握的問題。綜合來講，要把握兩個原則，一是案例教學(xué)要在教學(xué)內(nèi)容梳理恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上實施，這種梳理必須是面向應(yīng)用的梳理；二是案例要能將教學(xué)內(nèi)容合理地組織和呈現(xiàn)，使學(xué)生在案例中學(xué)會知識并能掌握運用知識解決實際問題的方法，體現(xiàn)知識背后的思維訓(xùn)練，而不是簡單的概念堆積和知識堆積。下面通過一個具體的案例來說明作者的案例教學(xué)思路。

3.3 具體案例

案例：IP地址及子網(wǎng)劃分，如圖1所示。

在設(shè)置案例之前應(yīng)該從應(yīng)用角度出發(fā)將IP地址及子網(wǎng)劃分的相關(guān)知識點進行梳理，在此基礎(chǔ)上再采取循序漸進的原則設(shè)置案例。首先，設(shè)置一個初始案例，關(guān)于某公司擴展規(guī)模帶來的IP地址分配問題。此時通過引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)兩級IP所面臨的突出問題之一，即IP地址浪費嚴重問題，啟發(fā)學(xué)員思考。在兩級IP的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)員對三級IP的設(shè)想，以此為契機引入子網(wǎng)掩碼的概念，通過定長子網(wǎng)掩碼可以解決該案例中的地址分配問題，并指導(dǎo)學(xué)員自主完成子網(wǎng)的劃分方案。

定長子網(wǎng)掩碼是子網(wǎng)劃分最簡單的形式，在此基礎(chǔ)上將案例升級，構(gòu)造出分公司IP地址的分配問題，引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)“C類地址192.77.33.0包含了256個IP地址，卻不能為這200臺主機分配IP地址”這一問題。采用定長子網(wǎng)掩碼無法解決問題，申請新的IP地址已受到限制。因此，需要另尋它途來解決問題；在這種情況下，借助學(xué)生飯?zhí)玫臉藴什秃妥灾蛠硇蜗笳f明定長子網(wǎng)掩碼的受限之處，由此啟發(fā)學(xué)員思考實施變長子網(wǎng)掩碼的可能性。在學(xué)員認可變長子網(wǎng)掩碼的基礎(chǔ)上，與學(xué)員共同用變長子網(wǎng)掩碼解決升級案例中的問題，在解決的過程中提取可能遇到的問題，進而對無分類編址進行適當(dāng)討論。

Figure 1 Case of IP and subnet partition圖1 IP地址與子網(wǎng)劃分案例

在升級之后對案例進一步做出拓展，引出IP網(wǎng)絡(luò)面臨的幾類問題，并讓學(xué)員結(jié)合日常上網(wǎng)中遇到的問題，討論相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如虛擬局域網(wǎng)技術(shù)、VPN技術(shù)、NAT技術(shù)及IPv6等內(nèi)容，可以根據(jù)學(xué)員專業(yè)需要重點選擇其中若干內(nèi)容進行深入探討。學(xué)員通過對之前所學(xué)的兩級IP進行改進生成三級IP，再將三級IP返回兩級IP，進而得出無分類編址的概念，在此基礎(chǔ)上引出虛擬局域網(wǎng)、VPN、IPv6等技術(shù)。

值得一提的是，這里的案例并沒有從一開始就體現(xiàn)兩級IP的所有局限性，而只是從其中的一個局限性出發(fā)構(gòu)造案例，這并不影響學(xué)員對知識的理解。如果從一開始就告訴學(xué)員兩級IP的所有局限性，包括不夠靈活、會使路由表變得太大等，反而讓這些非計算機專業(yè)的學(xué)員失去了主線。因此，從一個缺點入手發(fā)現(xiàn)問題，在問題解決之后再由教員啟發(fā)學(xué)員發(fā)掘其中的優(yōu)點時，學(xué)員會再拿這些優(yōu)點和之前的兩級IP去比較，從而發(fā)現(xiàn)它更多的局限性，此時發(fā)現(xiàn)也為時不晚，而且印象更為深刻。最后，教員在每一次小總結(jié)的基礎(chǔ)上對本部分內(nèi)容的核心概念及關(guān)鍵技術(shù)再次進行歸納和升華，從而為學(xué)員建立整體的IP子網(wǎng)劃分及相關(guān)拓展技術(shù)的思路。

在實施案例教學(xué)的過程中，學(xué)員深刻地體驗了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨時代需求而不斷突破性發(fā)展的曲折性，也充分感受了利用所需知識不斷改進、完善相關(guān)技術(shù)滿足實際需求的過程，這個過程是不斷創(chuàng)新思維的過程，也是培養(yǎng)計算思維的過程。在某種意義上，最為吸引大學(xué)生的計算機應(yīng)用技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［10］，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)博大而精深，要將這種吸引化為學(xué)員主動的學(xué)習(xí)和自覺的應(yīng)用，需要我們將更多的知識融入一個個有效、生動的案例，以此激發(fā)學(xué)員興趣，使計算機網(wǎng)絡(luò)這項偉大的發(fā)明能夠在軍校學(xué)員的強軍職業(yè)生涯中發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

4 結(jié)束語

計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平的高度決定著國防信息化建設(shè)水平的高度。計算思維能力的培養(yǎng)將有助于軍校學(xué)員解決未來信息化建設(shè)中遇到的實際問題。本文基于案例教學(xué)的計算思維能力培養(yǎng)的核心觀點是，從應(yīng)用出發(fā)梳理教學(xué)內(nèi)容，通過與學(xué)員熟悉領(lǐng)域結(jié)合恰當(dāng)設(shè)置案例，增加復(fù)雜理論的可接受性，并通過提出問題——討論解決方案——歸納總結(jié)核心概念和結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)員應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的主動性和自覺性，也即達到了培養(yǎng)計算思維能力的目的。

［1］ Wang Fei－yue.From computational thinking to computational culture［J］.CCCF，2007，3（11）：81－82.（in Chinese）

［2］ Wing J M.Computational thinking［J］.Communications of ACM，2007，49（3）：33－35.

［3］ Zhou Yi－zhen.Computational thinking［J］.Wang Fei－yue，translation.CCCF，2007，3（11）：83－85.（in Chinese）

［4］ Chen Guo－liang，Dong Rong－sheng.Computational thinking and computational basic education in university［J］.China University Teaching，2011（1）：7－11.（in Chinese）

［5］ Zhu Pei－dong，Zheng Qian－bing，Xu Ming.Concept system and ability cultivation of network thinking［J］.Journal of High Education Research，2012，35（2）：105－107.（in Chinese）

［6］ Zheng Qian－bing，Zhu Pei－dong，Ren Hao，et al.Teaching mode of network thinking ability cultivation［J］.Computer Education，2013（1）：25－28.（in Chinese）

［7］ Feng Bo－qin.Discussion on the implementation of computational thinking cultivation［J］.China University Teaching，2012（9）：6－9.（in Chinese）

［8］ Tan Hao－qiang，Wu Gong－yi，Wu Ying.Computer network tutorial［M］.5th Edition.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011.（in Chinese）

［9］ Tan Hao－qiang.Research on application－oriented computational thinking［J］.Computer Education，2012（21）：45－49.（in Chinese）

［10］ Lu Han－quan，He Qin－ming，Xu Jing－chun.Computational thinking based teaching content design of computational basic education in university［J］.China University Teaching，2012（9）：55－58.（in Chinese）

附中文參考文獻：

［1］ 王飛躍.從計算思維到計算文化［J］.中國計算機學(xué)會通訊，2007，3（11）：81－82.

［3］ 周以真.計算思維［J］.王飛躍，譯.中國計算機學(xué)會通訊，2007，3（11）：83－85.

［4］ 陳國良，董容勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）：7－11.

［5］ 朱培棟，鄭倩冰，徐明.網(wǎng)絡(luò)思維的概念體系與能力培養(yǎng)［J］.高等教育研究學(xué)報，2012，35（2）：105－107.

［6］ 鄭倩冰，朱培棟，任浩，等.網(wǎng)絡(luò)思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式研究［J］.計算機教育，2013（1）：25－28.

［7］ 馮博琴.對于計算思維能力培養(yǎng)“落地”問題的探討［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012（9）：6－9.

［8］ 譚浩強，吳功宜，吳英.計算機網(wǎng)絡(luò)教程［M］.第5版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［9］ 譚浩強.研究計算思維 堅持面向應(yīng)用［J］.計算機教育，2012（21）：45－49.

［10］ 陸漢權(quán)，何欽銘，徐鏡春.基于計算思維的“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012（9）：55－58.