计算机网络教学中学生计算思维的培养,计算机网络论文.docx

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1、计算机网络教学中学生计算思维的培养,计算机网络论文近年来，美国卡内基 梅隆大学周以真教授对计算思维的系统阐述，引起了国内计算机学者的关注，在计算机基础课中进行计算思维培养的教学改革也迅速开展起来。计算机网络是高校的一门重要课程，也是计算机应用和信息技术类专业必修的基础课程。在这门课程的教学经过中加强计算思维的培养非常重要，它对于提升计算机网络课程教学水平、提高学生的学习能力乃至推动网络技术的发展都具有重要意义。二、计算思维的概念1996 年麻省理工学院MIT的 Seymour Papert教授最早提出了计算思维这一概念1,2006 年美国卡内基 梅隆大学周以真教授对计算思维进行了系统阐述。周以

2、真教授以为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动2.要理解这个概念，必须对概念的内容进行深入分析，才能把握它的含义、特征和本质。从概念的内容来看，计算思维属于思维的范畴。思维作为一种心理现象，是人认识世界的一种高级反响形式。详细来讲，思维是人脑对客观事物的一种概括、间接的反响，它具体表现出了客观事物的本质和规律。从思维的定义能够看出，人脑是思维的主体，自然界的客观事物是思维的原料，通过实践活动对客观事物从直接感悟到借助于语言的抽象概括构成了思维活动。根据思维的构成和应用领域，思维能够分为科学思维和日常思维。显然，作为涵盖

3、计算机科学之广度的一系列思维活动，计算思维属于具有科学性和严谨性的科学思维的范畴，它的活动主体也是人脑，也就是讲它是人的思维。从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，科学思维能够分为理论思维、实验思维和计算思维。理论思维又称为逻辑思维，是人们认识事物时能动地使用概念、推理、判定等方式方法对客观世界的认识经过，具有推理和演绎的特点。实验思维又称为实证思维，是人类通过观察和实验的经过归纳出自然规律的方式方法，具有观察和归纳的特点。计算思维又称为构造思维，它以形式化和机械化为特点，通过详细的算法来构造和解决详细问题。区别于理论思维和实验思维，计算思维有其独有的特征。计算思维是随着计算机的飞速发展具体

4、表现出出来的，计算机在海量信息处理、复杂系统模拟和大型工程组织方面，具有自动、精到准确和可控地实现从思想到产品整个经过的能力，这使得人类思维活动中以形式化、程序化和机械化为特征的计算思维得到充分的具体表现出。另外，计算机、计算机科学的发展是以计算理论的发展为基础，计算理论是对计算本质的理解和探寻求索，主要包括算法与算法学、计算复杂性理论、可计算性理论、自动机理论和形式语言理论等。华而不实，算法在计算思维中有着重要地位，它是计算的灵魂，它所包含的算法设计谋略如穷举法、回溯法、递归法、分治法、贪心法和动态规划等已应用在生活的很多方面。当下，计算思维已经成为推动人类文明进步和科技发展的三大支柱之一，

5、其 抽象化、能行性、机械性、自动化、构造性等 特征已经在指导社会实践中得到充分的验证。三、计算机网络中的计算思维计算机网络是指将地理位置分散的、具有独立功能的计算机，通过网络协议连接成能够分享软硬件资源的集合。经过长时间的发展，计算机网络的体系构造和组网技术已经非常成熟，基于计算机网络的应用也非常丰富。计算机网络对国家的经济建设、国防建设以及人们的日常生活和思维方式产生了宏大影响。计算机网络为什么会有如此大的影响力？这是由于，计算机网络从产生和发展到网络体系构造的构成，再到网络协议标准的制定等，都潜藏着计算思维的影子。因而，本文将从计算机网络课程教学内容中开掘一些计算思维的思想和方式方法，为今

6、后在教学中培养计算思维提供参考。一分层思想具体表现出计算思维的约简方式方法计算思维在解决一些从未解决的困难问题时，通过约简、嵌入、转化和仿真等方式方法，转化为一个人们已经知道其解决方案的问题，进而有效地化解了难题。分层思想是计算思维约简方式方法在计算机网络中的详细具体表现出，它对计算机网络技术的影响很大。计算机网络体系构造就是通过分层思想解决众多复杂问题的典范，它将计算机技术和通信技术等众多复杂问题分类化简成独立的、容易的小问题，然后分别解决并构成独立的功能。在数据交换机技术中，分层思想具体表现出为把报文拆分成更小的分组，用分组交换技术代替报文交换技术，进而减少存储转发时延，提高传输效率。除此

7、之外，组网时根据网络设备的不同作用和功能，能够将一个网络划分为接入层、会聚层和核心层，同样具体表现出了计算思维的简约思想。对于数据链路层、网络层和传输层对应的数据单元，能够根据分层思想划分出不同意义的字段空间。另外，IP 地址的组成构造也具体表现出了分层思想。二计算思维并行处理的思想在网络中的具体表现出要提高计算机网络中通信线路和网络设备的利用率，加强信息的传输效率，需要采取各种网络技术和方式方法，对网络中的数据流实现并行处理，并行处理思想在网络各个层次中都有所具体表现出。在物理层，信道复用技术使用复用器将多路用户信息聚合成高速信号在单一的线路上进行传输，然后使用分用器将收到的高速信号分给相应

8、的用户。网络设备的接口以全双工的方式来传输高速信号信息，这样就实现了信号数据的并行处理，提高了通信线路和网络设备的利用率。在数据链路层，交换机的使用将一个物理信道划分为多条虚拟的信道，能够保证多个用户并行收发信息且互不干扰。在网络层，分组交换技术和存储转发技术能够保证非即时性的突发数字数据并行处理。分组数据是由数据报文拆分成的非常小的数据块，它在存储转发的经过中占用的存储空间小，转发时延短，进而能够实现网络层的并行处理。在传输层和应用层，传输层为应用进程提供端到端的传输服务和逻辑信道。应用层主要面向网络应用程序的使用，这两层并行处理的对象都为进程，无论是计算机的操作系统还是网络设备的操作系统对

9、于进程的并行处理都已构成成熟的机制。三计算机网络中的递归思想递归的认识是从斐波那契数列、汉诺塔等问题开场，经过数学家的研究，递归算法在当代科学的多个领域都有直接的应用。根据邱奇-图灵论点，一切能够计算的函数都是递归函数。这实际上是将递归算法上升到思想的高度，递归思想已经成为计算思维的重要组成部分。递归思想在计算机网络中的表现有很多方面。例如，OSI 参考模型将计算机网络分成七层，网络中各结点根据协议实现对等层之间的通信。不同层次的构成是通过不同层次的协议字段封装实现的，下层通过封装加上了实现本层功能的信息，同时包含了上层数据单元的信息。在通信的经过中，发送信息节点将原始数据从高层到低层一次次地

10、封装，最后将封装后的数据信息发送到传输线路上；接收信息节点收到来自传输线路上的信息后，将数据信息从底层到高层一次次地解封装，最后复原出原始信息。在整个通信经过中，反复进行的封装和解封装这两个互逆的经过实际上就是递归经过。除此之外，在计算机网络中，当本地 DNS 服务器对用户的域名解析请求无法直接回复时， 递归查询 解析就会启动。也就是讲，在本地 DNS 服务器上查询不到用户要求的域名和 IP 地址对应列表时，本地 DNS 服务器就会自动递归到上级 DNS 服务器查询，然后将查询结果返回并保存到本地 DNS 服务器的解析列表中。四广播技术具体表现出了计算思维的穷举方式方法穷举法是靠 蛮力 直接简

11、单地解决问题的方式方法，即在问题求解经过中，只要确定了问题解的空间范围，就可依靠穷举法这种简单的逐一测试办法找到问题的解。由于计算机网络拥有运算速度快的优势，穷举法成为计算机网络中非常有用的方式方法。计算机网络中的广播技术就是穷举法的详细应用。例如，在一个以太网中，源主机必须知道目的主机的 MAC 地址才能与未知的目的主机实现通信。那么，如何才能获取目的主机的 MAC 地址呢？首先，源主机利用 ARP 协议地址解析协议向以太网中发送含有目的主机 IP 地址的 ARP 协议广播数据包，以太网内的其他主机都能够收到源主机发出的广播数据包，直到目的主机收到 ARP 协议广播包后就会响应源主机的请求，

12、把自个的 MAC 地址告诉对方以实现通信。在上述经过中，利用 ARP 协议广播的经过就是从网络的未知主机中穷举出目的主机的经过。除此之外，其他如网络层 IP 协议通过发送广播地址的方式寻找默认网关、DNS 服务器地址、DHCP 服务器地址以及动态路由协议进行路由选择等经过，本质上都是利用穷举法实现目的的经过。五计算机网络的可靠性保障机制具体表现出了计算思维计算思维根据预防、保卫的方式维护系统，并通过冗余、容错和纠错方式，在最坏的情况下进行系统恢复，进而保证系统的可靠性。计算机网络的可靠性保障机制就是根据这样的方式，在网络部分节点发生故障的情况下，仍然能够通过冗余线路为用户提供服务，同时使网络迅

13、速恢复到正常的稳健状态。这种机制具体表现出在计算机网络的很多方面，我们从错误过失控制、安全性控制和加强适应性三个方面进行讨论。在错误过失控制方面，计算机网络主要进行两种类型的控制：一是对信息传输经过中出现的错误进行控制，二是对由于网络信道拥塞造成的数据丢失进行控制。第一类控制主要通过提高线路和传输设备的性能和质量以及在数据链路层采取纠错的方式方法来实现。比方，大量采用光纤作为传输媒介，就会大大降低数据传输的错误率。第二类控制主要通过传输层 TCP 协议的流量控制及拥塞控制来实现。比方，通过 TCP 协议的窗口滑动机制能够随时根据接收方的处理能力和网络的处理能力选择一个最适宜的发送速率，同时，对

14、于由于网络长时间拥塞而导致丢失的数据能够采取重传措施，进而有效保障了网络的可靠性。在安全性控制方面，计算机网络是从物理和逻辑两个角度入手：一是通过增加冗余线路、冗余设备和增加备份电源的方式，保证计算机网络物理属性的安全；二是对接入层、会聚层和核心层分别采取设置安全访问控制列表、进行管理身份认知和强迫密钥受权等措施，三管齐下保障计算机网络逻辑属性的安全。加强网络的适应性实际上是计算机网络对于新趋势、新技术、新理念的适应能力。比方，对于当下 IPV4 地址池出现干涸的问题，通过采用 NAT 技术地址转换技术以及 IPV6 地址版本就能够从根本上解决。另外，对于当下网络用户要求 人性化 服务的新趋势

15、，计算机网络广泛采用了 WEB2.0 技术，进而推动了网络应用互动水平的提高。四、在计算机网络课程教学中培养学生的计算思维要把计算机网络课程打造成一个培养计算思维的平台，首先要对计算思维的本质做到全面的分析，开掘潜藏在计算网络中的计算思维和方式方法，并从教学内容组织和实验设计方面进行教学改革。一教学内容组织要在计算机网络课程教学中组织和呈现相应的教学内容，从 导出问题，寻求思路，进而引出解决方式方法，或得出实现方式方法的角度 入手是一个好的办法。根据这样的组织构造施行教学，能够使详细的教学经过成为问题的解决经过。比方，老师在讲解网络协议时，能够先引入 在计算机网络中，不同型号、不同厂商、不同操

16、作系统的计算机怎样实现通信 这一问题，其解决思路是在它们之间设计一个共同遵守的规则程序，有了这个程序就能够辨别不同计算机的信息，最后通过这个程序的 翻译 实现它们之间的通信，进而能够推出网络协议的详细理论讲解。二实验设计网络实验是通过实践验证学生网络理论知识的重要教学环节。学生通过亲身应用网络技术验证网络的知识，锻炼计算思维在网络中的应用。以培养计算思维为目的的网络实验设计应当从网络理论知识、网络技术和计算思维三个方面入手，循序渐进。首先，设计一些简单的基础性实验，并讲清楚步骤、结果和华而不实蕴含的思维。通过实验，使学生加深对理论知识的理解。其次，设计综合性实验，提高学生使用网络工具和应用网络

17、技术的能力。老师能够把实验中需要的网络设备和连接方式以及所用的网络技术告诉学生，让他们动手去实验功能。再次，通过构造性试验，使学生能够自主地运用计算思维的方式方法，建立有效的数学模型，构建和设计实验经过，了解运用计算思维方式方法处理问题的经过3.比方，老师只给出特定环境的网络需求，让学生考虑后建立网络拓扑模型，写出网络配置步骤，最后给出结果。五、结束语在计算机网络课程中培养学生的计算思维，是大学计算机教育改革的重要内容。本文解读了计算思维的概念，具体分析了计算思维在计算机网络中的应用和具体表现出，并以解决网络问题为导向，从教学内容组织和实验设计两个方面对课程教学改革做了初步讨论，以期为推进我们国家的计算机网络课程教育改革提供参考。