计算机网络教学中学生计算思维的培养
计算机网络教学中学生计算思维的培养
一、引言
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。在这门课程的教学过程中
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。周以真教授认为，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刻分析，才能掌握它的含
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应形式。具体来说，思维是人脑对客观事
物的一种概括、间接的反应，它体现了客观事物的本质和规律。从思维的定义可以看出，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知到借助
于语言的抽象概括构成了思维活动。按照思维的形成和应用领域，思维可以分为科学思维和日
常思维。显然，作为涵盖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，也就是说它是人的思维。从人类认识世界和
改造世界的思维方式出发，科学思维可以分为理论思维、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、判断等方法对客观世界的认识过程，
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过程归纳出自然
规律的方法，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，通过具体的算法来构造和解决具体问题。
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体
现出来的，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、精确和可
控地实现从思想到产品整个过程的能力，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体现。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。其中，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策略如穷举法、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。当前，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，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共享软
硬件资源的集合。经过长时间的发展，计算机网络的体系结构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
和思维方式产生了巨大影响。计算机网络为什么会有如此大的影响力？这是因为，计算机网络
从产生和发展到网络体系结构的形成，再到网络协议标准的制定等，都潜藏着计算思维的影
子。因此，本文将从计算机网络课程教学内容中发掘一些计算思维的思想和方法，为今后在教
学中培养计算思维提供参考。
（一）分层思想体现计算思维的约简方法
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、转化和仿真等方法，转化为一
个人们已知其解决方案的问题，从而有效地化解了难题。分层思想是计算思维约简方法在计算
机网络中的具体体现，它对计算机网络技术的影响很大。计算机网络体系结构就是通过分层思
想解决诸多复杂问题的典范，它将计算机技术和通信技术等诸多复杂问题分类化简成独立的、
容易的小问题，然后分别解决并形成独立的功能。在数据交换机技术中，分层思想体现为把报
文拆分成更小的分组，用分组交换技术代替报文交换技术，从而减少存储转发时延，提高传输
效率。此外，组网时根据网络设备的不同作用和功能，可以将一个网络划分为接入层、汇聚层
和核心层，同样体现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，可以根据分层思想划分出不同意义的字段空间。另外，IP 地址的组成结构也体现了分层思
想。
（二）计算思维并行处理的思想在网络中的体现
要提高计算机网络中通信线路和网络设备的利用率，增强信息的传输效率，需要采取各种网络
技术和方法，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体现。
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，可以保证多个用户并行
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可以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，它在存储转发的过程中占用的存储空间小，转发时
延短，从而可以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
的操作系统对于进程的并行处理都已形成成熟的机制。
（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、汉诺塔等问题开始，经过数学家的研究，递归算法在现代科学
的多个领域都有直接的应用。根据邱奇-图灵论点，一切可以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
点按照协议实现对等层之间的通信。不同层次的形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。在通信的过程
中，发送信息节点将原始数据从高层到低层一次次地封装，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，最后还原出原始信息。在整个通信过程中，反复进行的封装和解封装这两个互逆的过程
实际上就是递归过程。此外，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。也就是说，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）广播技术体现了计算思维的穷举方法
穷举法是靠"蛮力"直接简单地解决问题的方法，即在问题求解过程中，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法。计算机网络中的广播技术就是穷举法
的具体应用。
例如，在一个以太网中，源主机必须知道目标主机的 MAC 地址才能与未知的目标主机实现通
信。那么，怎样才能获取目标主机的 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标主机 IP 地址的ARP 协议广播数据包，以太网内的其他主机都可
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计算机网络教学中学生计算思维的培养一、引言近年来，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。在这门课程的教学过程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SeymourPapert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。周以真教授认...
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作者：闻远设计
分类：其它行业资料
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时间：2024-03-05
