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1、计算机网络课程教学中科学思维的培养 文章提出一种在计算机网络课程的教学中培养学生科学思维能力的教学方法。该方法将“猜想验证思考”这三个教学实践环节贯穿计算机网络课程教学的始终，在不同阶段，有意识有重点地培养和训练学生的各种科学思维能力。该教学方法将网络知识的传授过程变为“科学发现”和“科技创新”的过程，在教学实践中取得了较好的效果。 谢钧，男，副教授，研究方向为计算机网络；陈鸣，男，教授，研究方向为计算机网络、分布式计算；刘鹏，男，讲师，研究方向为计算机网络；岳淑贞，女，助教，研究方向为计算机网络、教育技术学。 高等教育的总目标是传承知识、开发智力、培养能力、提高素质。在传授知识的同时，更为重
2、要的是要教给学生“掌握知识、分析问题和解决问题的方法”。授人以“鱼”，不如授人以“渔”，其核心就是教师应当教会学生科学思维的方法。然而，科学思维的方法并不能通过一门专门的课程让学生掌握，对科学思维的培养需要在各种认知实践中进行，需要将对学生进行科学思维方法的训练贯穿于各主干课程教学的始终。 计算机网络课程不仅是计算机专业主干课程，也是通信与信息类专业重要的必修课。该课程是一门理论与实践、软件和硬件相结合的课程，是将理论原理运用在工程实践当中的典型专业课程。目前对计算机网络教学的研究主要集中在实践教学内容、方法及手段的改革等方面1-3，而对于如何在计算机网络教学中培养学生的科学思维方法则较少讨论
3、。将科学思维方法的教育贯穿计算机网络课程教学始终，必将有效地促进高校学生分析解决问题、动手实践及创新等能力的提高。 1培养科学思维的三个重要教学环节 科学方法与科学思维产生于科学技术的认识和实践过程中4，对学生科学方法与科学思维培养和训练的最好方法就是让学生亲身经历这一过程。其中的三个基本实践环节是对问题的猜想、事实的验证和 理性的思考。在计算机网络课程教学中，将“猜想验证思考”三个环节贯穿课程教学始终，在不同阶段有意识、有重点地培养和训练学生的科学思维能力，即可将网络知识的传授过程变为“科学发现”和“科技创新”的过程，变为对学生进行科学思维和科学方法有效训练的过程。 如图1所示，这三个教学环
4、节可具体细分为提出问题分析问题提出方案验证方案思考总结发现问题，形成一个完整闭合的“科学研究”的实践过程。为此，先要选择合适的研究性问题，学生在课前利用已学知识，对这些问题分析并进行创新思维，大胆提出自己的解决方案，完成“猜想”环节。“验证”环节包括理论验证和实验验证。在理论验证环节，教师在理论课上重点分析各种解决方案的优缺点，提出正确的解决方案并分析其原理，引导学生用理论来验证自己的想法。在实验环节中，教师要设计合理的实验内容，在锻炼学生动手实践能力的同时培养学生用所学理论指导实践的能力，并通过实验验证理论课中的原理，从而加深理解。思考总结阶段包括课堂教师总结和引导学生课后思考两个环节，重点
5、培养学生归纳总结和综合分析思维能力。为进一步激发学生主动学习的热情，在每章可挑选出一个典型的研究性问题作为研讨题目，通过研讨式教学，让学生的各种创新思想进行充分碰撞，激发学生的辩证思维和发散思维。 图1培养科学思维的三个重要实践环节 2科学思维培养过程 下面详细介绍在计算机网络原理课程各教学实践环节中进行科学思维培养和训练的具体方法。 2.1在问题猜想阶段激发学生的形象思维和创新思维 问题猜想阶段的关键在于选好合适的问题，以驱动学生去思考，变传统的被动学习为主动学习和研究性学习。问题过大过难，就达不到启发的效果，并会挫伤学生主动思考的积极性，问题太浅会让学生觉得没有挑战性。问题最好是起点低但又
6、有一定的深度和思考的空间。由于形象思维具有形象性、发散性和贴近生活的特点，使某些高度抽象的理论容易理解，因此，在“猜想”阶段应启发学生多运用形象思维。 例如计算机网络中的“协议”概念，一开始学生往往觉得太抽象，不好理解。可先布置一道预习思考题“设计一个两个人通过手电筒直接传递信息的方案”。首先，在思考该问题时，学生需要创造性提出设计方案，激发了学生的创新思维。其次，让学生感到协议并不抽象，消除了对计算机网络的神秘感和畏惧感。 再如，在讲授媒体访问控制协议之前，可以布置这样一个课堂讨论题“想象一个蒙眼睛的圆桌会议，类似的设计一种方案使得多台计算机连接在同一条电缆上可以互相正确通信”。 教师在布置
7、问题时要把握以下两点一是要有提示和铺垫，让学生充分理解要解决的问题是什么。例如上例中要学生清楚问题的关键在于多台计算机同时发送数据会冲突，必须避免冲突。二是既要鼓励学生发散思维和大胆猜想，又要启发学生向大致正确的方向思考。例如可以启发学生思考以下问题在圆桌会议中是否可以设一个主持人？是否可以规定每个人的发言次序，进行轮流发言？当人比较少时，可否随意发言？如果两个人同时发言了怎么办？能否想办法减少冲突的可能性？ 2.2在课堂讨论阶段激发学生辩证思维和发散思维 为进一步激发学生的学习兴趣，增加参与度，可多以讨论课的形式组织教学。在讨论中通过横向延拓和纵向深入，开阔学生眼界，培养学生思维的广阔性和深
8、刻性；在讨论中，学生相互切磋、借鉴，师生之间的互动，促使学生从多个角度审视问题，培养了学生的辩证思维和创新思维；在研讨交流中，通过教师的指导评价、同学间的互评、学生的自评，使学生的创新思维活动得到了及时的指导和评价，有助于学生良好创新思维素质的形成和发展。同时，研讨式教学还有助于提高学生的表达总结能力。 我们在计算机网络课堂讨论教学中的实施方法具体如下 每4人组成一个学习研讨小组，每人轮流担任组长。 每章安排一次讨论课，课前两周布置讨论题目。 学生根据教师提供的材料和思考的问题做好充分的准备工作，课下以研讨小组为单位进行研究讨论，并在课前提交一份PPT演讲稿(510分钟)；
9、 教师根据学生提交的演讲稿选择23个小组上台演讲； 课堂上，教师引导学生对演讲内容进行讨论，分析其中存在的问题和提出解决办法； 教师对学生的观点进行评价。 研讨题目的选择对于讨论课的成功与否至关重要，适合研讨的题目主要有4类 较难的课前预习思考题，如媒体访问控制、路由选择等； 开阔视野的课外学习类题目，可补充教材中缺少但又比较重要的内容，锻炼学生自学和查找资料的能力，如P2P文件分发； 有助加深理解的课后思考题，如如何修改RIP协议彻底解决无穷计数问题？ 充分发挥学生想象
10、力和创新性的开放性题目，如构思一种与众不同的网络应用。 另外，要充分肯定学生的创新。学生提出的解决方案往往是漏洞百出、稀奇古怪，教师要尽可能从中找出可取之处，在让他们正确认识到自己的不足的同时，充分肯定他们的创新性，给他们成就感，从而激发其学习和研究的兴趣，增强他们的创新思维。 2.3在理论验证阶段培养学生的抽象思维和逻辑思维 经过“猜想”阶段对问题的充分思考和发散思维，课堂理论讲授就变为学生主动地对“猜想”进行理论“验证”的阶段，成为由形象思维转向抽象思维的网络概念的建立阶段。这一阶段应重点把握好以下几点 一是问题驱动的启发式教学。由于核心问题已作为预习思考题布置给学生，学生已对该问题有了充
11、分的思考和自己的认识，授课时应多以问题为驱动，引导学生自己将正确的答案讲出来。例如，在讲解CSMA/CD原理时，连续通过以下问题启发学生随意发送数据会不会导致冲突？如何尽量避免冲突？先听后发能否彻底避免冲突？发生冲突怎么办？能否立即重传？应该等待多长时间再重传？逐步深入引出最终的结论。在此过程中学生不断在教师的引导下矫正自己的“猜想”，实现师生在思维上的互动。没有此前“猜想”阶段的充分思考，学生很难有时间思考教师课堂临时提出的问题，则难以达到启发学生主动思考的目的。 二是引导学生进行抽象思维和逻辑思维。由感性认识到理性认识的升华必须通过抽象思维和逻辑思维。在教学过程中训练学生这两种思维非常重要
12、。在启发阶段，应多引导学生运用形象思维。例如，复杂的原理可利用动画帮助学生理解。但要真正掌握网络的概念和原理，最终要通过抽象思维和逻辑思维。例如在讲解路由选择协议时，在启发“猜想”阶段可让学生想象自己就是一个路由器，仅知道直接连接的网络和相邻的路由器，让学生思考如何通过互相交谈来知道所有其他网络和到这些网络的最佳路由。启发了学生的思路后，最终讲解距离向量算法时，要让学生运用抽象思维将网络抽象为图模型，并利用Bellman-Ford方程来思考路由选择问题。在这一过程中，教师应有意识地训练学生抽象思维的能力。 2.4在实验验证阶段培养学生的动手能力和演绎归纳思维 实验教学一直是计算机网络课程教改的
13、热点，其目的是通过动手实践加深对原理的理解，同时掌握网络的基本操作。在此过程中培养学生的动手能力，使学生掌握科学的实验方法，并能在实践中学会运用科学思维。在科学思维培养方面应重点把握好以下几点 一是引导学生理论指导实践，培养演绎思维能力。预习报告中除了要求学生拟定实验步骤外，还要利用理论知识预测实验结果，并在实验中验证自己的“猜想”是否正确。如不正确，再利用理论知识分析并解释实验结果。例如在“交换机、集线器、ARP”实验中要求在PacketTracer中配置图2所示的网络。开始各主机没有发送任何报文，这时若PC4发送IP报文给PC0，问各主机会收到些什么报文？并验证自己的结论。分析其中的原因。
14、通过该实验，学生经过了预测、验证、分析、总结，加深了对原理的理解、提高了运用理论指导实践的能力。 图2“交换机、集线器、ARP”实验图例 二是注重过程，引导学生在实验过程中运用理论知识分析问题、解决问题。学生在网络配置操作的过程中可能操作不慎导致错误结果。这时应抓住机会引导学生利用原理分析问题的原因，通过实验步骤逐步排除问题，而不是直接告诉正确的答案。例如，在路由选择实验中学生往往忘记配置主机连接属性中的默认网关。当出现问题时，学生可能会问为什么路由器的RIP协议配置好了可主机就是PING不通？可用以下问题启发学生当IP报文的目的主机不在本网中，主机应将报文发给谁？主机怎么知道该路由器？在实验
15、过程中出现问题往往是好事，教师应多让学生独立解决，以锻炼他们分析问题、解决问题的能力。 三是引导学生在实验过程中运用归纳思维总结实验现象，发现规律和知识。理论课中讲的是基本原理，而在实验过程中学生往往会发现一些在理论课中没有讲过的情况。教师应鼓励学生在实验过程中运用归纳思维总结实验现象，发现规律和知识，或课后在网上查询相关资料解决问题。例如，利用Wireshark分析报文格式和观察TCP报文流的行为特征等。 2.5在课后思考阶段培养学生的质疑思维 质疑思维是科学研究中的必备素质。有时提出问题比解决问题更重要。在“猜想”阶段是教师提出问题让学生“猜想”，以问题驱动的方式讲授课堂内容。课后思考阶段
16、应充分鼓励学生进行质疑思维，大胆提出问题，并进行研究和分析，最后解决问题。例如，在讲完距离向量算法后，让学生课下思考用水平分割来解决无穷计数问题是否还存在问题？会出现哪些问题？原因是什么？若从路由器间通告信息的内容上来考虑,如何彻底解决该问题等。 2.6在课堂总结中注意培养学生的系统思维能力 系统思维要求把研究对象作为系统来认识，即始终把研究对象放在系统之中加以考察和把握。计算机 网络是一个极其复杂的系统，各个知识点都是相互联系的。学习计算机网络的过程就是在学员的知识空间“构建”计算机网络体系的过程。因此，在授课中应强调每个知识点在整个体系结构中的位置和作用，以及与其他知识点之间的关系。在授课
17、过程中，通过阶段性总结帮助学生将各章的内容关联起来，建立起计算机网络某一层的知识结构，然后再放入到整个网络体系结构去，这样学生掌握的就是一个复杂的计算机网络系统，而不仅仅是一些零散的知识点和技术原理，并且学生在此过程中学会了运用系统思维方式来思考问题。 3结语 科学思维的培养和训练是一个长期的过程，需要在一系列的认知活动的实践中才能被真正掌握。因此，需要将科学思维的训练贯穿于各主干课程教学的始终。笔者根据多年的教学经验，就如何在计算机网络课程的教学中培养学生的科学思维能力，进行了大胆探索和尝试。将科学思维的“猜想验证思考”三个实践环节贯穿计算机网络教学的始终，在不同阶段有意识、有重点地培养和训练学生的科学思维能力。将网络知识传授的过程变为“科学发现”和“科技创新”的过程，变为对学生进行科学思维有效训练的过程。 第 12 页