关注点分离在计算机网络课程教学中的教学培养

  关注点分离在计算机网络课程教学中的教学培养实践摘要:将计算思维中的关注点分离思维引入到课程教学过程,有利于打破传统教学与学习的思维方式。以计算机网络课程为例,从功能划分和逐步细化两个方面讲述在课程中的教学培养实践,融合在教学改革过程中,能够很好地培养学生的计算思维能力,提升学生解决问题的能力。关键词:关注点分离;计算思维;计算机网络中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)17-0222-022006年,卡内基梅隆大学计算机科学系主任周以真教授提出了计算思维的教育理念[1]。她指出: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。典型的方法有[2]:约简、嵌入、仿真、递归、转化、并行、启发式推理、平衡与折中以及预防、保护、冗余纠错等。关注点分离作为计算思维的核心思想,是一种处理复杂问题的方法,其实质是采用抽象和分离的方法分析复杂问题,采用分而治之的思维方法分析和解决问题。计算机网络课程作为大学计算机相关专业中的一门重要的专业基础课,是一门理论与工程实践紧密结合的典型课程。目前对计算机网络教学过程的研究主要集中在教学与实验内容教学方法与优化等改革方面[3-5],对于如何在课程中实现关注点分离等计算思维的思维方法的教学较少涉猎。一、关注点分离基于关注点分离(SOC:separation of concerns)是计算思维中最重要的原则之一,通常以分而治之的方式出现。在实际问题处理过程中,由于关注点混杂在一起会导致复杂性大大增加,所以能够把不同的关注点分离开来,分别处理就是处理复杂性的一个原则和一种方法,一般从功能划分与逐步细化两个角度的关注点分离实现子问题等的独立性。在具体的使用过程中,可以综合使用两者也可以分别使用,进而实现关注点分离。通过功能划分来分离关注点。一般来讲,功能是对象能够满足某种需求的一种属性。系统是由一系列不同功能组件组合而成,当不同功能的组件合理的分离或者组合后,构造成新的功能载体,从而使得对象具有新的功能。每个功能组件具有高度的相对独立性。通过逐步细化来分离关注点。将遇到的实际问题经过抽象(细化)处理,最后只是一些较为简单的算法描述与实现问题,充分细化的结果将会是功能单一、容易实现的功能模块,从而实现关注点的分离。二、计算机网络课程中关注点分离的培养实践计算机网络这门课程的理论性比较强,要求学生对课程中的概念要理解深入、理解透彻。这门课程不仅面向计算机专业,还面向电子、自动化等多个工科专业。在教学过程中,加强计算思维的培养,利用关注点分离的思维方式进行课程的讲授与学习是当前课程教学改革需要考虑的问题。在《计算机网络》课程中数据链路层这一章,讲到数据链路层的主要功能是将一条原始的、有差错的物理链路变为对网络层无差错的数据链路,将源网络层来的数据可靠地传输到相邻结点的目标网络层。为了实现此层的主要功能,划分为四个部分的功能:①将二进制的比特流组合成本层的PDU,即帧在物理信道上的传输;②处理传输过程中的差错;③调节发送速率以使之与接收方相匹配;④在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。在给学生讲述这部分内容时,通过关注点分离将整个链路层的整个功能通过分治法把一个大的、难以解决的大问题,分解成一些功能规模较小的子问题,以便各个击破;通过功能划分将大的功能分解为若干个小的功能;如果子问题还比较大,可反复进行功能划分,直到最后的子问题能够直接得出结果。这个利用关注点分离的功能划分过程同时也是计算思维中递归的思维解决问题的方式。在网络中,有连续地址的编址方法与层次地址的编址方法。局域网Ethernet的MAC地址属于连续地址的编址方法,不包含位置信息,只能将不同的结点区别开来,这种编址方式比较简单,能力有限,不适用于互联网络环境。在网络层这一章中,IP地址是非常重要的教学内容,IP地址体现了层次化的编址方法,层次地址的编址方法体现了关注点分离逐步细化的思维方式。根据网络规模的大小,IP地址分为A、B、C、D和E五类。如图1所示。每个IP地址由网络号+主机号组成,A类地址的最高位是0,B类地址的最高位是10;C类地址的最高位是110;D类地址的最高位是1110;E类地址的最高位是11110;分别将网络号部分的最高位逐步细化得到不同类别的IP地址,从而得到不同类别的主机地址范围。在讲述这部分内容时,告诉学生这样的逐步细化得到不同网络地址即是计算思维中关注点分离的逐步细化,使得学生理解逐步细化的过程与思路,从而理解并掌握关注点分离的思维方式。计算机网络中很多内容综合体现功能划分与逐步细化的关注点分离的思维方式。网络系统系结构[6]是计算机网络课程中的核心章节,非常好地体现了关注点分离的思维方式。常用的网络体系结构有OSI参考模型和TCP/IP模型,在这里以TCP/IP模型为例,模型图以及每层的协议如图2、图3所示。在网络的体系结构中,将网络分成若干个层次,各层实现一定的功能,层与层之间相互独立,各层之间将接口标准化,允许不同的产品只提供各层功能的一部分某一层不需要知道它的下一层是如何实现的,而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能,因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题,这样,整个问题的复杂度就下降了。在每一层中,将功能逐步细化,每层的功能由不同协议来完成,有更多的精力讨论和学习协议的规范细节,减少了耦合度,让功能划分与细化更加易于实现。网络体系结构与网络协议的概念是网络技术中最基本的问题,关注点分离体现着处理网络问题最基本的方法。在学生学习过程中,网络体系结构与网络协议的概念,以及对网络问题处理的基本方法的理解,是构成整个网络知识结构的基石。三、结束语关注点分离是计算思维中处理复杂问题的系统思维方法和原则,在计算机网络课程中有着重要的方法论意义。本文探讨了计算思维中的关注点分离思维方式,以计算机网络的部分教学内容为例,介绍了关注点分离方法为方法导向的培养实践。经过教学实践,围绕关注点分离特性,融合在教学改革过程中,能够很好地培养学生的计算思维能力,提升学生解决问题的能力。我们将在计算机网络课程以及其他课程中探索关注点分离在计算思维培养过程中的培养内容、方案。参考文献:[1]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM,2006,49(3).[2]李廉.计算思维——概念与挑战[J].中国大学教学,2012,(1).[3]洪允德,高强.计算机网络安全课程实验教学探索[J].中国教育技术装备,2014,(22).[4]张宁,赵亦松,苏利敏,薛永毅,张雪芬.面向应用型人才培养的计算机通信与网络课程教学改革[J].计算机教育,2015,(15).[5]万宇文,黄林颖.计算机网络课程教学改革与实践[J].计算机教育,2014,(13).[6]肖锋.计算机网络[M].北京,科学出版社,2012.08.

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