摘要：文章提出一種在計算機網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的教學(xué)方法。該方法將“猜想—驗證—思考”這三個教學(xué)實踐環(huán)節(jié)貫穿計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的始終，在不同階段，有意識有重點地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的各種科學(xué)思維能力。該教學(xué)方法將網(wǎng)絡(luò)知識的傳授過程變?yōu)椤翱茖W(xué)發(fā)現(xiàn)”和“科技創(chuàng)新”的過程，在教學(xué)實踐中取得了較好的效果。
　　關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；計算機網(wǎng)絡(luò)課程；教學(xué)方法；猜想；驗證；思考
　　 作者簡介：謝鈞，男，副教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)；陳鳴，男，教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式計算；劉鵬，男，講師，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)；岳淑貞，女，助教，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、教育技術(shù)學(xué)。
　　
　　高等教育的總目標是傳承知識、開發(fā)智力、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)。在傳授知識的同時，更為重要的是要教給學(xué)生“掌握知識、分析問題和解決問題的方法”。授人以“魚”，不如授人以“漁”，其核心就是教師應(yīng)當(dāng)教會學(xué)生科學(xué)思維的方法。然而，科學(xué)思維的方法并不能通過一門專門的課程讓學(xué)生掌握，對科學(xué)思維的培養(yǎng)需要在各種認知實踐中進行，需要將對學(xué)生進行科學(xué)思維方法的訓(xùn)練貫穿于各主干課程教學(xué)的始終。
　　計算機網(wǎng)絡(luò)課程不僅是計算機專業(yè)主干課程，也是通信與信息類專業(yè)重要的必修課。該課程是一門理論與實踐、軟件和硬件相結(jié)合的課程，是將理論原理運用在工程實踐當(dāng)中的典型專業(yè)課程。目前對計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的研究主要集中在實踐教學(xué)內(nèi)容、方法及手段的改革等方面[1-3]，而對于如何在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法則較少討論。將科學(xué)思維方法的教育貫穿計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)始終，必將有效地促進高校學(xué)生分析解決問題、動手實踐及創(chuàng)新等能力的提高。
　　1培養(yǎng)科學(xué)思維的三個重要教學(xué)環(huán)節(jié)
　　科學(xué)方法與科學(xué)思維產(chǎn)生于科學(xué)技術(shù)的認識和實踐過程中[4]，對學(xué)生科學(xué)方法與科學(xué)思維培養(yǎng)和訓(xùn)練的最好方法就是讓學(xué)生親身經(jīng)歷這一過程。其中的三個基本實踐環(huán)節(jié)是：對問題的猜想、事實的驗證和
　　
　　理性的思考。在計算機網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中，將“猜想—驗證—思考”三個環(huán)節(jié)貫穿課程教學(xué)始終，在不同階段有意識、有重點地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，即可將網(wǎng)絡(luò)知識的傳授過程變?yōu)椤翱茖W(xué)發(fā)現(xiàn)”和“科技創(chuàng)新”的過程，變?yōu)閷W(xué)生進行科學(xué)思維和科學(xué)方法有效訓(xùn)練的過程。
　　如圖1所示，這三個教學(xué)環(huán)節(jié)可具體細分為：提出問題→分析問題→提出方案→驗證方案→思考總結(jié)→發(fā)現(xiàn)問題，形成一個完整閉合的“科學(xué)研究”的實踐過程。為此，先要選擇合適的研究性問題，學(xué)生在課前利用已學(xué)知識，對這些問題分析并進行創(chuàng)新思維，大膽提出自己的解決方案，完成“猜想”環(huán)節(jié)。“驗證”環(huán)節(jié)包括理論驗證和實驗驗證。在理論驗證環(huán)節(jié)，教師在理論課上重點分析各種解決方案的優(yōu)缺點，提出正確的解決方案并分析其原理，引導(dǎo)學(xué)生用理論來驗證自己的想法。在實驗環(huán)節(jié)中，教師要設(shè)計合理的實驗內(nèi)容，在鍛煉學(xué)生動手實踐能力的同時培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)理論指導(dǎo)實踐的能力，并通過實驗驗證理論課中的原理，從而加深理解。思考總結(jié)階段包括課堂教師總結(jié)和引導(dǎo)學(xué)生課后思考兩個環(huán)節(jié)，重點培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)和綜合分析思維能力。為進一步激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，在每章可挑選出一個典型的研究性問題作為研討題目，通過研討式教學(xué)，讓學(xué)生的各種創(chuàng)新思想進行充分碰撞，激發(fā)學(xué)生的辯證思維和發(fā)散思維。
　　
　　圖1培養(yǎng)科學(xué)思維的三個重要實踐環(huán)節(jié)
　　
　　2科學(xué)思維培養(yǎng)過程
　　下面詳細介紹在計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程各教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中進行科學(xué)思維培養(yǎng)和訓(xùn)練的具體方法。
　　2.1在問題猜想階段激發(fā)學(xué)生的形象思維和創(chuàng)新思維
　　問題猜想階段的關(guān)鍵在于選好合適的問題，以驅(qū)動學(xué)生去思考，變傳統(tǒng)的被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。問題過大過難，就達不到啟發(fā)的效果，并會挫傷學(xué)生主動思考的積極性，問題太淺會讓學(xué)生覺得沒有挑戰(zhàn)性。問題最好是起點低但又有一定的深度和思考的空間。由于形象思維具有形象性、發(fā)散性和貼近生活的特點，使某些高度抽象的理論容易理解，因此，在“猜想”階段應(yīng)啟發(fā)學(xué)生多運用形象思維。
　　例如：計算機網(wǎng)絡(luò)中的“協(xié)議”概念，一開始學(xué)生往往覺得太抽象，不好理解?？上炔贾靡坏李A(yù)習(xí)思考題：“設(shè)計一個兩個人通過手電筒直接傳遞信息的方案”。首先，在思考該問題時，學(xué)生需要創(chuàng)造性提出設(shè)計方案，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。其次，讓學(xué)生感到協(xié)議并不抽象，消除了對計算機網(wǎng)絡(luò)的神秘感和畏懼感。
　　再如，在講授媒體訪問控制協(xié)議之前，可以布置這樣一個課堂討論題：“想象一個蒙眼睛的圓桌會議，類似的設(shè)計一種方案使得多臺計算機連接在同一條電纜上可以互相正確通信”。
　　教師在布置問題時要把握以下兩點：一是要有提示和鋪墊，讓學(xué)生充分理解要解決的問題是什么。例如上例中要學(xué)生清楚問題的關(guān)鍵在于多臺計算機同時發(fā)送數(shù)據(jù)會沖突，必須避免沖突。二是既要鼓勵學(xué)生發(fā)散思維和大膽猜想，又要啟發(fā)學(xué)生向大致正確的方向思考。例如可以啟發(fā)學(xué)生思考以下問題：在圓桌會議中是否可以設(shè)一個主持人？是否可以規(guī)定每個人的發(fā)言次序，進行輪流發(fā)言？當(dāng)人比較少時，可否隨意發(fā)言？如果兩個人同時發(fā)言了怎么辦？能否想辦法減少沖突的可能性？
　　2.2在課堂討論階段激發(fā)學(xué)生辯證思維和發(fā)散思維
　　為進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加參與度，可多以討論課的形式組織教學(xué)。在討論中通過橫向延拓和縱向深入，開闊學(xué)生眼界，培養(yǎng)學(xué)生思維的廣闊性和深刻性；在討論中，學(xué)生相互切磋、借鑒，師生之間的互動，促使學(xué)生從多個角度審視問題，培養(yǎng)了學(xué)生的辯證思維和創(chuàng)新思維；在研討交流中，通過教師的指導(dǎo)評價、同學(xué)間的互評、學(xué)生的自評，使學(xué)生的創(chuàng)新思維活動得到了及時的指導(dǎo)和評價，有助于學(xué)生良好創(chuàng)新思維素質(zhì)的形成和發(fā)展。同時，研討式教學(xué)還有助于提高學(xué)生的表達總結(jié)能力。
　　我們在計算機網(wǎng)絡(luò)課堂討論教學(xué)中的實施方法具體如下：
　　每4人組成一個學(xué)習(xí)研討小組，每人輪流擔(dān)任組長。
　　每章安排一次討論課，課前兩周布置討論題目。
　　?學(xué)生根據(jù)教師提供的材料和思考的問題做好充分的準備工作，課下以研討小組為單位進行研究討論，并在課前提交一份PPT演講稿(5～10分鐘)；
　　?教師根據(jù)學(xué)生提交的演講稿選擇2～3個小組上臺演講；
　　?課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生對演講內(nèi)容進行討論，分析其中存在的問題和提出解決辦法；
　　?教師對學(xué)生的觀點進行評價。
　　研討題目的選擇對于討論課的成功與否至關(guān)重要，適合研討的題目主要有4類：
　　?較難的課前預(yù)習(xí)思考題，如媒體訪問控制、路由選擇等；
　　?開闊視野的課外學(xué)習(xí)類題目，可補充教材中缺少但又比較重要的內(nèi)容，鍛煉學(xué)生自學(xué)和查找資料的能力，如P2P文件分發(fā)；
　　?有助加深理解的課后思考題，如如何修改RIP協(xié)議徹底解決無窮計數(shù)問題？
　　?充分發(fā)揮學(xué)生想象力和創(chuàng)新性的開放性題目，如構(gòu)思一種與眾不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
　　另外，要充分肯定學(xué)生的創(chuàng)新。學(xué)生提出的解決方案往往是漏洞百出、稀奇古怪，教師要盡可能從中找出可取之處，在讓他們正確認識到自己的不足的同時，充分肯定他們的創(chuàng)新性，給他們成就感，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)和研究的興趣，增強他們的創(chuàng)新思維。
　　2.3在理論驗證階段培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維和邏輯思維
　　經(jīng)過“猜想”階段對問題的充分思考和發(fā)散思維，課堂理論講授就變?yōu)閷W(xué)生主動地對“猜想”進行理論“驗證”的階段，成為由形象思維轉(zhuǎn)向抽象思維的網(wǎng)絡(luò)概念的建立階段。這一階段應(yīng)重點把握好以下幾點：
　　
　　一是問題驅(qū)動的啟發(fā)式教學(xué)。由于核心問題已作為預(yù)習(xí)思考題布置給學(xué)生，學(xué)生已對該問題有了充分的思考和自己的認識，授課時應(yīng)多以問題為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生自己將正確的答案講出來。例如，在講解CSMA/CD原理時，連續(xù)通過以下問題啟發(fā)學(xué)生：隨意發(fā)送數(shù)據(jù)會不會導(dǎo)致沖突？如何盡量避免沖突？先聽后發(fā)能否徹底避免沖突？發(fā)生沖突怎么辦？能否立即重傳？應(yīng)該等待多長時間再重傳？逐步深入引出最終的結(jié)論。在此過程中學(xué)生不斷在教師的引導(dǎo)下矯正自己的“猜想”，實現(xiàn)師生在思維上的互動。沒有此前“猜想”階段的充分思考，學(xué)生很難有時間思考教師課堂臨時提出的問題，則難以達到啟發(fā)學(xué)生主動思考的目的。
　　二是引導(dǎo)學(xué)生進行抽象思維和邏輯思維。由感性認識到理性認識的升華必須通過抽象思維和邏輯思維。在教學(xué)過程中訓(xùn)練學(xué)生這兩種思維非常重要。在啟發(fā)階段，應(yīng)多引導(dǎo)學(xué)生運用形象思維。例如，復(fù)雜的原理可利用動畫幫助學(xué)生理解。但要真正掌握網(wǎng)絡(luò)的概念和原理，最終要通過抽象思維和邏輯思維。例如：在講解路由選擇協(xié)議時，在啟發(fā)“猜想”階段可讓學(xué)生想象自己就是一個路由器，僅知道直接連接的網(wǎng)絡(luò)和相鄰的路由器，讓學(xué)生思考如何通過互相交談來知道所有其他網(wǎng)絡(luò)和到這些網(wǎng)絡(luò)的最佳路由。啟發(fā)了學(xué)生的思路后，最終講解距離向量算法時，要讓學(xué)生運用抽象思維將網(wǎng)絡(luò)抽象為圖模型，并利用Bellman-Ford方程來思考路由選擇問題。在這一過程中，教師應(yīng)有意識地訓(xùn)練學(xué)生抽象思維的能力。
　　2.4在實驗驗證階段培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和演繹歸納思維
　　實驗教學(xué)一直是計算機網(wǎng)絡(luò)課程教改的熱點，其目的是通過動手實踐加深對原理的理解，同時掌握網(wǎng)絡(luò)的基本操作。在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，使學(xué)生掌握科學(xué)的實驗方法，并能在實踐中學(xué)會運用科學(xué)思維。在科學(xué)思維培養(yǎng)方面應(yīng)重點把握好以下幾點：
　　一是引導(dǎo)學(xué)生理論指導(dǎo)實踐，培養(yǎng)演繹思維能力。預(yù)習(xí)報告中除了要求學(xué)生擬定實驗步驟外，還要利用理論知識預(yù)測實驗結(jié)果，并在實驗中驗證自己的“猜想”是否正確。如不正確，再利用理論知識分析并解釋實驗結(jié)果。例如：在“交換機、集線器、ARP”實驗中要求在PacketTracer中配置圖2所示的網(wǎng)絡(luò)。開始各主機沒有發(fā)送任何報文，這時若PC4發(fā)送IP報文給PC0，問各主機會收到些什么報文？并驗證自己的結(jié)論。分析其中的原因。通過該實驗，學(xué)生經(jīng)過了預(yù)測、驗證、分析、總結(jié)，加深了對原理的理解、提高了運用理論指導(dǎo)實踐的能力。
　　
　　圖2“交換機、集線器、ARP”實驗圖例
　　二是注重過程，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中運用理論知識分析問題、解決問題。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)配置操作的過程中可能操作不慎導(dǎo)致錯誤結(jié)果。這時應(yīng)抓住機會引導(dǎo)學(xué)生利用原理分析問題的原因，通過實驗步驟逐步排除問題，而不是直接告訴正確的答案。例如，在路由選擇實驗中學(xué)生往往忘記配置主機連接屬性中的默認網(wǎng)關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)問題時，學(xué)生可能會問為什么路由器的RIP協(xié)議配置好了可主機就是PING不通？可用以下問題啟發(fā)學(xué)生：當(dāng)IP報文的目的主機不在本網(wǎng)中，主機應(yīng)將報文發(fā)給誰？主機怎么知道該路由器？在實驗過程中出現(xiàn)問題往往是好事，教師應(yīng)多讓學(xué)生獨立解決，以鍛煉他們分析問題、解決問題的能力。
　　三是引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中運用歸納思維總結(jié)實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和知識。理論課中講的是基本原理，而在實驗過程中學(xué)生往往會發(fā)現(xiàn)一些在理論課中沒有講過的情況。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生在實驗過程中運用歸納思維總結(jié)實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律和知識，或課后在網(wǎng)上查詢相關(guān)資料解決問題。例如，利用Wireshark分析報文格式和觀察TCP報文流的行為特征等。
　　2.5在課后思考階段培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑思維
　　質(zhì)疑思維是科學(xué)研究中的必備素質(zhì)。有時提出問題比解決問題更重要。在“猜想”階段是教師提出問題讓學(xué)生“猜想”，以問題驅(qū)動的方式講授課堂內(nèi)容。課后思考階段應(yīng)充分鼓勵學(xué)生進行質(zhì)疑思維，大膽提出問題，并進行研究和分析，最后解決問題。例如，在講完距離向量算法后，讓學(xué)生課下思考：用水平分割來解決無窮計數(shù)問題是否還存在問題？會出現(xiàn)哪些問題？原因是什么？若從路由器間通告信息的內(nèi)容上