網(wǎng)絡(luò)組建教學(xué)中的思維培養(yǎng)

網(wǎng)絡(luò)組建教學(xué)中的思維培養(yǎng)陳凱王春艷初中教學(xué)內(nèi)容中有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的內(nèi)容，主要涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型、功能、主要組成設(shè)備、局域網(wǎng)簡(jiǎn)單組建等，在以往的教學(xué)中，筆者通常會(huì)結(jié)合講解、演示、開展組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)等方式來(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。在新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下，在實(shí)施這一單元的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，筆者面臨著一個(gè)重要卻又讓人感到困惑的問題，那就是和網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的這些內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)該如何與培養(yǎng)信息技術(shù)核心素養(yǎng)的目標(biāo)緊密聯(lián)系起來(lái)。幸運(yùn)的是，筆者在日常工作中，積累了局域網(wǎng)組建的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，這得以讓筆者能夠結(jié)合自身工作經(jīng)歷來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。雖然一個(gè)簡(jiǎn)單的星型拓?fù)涞木钟蚓W(wǎng)的組建過(guò)程從硬件上說(shuō)可以簡(jiǎn)單到“將網(wǎng)線一端接入交換機(jī)，另一端接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡”即可，但通過(guò)對(duì)日常工作經(jīng)歷的反思可知，在面對(duì)真實(shí)的工作和生活需求時(shí)，即便不考慮軟件和協(xié)議方面的設(shè)置，一個(gè)局域網(wǎng)的組建也并不僅僅是考慮如何將網(wǎng)線插到位那樣簡(jiǎn)單，常遇見的問題還有諸如怎樣合理地設(shè)定工作流程、怎樣合理地設(shè)定多個(gè)交換機(jī)和多個(gè)電腦之間的關(guān)系、怎樣合理地對(duì)連接線路進(jìn)行描述和記錄、怎樣選取合理的方法來(lái)尋找故障點(diǎn)等。張汶老師提出：“技術(shù)不是技術(shù)產(chǎn)品，不是技術(shù)成果，不是會(huì)說(shuō)話互動(dòng)的機(jī)器人，它的本質(zhì)仍然是一種問題解決方案?！盵1]相應(yīng)地，一旦將網(wǎng)絡(luò)組建的內(nèi)容放置在復(fù)雜的真實(shí)場(chǎng)景中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容絕不可能只是告訴學(xué)生“這是什么產(chǎn)品”“這是哪種結(jié)構(gòu)”“這是怎樣的方案”，而是讓學(xué)生知道在問題解決過(guò)程中“需要什么”“可能有哪些方法去做”“應(yīng)該如何去實(shí)施某個(gè)方案”。因此，設(shè)計(jì)基于真實(shí)場(chǎng)景的問題解決的任務(wù)，是在課堂教學(xué)活動(dòng)中落實(shí)核心素養(yǎng)，尤其是思維培養(yǎng)的重要途徑。下面，筆者以在學(xué)校中組建局域網(wǎng)的任務(wù)為場(chǎng)景，用單元教學(xué)的形式串聯(lián)起“網(wǎng)線連接—貼標(biāo)簽—畫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹边@三個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)，來(lái)幫助學(xué)生完成具有一定探究性的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生不僅能從中了解到最基本的局域網(wǎng)組建的具體方法，還能同時(shí)體會(huì)到編碼、算法等與計(jì)算機(jī)科學(xué)有關(guān)的思維方法的運(yùn)用。網(wǎng)絡(luò)組建流程與生活化的算法生活中的某些事件的處理，往往具有算法的某些特征，如：在一大堆網(wǎng)線中用尋線器找線，其方式和查找算法類似;制作網(wǎng)線后用測(cè)線器測(cè)線，由于并不知道線兩端的水晶頭究竟哪一個(gè)被做壞，所以先重做一端，如線不通再重做另一端，這就有了回溯算法的特點(diǎn);在蠕蟲病毒爆發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，筆者從主交換機(jī)開始，往次級(jí)交換機(jī)逐層排查，這類似于遞歸的方法。例如，可以將網(wǎng)絡(luò)組建的某個(gè)場(chǎng)景中的流程以文字描述的方式來(lái)表達(dá)，然后讓學(xué)生用繪圖的方式對(duì)流程進(jìn)行描述：某人在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，因?yàn)榫€路混亂，不慎將一根網(wǎng)線的兩端都接入了同一臺(tái)交換機(jī)，致使交換機(jī)無(wú)法正常工作，警告燈閃爍（實(shí)際情況是交換機(jī)所有的端口狀態(tài)燈快速閃爍，教學(xué)中要盡可能用簡(jiǎn)單的描述弱化專業(yè)技術(shù)色彩）。由于網(wǎng)線很長(zhǎng)而且相互纏繞，尋找接錯(cuò)的母線比較麻煩。那么如何找到這根接錯(cuò)的網(wǎng)線呢？首先讓學(xué)生用文字的方式來(lái)描述故障排除過(guò)程，如按次序逐個(gè)從交換機(jī)上拔下網(wǎng)線，如果警告燈仍然閃爍，則重新插上，直到發(fā)現(xiàn)拔下某根網(wǎng)線后交換機(jī)警告燈不再閃爍，便可發(fā)現(xiàn)接錯(cuò)的網(wǎng)線。接下來(lái)是讓學(xué)生用框圖連線的方式來(lái)描述組網(wǎng)過(guò)程，教師可以先提供一些繪圖的零件作為支架。這里未必一定要求畫出規(guī)范的流程圖，而是希望通過(guò)繪圖強(qiáng)化過(guò)程中“控制”的存在。將日常語(yǔ)言能夠清晰表達(dá)的任務(wù)，轉(zhuǎn)換成圖示的方式，并沒有想象中那樣容易，因?yàn)槭紫纫獙⒄Z(yǔ)言描述中的任務(wù)分解成不能再分解的某一步，然后要以符合控制流程的方式將每個(gè)步驟連接起來(lái)。這其中就蘊(yùn)含著分解和抽象的思想。如果學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)算法，那就比較容易用流程圖的方式描繪出任務(wù)步驟，但筆者的教學(xué)對(duì)象大部分還沒有學(xué)習(xí)過(guò)算法和流程圖，這反而使得這項(xiàng)活動(dòng)具有了促進(jìn)思維發(fā)展的意義。在學(xué)生們描繪的步驟圖示中有一些值得思考的發(fā)現(xiàn)，如：很多學(xué)生不自覺地就用線條表達(dá)出了循環(huán)的結(jié)構(gòu);有的學(xué)生試圖將具象的交換機(jī)、網(wǎng)線、人的圖案和抽象的步驟流程結(jié)合在一起（作為一個(gè)人雖然能夠理解圖示的含義，但一個(gè)機(jī)器如何來(lái)理解呢）;少數(shù)曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)流程圖的學(xué)生，在沒有任何具體要求的情況下，就將排除故障的步驟以比較標(biāo)準(zhǔn)的流程圖的方式呈現(xiàn)了出來(lái)。筆者還注意到一些十分有意思的細(xì)節(jié)，如圍繞拔下網(wǎng)線后燈的情況的觀察以及后續(xù)動(dòng)作，可以發(fā)現(xiàn)有三種不同的描繪方式，如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，第一種描繪方式是以超越第一人稱且以近乎平行宇宙的視角在描繪步驟，既沒有區(qū)分主客體，也沒有區(qū)分動(dòng)作和狀態(tài);第二種描繪方式區(qū)分了主體和客體，但仍然沒有區(qū)分出動(dòng)作和狀態(tài);第三種描繪方式將狀態(tài)和動(dòng)作用不同的圖示做了區(qū)分，這樣就解釋了前后動(dòng)作的因果關(guān)系。在收取上來(lái)的各種圖示中，第一種描繪方式是最多的，這能夠映射出學(xué)生對(duì)具體事件進(jìn)行抽象時(shí)的原始的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)各種圖示的展示，學(xué)生們能夠領(lǐng)悟到，哪些圖示的方式更利于機(jī)器工作，而哪些是人便于閱讀理解的。網(wǎng)絡(luò)編碼中的數(shù)據(jù)與表征在真實(shí)場(chǎng)景中，連接到交換機(jī)的網(wǎng)線蜿蜒在建筑物的管道中，常常橫跨房間、樓層，距離可能非常長(zhǎng)，其用途也各異，有連到下級(jí)交換機(jī)的，有連到服務(wù)器的，有連到辦公室墻壁上端口的（通常是為普通電腦準(zhǔn)備的），有連到無(wú)線AP的。并且，下端連入設(shè)備所處的位置也不同，如不同的樓層、房間以及房間內(nèi)的網(wǎng)點(diǎn)。有時(shí)候還需要區(qū)分使用者的不同，如同一間教室中，有些網(wǎng)點(diǎn)是供教師使用的，有些是供學(xué)生使用的。當(dāng)布線完畢后，通常都要在網(wǎng)線兩端為線路的用途打上標(biāo)簽。在現(xiàn)實(shí)中，標(biāo)簽空間有限，標(biāo)簽上標(biāo)識(shí)的信息量往往令人沮喪，A001、B002之類的標(biāo)簽除了方便找線外別無(wú)他意。如何在有限的標(biāo)簽的空間（假設(shè)不超過(guò)若干個(gè)字符）中，設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)記方式，使之能夠盡可能多地表達(dá)出描寫信息？這是一個(gè)有趣的開放性的活動(dòng)。這樣的需求，不僅需要知道網(wǎng)線的用途，還需要知道網(wǎng)線的來(lái)源，如網(wǎng)線可能直接來(lái)自主交換機(jī)，但也可能來(lái)自與主交換機(jī)相連接的次級(jí)交換機(jī)，甚至是與次級(jí)交換機(jī)所連接的再次級(jí)交換機(jī)，那么，應(yīng)當(dāng)如何來(lái)設(shè)置這個(gè)標(biāo)記方式？假設(shè)主交換機(jī)下只連接三個(gè)次級(jí)交換機(jī)，而每個(gè)次級(jí)交換機(jī)下只連接三個(gè)再次級(jí)交換機(jī)，每個(gè)再次級(jí)交換機(jī)連接若干網(wǎng)線。當(dāng)我們看到標(biāo)簽時(shí)，如何能反映出線路來(lái)源的整個(gè)路徑？如表1所示。當(dāng)方案完成后，得到的不僅僅是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)布線的結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)可以遷移到其他用途的樹的結(jié)構(gòu)（如圖2），用這個(gè)結(jié)構(gòu)可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定位，或者也可以通過(guò)遍歷來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的排列組合。曹楊璐老師和謝忠新老師提出，在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中強(qiáng)調(diào)、強(qiáng)化靈活遷移模型與算法具有十分重要的意義。[3]筆者借助網(wǎng)絡(luò)布線得到的樹的結(jié)構(gòu)，就為今后更深層次的算法學(xué)習(xí)，先行提供了可靈活遷移的模型。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿枋雠c記錄當(dāng)局域網(wǎng)的線路布置到位后，往往需要對(duì)布線的情況進(jìn)行記錄。通常，關(guān)注的重點(diǎn)是設(shè)備與設(shè)備之間邏輯上的關(guān)系（顯然管理者十分清楚網(wǎng)絡(luò)中心和下屬設(shè)備的實(shí)際物理位置）。那么，并不需要嚴(yán)格按物理現(xiàn)實(shí)來(lái)描繪線路的走向和連接，也不需要知道設(shè)備的大小、形狀。這里就遇見了拓?fù)涞母拍?，拓?fù)溲芯康氖菐缀螆D形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)，為了描繪網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，需要先對(duì)真實(shí)的布線情況進(jìn)行觀察，然后在頭腦中進(jìn)行變換，在變換過(guò)程中，無(wú)論是拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、還是放大、縮小都可以，只要不撕裂和割破就行。在變換中不斷簡(jiǎn)化圖形，并保留圖片中對(duì)象之間關(guān)系的不變的特性。由于對(duì)象之間關(guān)系是確定的，所以就可以只用純粹的符號(hào)，將拓?fù)鋱D保存下來(lái)。筆者希望設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)記錄的形式，當(dāng)某個(gè)機(jī)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理時(shí)，它所做的事情其實(shí)和人用眼睛和頭腦對(duì)拓?fù)鋱D進(jìn)行分析和處理是同構(gòu)的。筆者并不想在這里“教授”圖論，而是希望學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)那些能夠?qū)?yīng)拓?fù)鋱D的數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理方案時(shí)，生發(fā)出的方法，可能與圖論的方式具有某種類似之處。圖3所示為一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。筆者要求學(xué)生將以上簡(jiǎn)單的拓?fù)鋱D中所蘊(yùn)含的信息用多個(gè)一維列表的形式來(lái)進(jìn)行記錄，具體方法不限，但必須在數(shù)據(jù)記錄中，保存原網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中二維結(jié)構(gòu)的信息。考慮到學(xué)生可能不太容易理解“一維”“二維”這樣的概念，因此將任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為：在表格中填入數(shù)據(jù)，并描寫閱讀說(shuō)明，要求同伴能根據(jù)數(shù)據(jù)和說(shuō)明，在沒有見到原始拓?fù)鋱D的情況下，描繪出這個(gè)拓?fù)鋱D的樣子。一種簡(jiǎn)單的填寫方案可能是這樣的：表2中的每一行從第二項(xiàng)及之后項(xiàng)，都是第一項(xiàng)所要連接的設(shè)備。筆者甚至可以將這個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案的任務(wù)與本文先前介紹的畫步驟流程的任務(wù)結(jié)合起來(lái)，假設(shè)有一個(gè)機(jī)器人，它能夠讀出表格中的數(shù)據(jù)，那么這個(gè)機(jī)器人如何才能計(jì)算出電腦4是以怎樣的方式連接到交換機(jī)A的？實(shí)施該任務(wù)的文字描述可能是這樣的：機(jī)器人在表格中逐行尋找，直到在第三行中找到電腦4，然后獲知該行的第一項(xiàng)是交換機(jī)b，然后在表格中逐行尋找交換機(jī)b，它在第一行中找到交換機(jī)b，然后獲知該行的第一項(xiàng)是交換機(jī)A。通過(guò)這樣的過(guò)程，機(jī)器人知道電腦4先被連接到了交換機(jī)b上，然后交換機(jī)b又被連接到了交換機(jī)A上。通過(guò)這樣的過(guò)程，機(jī)器人就能夠“知曉”網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和設(shè)備之間的關(guān)系了。雖然說(shuō)還可以繼續(xù)深入到每個(gè)步驟的進(jìn)一步細(xì)化工作中，如為了讓機(jī)器人做到逐行搜索某個(gè)對(duì)象，就必須考慮設(shè)置關(guān)于機(jī)器人行走方式的數(shù)據(jù)，但這些內(nèi)容離開網(wǎng)絡(luò)組建太遠(yuǎn)了，筆者擔(dān)心這樣就不知不覺滑進(jìn)了另一個(gè)教學(xué)模塊中，而原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)組建任務(wù)已經(jīng)完全變成了新的教學(xué)的背景。但似乎也沒有明確的規(guī)定說(shuō)，不能用這樣的方法來(lái)銜接不同內(nèi)容的教學(xué)，這讓筆者想起了埃舍爾名為《天與水》的藝術(shù)作品（如圖4）