思維可視化在計算機網絡教學中的應用

任相花 陳宜冬 唐遠新

摘 ? ?要：文章針對計算機網絡課程的內容抽象、知識量大、知識更新快的特點，提出將思維可視化應用于計算機網絡教學，通過思維導圖等可視化工具將教學內容可視化，將隱性思維顯性化，顯性思維高階化。通過真實交換設備配置、虛擬實驗平臺和各種工具軟件將網絡數(shù)據(jù)包的信息可視化。實踐證明將思維可視化應用到教學中，教學效果良好，使學生的學習效率與學習能力得到提高，使學習成績顯著提升，可將該模式推廣到其他學科教學。

關鍵詞：思維可視化;可視化工具;學習能力;計算機網絡

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2021）04-0067-02

一、研究背景

當前教學普遍借助于優(yōu)質的網絡教學資源，對于基本知識的學習，學生在課前通過學習視頻實現(xiàn)[1]。但是，在線教學視頻采用碎片化知識講解，優(yōu)點是視頻時間短，學生學習目標明確，針對性強，缺點是知識分散。學生對知識之間的聯(lián)系不夠清晰，對知識總體結構把握不好，學生記不住所學習的內容。

計算機網絡的知識點很多，知識之間的聯(lián)系也較復雜，內容抽象，學生不容易理解，按照常規(guī)的教學方法，經常聽到后面的，忘記前面的，報怨知識太多記不住，聽不懂，從而失去學習興趣。本文將思維可視化工具引入課堂教學，可達到使學生想學、會學，最終學會的目的。

二、思維可視化概述

（一）思維可視化的內涵

思維可視化（Thinking visualization）是指利用流程圖、概念圖、思維導圖等圖示技術把原本不可見的思維（包括思考方式方法和思考問題的角度、路徑）呈現(xiàn)出來，使思維過程清晰可視，也就是隱性思維顯性化[2]。思維可視化應用在科研、商業(yè)和教育等領域。其應用于教育領域，講授者可以把要講授內容以圖示呈現(xiàn)，能夠將抽象的內容形象化、直觀化并且具體化，能夠更好展現(xiàn)實物之間的區(qū)別與聯(lián)系，能夠減輕學習者負擔，可使所教授的理論更容易被理解和記憶，從而使學習者把更多精力投入到內容的深層次學習中[3]。

（二）思維可視化工具促進學習原理

一個人學習新知識的效果與以下幾個方面有關系：一是與要學習知識本身的復雜程度有關，復雜的知識學習對學習者來說肯定有難度，相對于簡單的知識的學習效果要稍微差一些;二是與學習者的自身現(xiàn)有知識水平與認知能力有關;三是與學習方法有關;四是與施教者的教學方法有關，與施教者呈現(xiàn)知識的形式與采用的教學活動有關。對于知識本身復雜程度與學習者現(xiàn)有認知能力不可改變，但是施教者可以把抽象的內容以圖示等技術可視化，降低學習者的學習難度，通過思維可視化啟迪學習者的思維[4]。

三、思維可視化應用于計算機網絡課程教學

（一）利用思維可視化工具實現(xiàn)教學內容可視化

當前網絡教學資源豐富，基本知識都是通過在線視頻學習，課堂完成學生學習效果評價，實現(xiàn)對基本學習內容的擴展延伸，培養(yǎng)學生的高階思維能力。線上視頻基本都是按照知識點來設計，把一節(jié)課內容拆分成很多個知識點，每個點用一個視頻來呈現(xiàn)[5]。這種模式的教學視頻的優(yōu)點是時間短，有針對性講解，缺點是知識間聯(lián)系不明顯，有只見樹木不見森林之感。不利于學生對整體的把握。所以教師在課堂教學課件設計中的關鍵不僅呈現(xiàn)視頻的內容，而且還要能呈現(xiàn)內容之間的邏輯聯(lián)系;對知識點多、復雜且分散的內容用思維導圖呈現(xiàn);對于對比強烈的知識以概念圖呈現(xiàn)。對一次課的內容可以找出一個關鍵點放到中心位置，通過放射性思維，把與其相關的知識的關鍵詞語展現(xiàn)在分枝上，離中心點越近的關鍵詞語越重要，逐步擴散，直到最后的分枝為止。思維導圖可體現(xiàn)知識點之間的聯(lián)系，便于學生知識體系構建、理解與記憶，提高了學生的學習效率和學習效果。思維導圖是教師在教學過程通過啟發(fā)提問，引導學生畫出的。原本10多頁的PPT，可以通過一幅思維導圖全部描述出來，最關鍵的是思維導圖可以展示知識點間的聯(lián)系，既強化了學生的記憶，又培養(yǎng)了學生對知識的提煉和概括能力，達到布魯姆認知的低階目標——記憶、理解。

（二）設置情境，問題驅動，利用思維導圖培養(yǎng)學生

高階思維能力

在互聯(lián)網時代，知識的獲取途徑增多，教師的主要教學目標不再是傳授知識，而是啟迪思維，引導和激發(fā)學生的學習興趣，促進學生能積極主動進行自主學習，培養(yǎng)學生高階思維能力，促進學生對知識有更深層次認知。

教師在授課過程中，通過設置情境，先從學生已知的知識和生活常識入手，提出問題。例如：TCP協(xié)議是計算機網絡中比較復雜的問題。教學過程中提出如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕拷⑦B接的報文與傳輸數(shù)據(jù)的報文有什么區(qū)別？發(fā)送方如何知道接收方沒有收到數(shù)據(jù)？報文超時重傳的時間是如何確定的？流量控制是由發(fā)送方控制還是接收方控制？等等一系問題。采用問題驅動教學法和啟發(fā)引導教學法，整個課堂學生是中心，教師是引領者，針對學生課前學習的內容提出問題，激發(fā)學生的學習熱情，帶動課堂節(jié)奏。激發(fā)學生思考，實現(xiàn)對知識的深入探究，培養(yǎng)學生高階思維，以及分析、綜合、批判、創(chuàng)造能力。例如對于TCP協(xié)議的理解，不是簡單理解協(xié)議格式，而是挖掘出協(xié)議字段實際應用和最初設計的思想。學生如果能夠回答這些問題，就可以懂得協(xié)議為什么設計成現(xiàn)在的格式，還有哪些要改進的地方，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（三）利用思維可視化工具，培養(yǎng)學習能力

有研究表明一個人一生所學習的知識只有10%是從學校獲得的，其余90%都是在實際應用中不斷自學的。因此，大學教育主要目標在傳授專業(yè)知識的同時，更重要的授之以漁——傳授學習方法，使學生會學，激發(fā)學生學習熱情，使學生想學，最終達到學會的目的。雙一流背景下人才培養(yǎng)目標為價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授三位一體。學生不能僅學專業(yè)課程，還要學習通識課程，需要學習的課程門數(shù)增多，每門課要求并沒有下降，學生總抱怨東西太多，記不住，學完就忘。在學習時間有限的情況下，如何提高學習效率和效果是大學教育的一個難題。根據(jù)大腦的工作原理，要想記憶知識，知識間必須有一定的聯(lián)系，才容易記憶。在課堂教學中教學生如何畫思維導圖，如何從大量知識中提煉出關鍵點，如何把分散的知識聯(lián)系起來，即對所學知識進行整理。使學生掌握學習新知識、復習舊知識策略，使學生會學習。

（四）利用思維可視化工具，進行小組討論學習

課前學生利用在線教學視頻進行自主學習，課堂教學任務是對學生課下的學習效果進行評價考核。計算機網絡教學采用分組教學，以小組為單位進行考核評價，以小組為單位進行匯報，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作能力。匯報的學生通過抽簽決定，要求每個小組成員都要能完成相應的任務，小組成員之間要相互學習與交流，可以通過思維導圖、概念圖、流程圖等可視化工具進行，使學生復雜的思維過程變得簡潔、直觀。發(fā)言的學生借助于可視化工具代表小組發(fā)言更容易讓其他同學理解，培養(yǎng)了學生的表達能力和交流能力。

（五）基于思維可視化進行計算機網絡實踐教學

計算機網絡內容抽象，實際應用廣泛，為了將抽象知識可視化、形象化，要將計算機網絡理論學習與實踐相結合。通過網絡服務器的架構、網絡設備的配置、網絡協(xié)議分析等多種實驗實現(xiàn)。首先學生可在自己的計算機上安裝虛擬機軟件 VMware，在虛擬機中克隆多臺機器，實現(xiàn)在一臺計算機上架設FTP、DNS、DHCP、HTTP等多種服務器搭建實驗、VPN實驗、NAT實驗等關于網絡管理的實驗。學生可隨時在自己的機器上做實驗，實驗效果直觀，能夠直接看到實現(xiàn)的結果和存在的問題。

為了更好地理解網絡協(xié)議，利用學校購置的協(xié)議仿真系統(tǒng)進行協(xié)議仿真實驗，使學生可以看到協(xié)議通信的實現(xiàn)過程，可以有效地幫助學生理解抽象網絡協(xié)議的理論知識。同時也讓學生在自己電腦上安裝嗅探器進行抓包分析。

對于網絡設備的配置實驗，可通過學校購置的華為網絡進行交換機、路由器的配置，同時將網絡模擬器軟件引入實驗教學，也可以引導學生通過模擬器軟件進行網絡拓撲的設計，進行交換機、路由器等設備的配置與測試，直觀看到配置的效果。

四、結語

經過兩個輪次的教學實踐證明，將思維可視化應用到計算機網絡教學，提高了學生的學習興趣與能力。課程教學雖然減少了8學時，但是教學效果確實提升了。學生普遍對計算機網絡課程感興趣，能夠很好地理解計算機網絡協(xié)議，普遍覺得計算機網絡不難學，學生的綜合評價平均分提升了2分。通過多種環(huán)境的可視化實驗，學生動手能力均得到提高。將思維可視化應用到課程教學達到了使學生想學、會學、學會的目的，值得在大學的其他學科進行推廣。

參考文獻：

[1]尹晗，張際平.思維可視化視角下的未來課堂架構研究[J].遠程教育雜志，2016，（2）.

[2]周寧，陳勇躍，金大衛(wèi)，等.知識可視化與信息可視化比較研究[J].情報理論與實踐，2007，（2）.

[3]周利君，左博文.思維可視化工具認知誤區(qū)與對策研究[J].湖北成人教育學院學報，2020，（4）.

[4]趙國慶，楊宣洋，熊雅雯.論思維可視化工具教學應用的原則和著力點[J].電化教育研究，2019，（9）.

[5]李興華，羅來珍，程美玉.疫情期間線性代數(shù)課程線上教學模式探索[J].黑龍江教育：理論與實踐，2020，（9）.

編輯∕丁俊玲

作者簡介：任相花（1972—），女，山東膠南人，哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院副教授，研究方向：教學方法研究。

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革研究項目“基于工程教育認證的網絡工程專業(yè)課程體系優(yōu)化研究與實現(xiàn)”（SJGY20180214）; 黑龍江省高等教育教學改革重點委托項目“省屬高校計算機類一流專業(yè)卓越人才培養(yǎng)研究與實踐”（SJGZ20190023）;哈爾濱理工大學教改項目“工程認證背景下基于OBE的匯編語言課程的混合式教學研究”（420180013）