思維可視化在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用

任相花 陳宜冬 唐遠(yuǎn)新

摘 ? ?要：文章針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的內(nèi)容抽象、知識(shí)量大、知識(shí)更新快的特點(diǎn)，提出將思維可視化應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過思維導(dǎo)圖等可視化工具將教學(xué)內(nèi)容可視化，將隱性思維顯性化，顯性思維高階化。通過真實(shí)交換設(shè)備配置、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和各種工具軟件將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的信息可視化。實(shí)踐證明將思維可視化應(yīng)用到教學(xué)中，教學(xué)效果良好，使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)能力得到提高，使學(xué)習(xí)成績(jī)顯著提升，可將該模式推廣到其他學(xué)科教學(xué)。

關(guān)鍵詞：思維可視化;可視化工具;學(xué)習(xí)能力;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2021）04-0067-02

一、研究背景

當(dāng)前教學(xué)普遍借助于優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，對(duì)于基本知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生在課前通過學(xué)習(xí)視頻實(shí)現(xiàn)[1]。但是，在線教學(xué)視頻采用碎片化知識(shí)講解，優(yōu)點(diǎn)是視頻時(shí)間短，學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，針對(duì)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是知識(shí)分散。學(xué)生對(duì)知識(shí)之間的聯(lián)系不夠清晰，對(duì)知識(shí)總體結(jié)構(gòu)把握不好，學(xué)生記不住所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)點(diǎn)很多，知識(shí)之間的聯(lián)系也較復(fù)雜，內(nèi)容抽象，學(xué)生不容易理解，按照常規(guī)的教學(xué)方法，經(jīng)常聽到后面的，忘記前面的，報(bào)怨知識(shí)太多記不住，聽不懂，從而失去學(xué)習(xí)興趣。本文將思維可視化工具引入課堂教學(xué)，可達(dá)到使學(xué)生想學(xué)、會(huì)學(xué)，最終學(xué)會(huì)的目的。

二、思維可視化概述

（一）思維可視化的內(nèi)涵

思維可視化（Thinking visualization）是指利用流程圖、概念圖、思維導(dǎo)圖等圖示技術(shù)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(lái)，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(yīng)用在科研、商業(yè)和教育等領(lǐng)域。其應(yīng)用于教育領(lǐng)域，講授者可以把要講授內(nèi)容以圖示呈現(xiàn)，能夠?qū)⒊橄蟮膬?nèi)容形象化、直觀化并且具體化，能夠更好展現(xiàn)實(shí)物之間的區(qū)別與聯(lián)系，能夠減輕學(xué)習(xí)者負(fù)擔(dān)，可使所教授的理論更容易被理解和記憶，從而使學(xué)習(xí)者把更多精力投入到內(nèi)容的深層次學(xué)習(xí)中[3]。

（二）思維可視化工具促進(jìn)學(xué)習(xí)原理

一個(gè)人學(xué)習(xí)新知識(shí)的效果與以下幾個(gè)方面有關(guān)系：一是與要學(xué)習(xí)知識(shí)本身的復(fù)雜程度有關(guān)，復(fù)雜的知識(shí)學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)肯定有難度，相對(duì)于簡(jiǎn)單的知識(shí)的學(xué)習(xí)效果要稍微差一些;二是與學(xué)習(xí)者的自身現(xiàn)有知識(shí)水平與認(rèn)知能力有關(guān);三是與學(xué)習(xí)方法有關(guān);四是與施教者的教學(xué)方法有關(guān)，與施教者呈現(xiàn)知識(shí)的形式與采用的教學(xué)活動(dòng)有關(guān)。對(duì)于知識(shí)本身復(fù)雜程度與學(xué)習(xí)者現(xiàn)有認(rèn)知能力不可改變，但是施教者可以把抽象的內(nèi)容以圖示等技術(shù)可視化，降低學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)難度，通過思維可視化啟迪學(xué)習(xí)者的思維[4]。

三、思維可視化應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)

（一）利用思維可視化工具實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容可視化

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源豐富，基本知識(shí)都是通過在線視頻學(xué)習(xí)，課堂完成學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基本學(xué)習(xí)內(nèi)容的擴(kuò)展延伸，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。線上視頻基本都是按照知識(shí)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，把一節(jié)課內(nèi)容拆分成很多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)用一個(gè)視頻來(lái)呈現(xiàn)[5]。這種模式的教學(xué)視頻的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，有針對(duì)性講解，缺點(diǎn)是知識(shí)間聯(lián)系不明顯，有只見樹木不見森林之感。不利于學(xué)生對(duì)整體的把握。所以教師在課堂教學(xué)課件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵不僅呈現(xiàn)視頻的內(nèi)容，而且還要能呈現(xiàn)內(nèi)容之間的邏輯聯(lián)系;對(duì)知識(shí)點(diǎn)多、復(fù)雜且分散的內(nèi)容用思維導(dǎo)圖呈現(xiàn);對(duì)于對(duì)比強(qiáng)烈的知識(shí)以概念圖呈現(xiàn)。對(duì)一次課的內(nèi)容可以找出一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)放到中心位置，通過放射性思維，把與其相關(guān)的知識(shí)的關(guān)鍵詞語(yǔ)展現(xiàn)在分枝上，離中心點(diǎn)越近的關(guān)鍵詞語(yǔ)越重要，逐步擴(kuò)散，直到最后的分枝為止。思維導(dǎo)圖可體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，便于學(xué)生知識(shí)體系構(gòu)建、理解與記憶，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。思維導(dǎo)圖是教師在教學(xué)過程通過啟發(fā)提問，引導(dǎo)學(xué)生畫出的。原本10多頁(yè)的PPT，可以通過一幅思維導(dǎo)圖全部描述出來(lái)，最關(guān)鍵的是思維導(dǎo)圖可以展示知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，既強(qiáng)化了學(xué)生的記憶，又培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的提煉和概括能力，達(dá)到布魯姆認(rèn)知的低階目標(biāo)——記憶、理解。

（二）設(shè)置情境，問題驅(qū)動(dòng)，利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生

高階思維能力

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，知識(shí)的獲取途徑增多，教師的主要教學(xué)目標(biāo)不再是傳授知識(shí)，而是啟迪思維，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生能積極主動(dòng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)有更深層次認(rèn)知。

教師在授課過程中，通過設(shè)置情境，先從學(xué)生已知的知識(shí)和生活常識(shí)入手，提出問題。例如：TCP協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中比較復(fù)雜的問題。教學(xué)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(bào)文與傳輸數(shù)據(jù)的報(bào)文有什么區(qū)別？發(fā)送方如何知道接收方?jīng)]有收到數(shù)據(jù)？報(bào)文超時(shí)重傳的時(shí)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(qū)動(dòng)教學(xué)法和啟發(fā)引導(dǎo)教學(xué)法，整個(gè)課堂學(xué)生是中心，教師是引領(lǐng)者，針對(duì)學(xué)生課前學(xué)習(xí)的內(nèi)容提出問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，帶動(dòng)課堂節(jié)奏。激發(fā)學(xué)生思考，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的深入探究，培養(yǎng)學(xué)生高階思維，以及分析、綜合、批判、創(chuàng)造能力。例如對(duì)于TCP協(xié)議的理解，不是簡(jiǎn)單理解協(xié)議格式，而是挖掘出協(xié)議字段實(shí)際應(yīng)用和最初設(shè)計(jì)的思想。學(xué)生如果能夠回答這些問題，就可以懂得協(xié)議為什么設(shè)計(jì)成現(xiàn)在的格式，還有哪些要改進(jìn)的地方，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（三）利用思維可視化工具，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力

有研究表明一個(gè)人一生所學(xué)習(xí)的知識(shí)只有10%是從學(xué)校獲得的，其余90%都是在實(shí)際應(yīng)用中不斷自學(xué)的。因此，大學(xué)教育主要目標(biāo)在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，更重要的授之以漁——傳授學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生會(huì)學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生想學(xué)，最終達(dá)到學(xué)會(huì)的目的。雙一流背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)為價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授三位一體。學(xué)生不能僅學(xué)專業(yè)課程，還要學(xué)習(xí)通識(shí)課程，需要學(xué)習(xí)的課程門數(shù)增多，每門課要求并沒有下降，學(xué)生總抱怨東西太多，記不住，學(xué)完就忘。在學(xué)習(xí)時(shí)間有限的情況下，如何提高學(xué)習(xí)效率和效果是大學(xué)教育的一個(gè)難題。根據(jù)大腦的工作原理，要想記憶知識(shí)，知識(shí)間必須有一定的聯(lián)系，才容易記憶。在課堂教學(xué)中教學(xué)生如何畫思維導(dǎo)圖，如何從大量知識(shí)中提煉出關(guān)鍵點(diǎn)，如何把分散的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，即對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整理。使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)新知識(shí)、復(fù)習(xí)舊知識(shí)策略，使學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)。

（四）利用思維可視化工具，進(jìn)行小組討論學(xué)習(xí)

課前學(xué)生利用在線教學(xué)視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)任務(wù)是對(duì)學(xué)生課下的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)考核。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)采用分組教學(xué)，以小組為單位進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，以小組為單位進(jìn)行匯報(bào)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。匯報(bào)的學(xué)生通過抽簽決定，要求每個(gè)小組成員都要能完成相應(yīng)的任務(wù)，小組成員之間要相互學(xué)習(xí)與交流，可以通過思維導(dǎo)圖、概念圖、流程圖等可視化工具進(jìn)行，使學(xué)生復(fù)雜的思維過程變得簡(jiǎn)潔、直觀。發(fā)言的學(xué)生借助于可視化工具代表小組發(fā)言更容易讓其他同學(xué)理解，培養(yǎng)了學(xué)生的表達(dá)能力和交流能力。

（五）基于思維可視化進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容抽象，實(shí)際應(yīng)用廣泛，為了將抽象知識(shí)可視化、形象化，要將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合。通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析等多種實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。首先學(xué)生可在自己的計(jì)算機(jī)上安裝虛擬機(jī)軟件 VMware，在虛擬機(jī)中克隆多臺(tái)機(jī)器，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上架設(shè)FTP、DNS、DHCP、HTTP等多種服務(wù)器搭建實(shí)驗(yàn)、VPN實(shí)驗(yàn)、NAT實(shí)驗(yàn)等關(guān)于網(wǎng)絡(luò)管理的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可隨時(shí)在自己的機(jī)器上做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果直觀，能夠直接看到實(shí)現(xiàn)的結(jié)果和存在的問題。

為了更好地理解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用學(xué)校購(gòu)置的協(xié)議仿真系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以看到協(xié)議通信的實(shí)現(xiàn)過程，可以有效地幫助學(xué)生理解抽象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的理論知識(shí)。同時(shí)也讓學(xué)生在自己電腦上安裝嗅探器進(jìn)行抓包分析。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置實(shí)驗(yàn)，可通過學(xué)校購(gòu)置的華為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換機(jī)、路由器的配置，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)模擬器軟件引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以引導(dǎo)學(xué)生通過模擬器軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，進(jìn)行交換機(jī)、路由器等設(shè)備的配置與測(cè)試，直觀看到配置的效果。

四、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過兩個(gè)輪次的教學(xué)實(shí)踐證明，將思維可視化應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與能力。課程教學(xué)雖然減少了8學(xué)時(shí)，但是教學(xué)效果確實(shí)提升了。學(xué)生普遍對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程感興趣，能夠很好地理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，普遍覺得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不難學(xué)，學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)平均分提升了2分。通過多種環(huán)境的可視化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動(dòng)手能力均得到提高。將思維可視化應(yīng)用到課程教學(xué)達(dá)到了使學(xué)生想學(xué)、會(huì)學(xué)、學(xué)會(huì)的目的，值得在大學(xué)的其他學(xué)科進(jìn)行推廣。

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編輯∕丁俊玲

作者簡(jiǎn)介：任相花（1972—），女，山東膠南人，哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：教學(xué)方法研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于工程教育認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)課程體系優(yōu)化研究與實(shí)現(xiàn)”（SJGY20180214）; 黑龍江省高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)委托項(xiàng)目“省屬高校計(jì)算機(jī)類一流專業(yè)卓越人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐”（SJGZ20190023）;哈爾濱理工大學(xué)教改項(xiàng)目“工程認(rèn)證背景下基于OBE的匯編語(yǔ)言課程的混合式教學(xué)研究”（420180013）