知识可视化工具在实验教学中的创新应用

丁青　蔡文杰　吴丹

摘 要： 介绍了知识可视化的基本概念，特别是知识可视化工具中最为人熟知的思维导图。以“网络设备配置与管理”实验课程为例，结合具体的MindMapper软件探索了在实验课教学中的创新型应用。实践证明，在教学中引入知识可视化的理念和方法，可以有效地促进课堂教学效率和质量的提高。

关键词： 知识可视化； 思维导图； 实验教学； MindMapper

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）07-57-03

0 引言

我们已经步入知识时代，知识总量呈几何级数急剧增长，知识更新速度也越来越快。知识时代的学习不再依靠大量的记忆，而需要培养学生学习的能力，包括思维能力，观察能力、想象能力、动手能力、表达能力、记忆能力、检索资料的能力等，其核心是思维能力和创新能力[1]。如何培养与提高学生的这些能力，如何利用新的学习工具提高其学习的效率、如何进行创新性的教与学，已经成为人们关注的焦点。

1 知识可视化

知识分为显性知识与隐性知识（Polanyi，1967），其中隐形知识是高度个性化的，难以公式化和明晰化。Nonaka（1991）认为，将隐性知识显性化，意味着寻找一种方式来表达那些只可意会不可言传的东西，达到这一目的最有力的工具之一便是知识可视化（Knowledge Visualization）。

一般来讲，知识可视化是研究如何应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新，其实质是将人们的个体知识（认知知识制品）以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的知识外在表现形式（物理知识制品），从而促进知识的传播和创新[2]。Eppler & Burkard（2004）认为知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，可见对其定义的研究也不到十年，现在也渐渐成为一个研究热点。

2 知识可视化工具——思维导图

学习工具是学习者为了与学习环境要素进行有效互动而使用的中介手段，是参与了学习活动并在其中担负了一定的认知功能的任何工具，包括物质工具和智能形态的工具。同时学习工具有两个基本特性，中介特性和认知特性，而知识可视化同时具有学习工具的这两个基本特性，是一种有效的思维和学习工具[3]。

目前知识可视化工具有很多，如概念图、思维导图、认知地图、语义网络、思维地图等等，而思维导图由于自身的鲜明特点得到了越来越多的教育工作者的欢迎。

2.1 何为思维导图

思维导图是英国记忆之父东尼·博赞（Tony. Buzan）在二十世纪六十年底创造的一种笔记方法。它将代表发散知识点的关键词紧密而有序地表达在思维导图中，并使用颜色形状和想象力，使得负责逻辑词汇数字的左大脑和负责抽象思维直觉创造力和想象力的右大脑相结合，充分激发右脑在学习中的作用，帮助学习者提高思维能力，加强记忆。东尼·博赞认为思维导图是对发散性思维的表达，是一种非常有用的图形技术，是打开大脑潜能的万能钥匙，可以应用于生活的各个方面，其改进后的学习能力和清晰的思维方式会改善人的行为表现[4]。

2.2 研究现状和突出应用

自思维导图提出之后国外学者就对其给予了足够的重视和研究，在欧美，思维导图的教学应用非常的广泛。对于国内而言，关于思维导图的研究和应用尚处于介绍和引进阶段，但是它的应用价值已经引起教育工作者特别是教育技术研究者的高度关注。通过搜索和比对，目前国内对思维导图的研究涉及到计算机、信息技术、英语、数学等学科的教学应用研究，但对于实验课教学方面则完全没有涉及。

2.3 思维导图软件的介绍

目前，思维导图软件比较多，既有MindManager、MindMapper、Visual Mind Inspiration等商业软件，也有Freemind、Xmind这样的开放源程序，而国内目前也自主开发出一些软件如易思-认知助手、Keystone ConceptMap等。思维导图软件虽然很多，但是成熟的软件屈指可数。本文采用了MindMapper软件，它的特点在于灵活，方便，基本操作非常简洁，并且具有强大的功能拓展[5]，可以说是一款非常理想的学习工具。

3 利用MindMapper设计“网络设备配置与管理”实验课教学案例

3.1 课程介绍

网络设备配置与管理课程是大中专院校面对计算机专业或网络工程专业学生开设的一门非常有特色的专业课，特别是对于从事网络管理的学习者，课程传授的都是必须熟悉和掌握的基本技能[6]。教师在讲授该门课的同时，还要开设大量的实验课程予以辅助教学。大多数的网络管理课程都是以模块化方式进行教学，除了介绍计算机网络，路由器，交换机和防火墙等相关知识，还有模拟小实验，以达到理论和实践相结合的目的，提高学生的实际动手能力。

由于面对多种实验环境的部署，为帮助学生思维和理解，利用虚拟机软件（如Packet Tracer）进行实验教学成为该课程的重要教學原则。但因为学生缺少对于网络实际操作的经验，即便了解实验目的，还是对实验过程无法熟练把握，经常吃不透教师在课堂上教授的实践内容；同时实验中也经常出现配置口令的错误，并且排错也不及时，这些问题直接影响了实验最终效果，思维导图便成为该课程的创新性教与学的突破口。通过对实验课的课堂教学，以及实验课后复习两部分进行举例阐述，证明思维导图确实在实际教学中发挥了重要作用。

3.2 教学案例

3.2.1 实验课的课堂教学

实验课要求理论与实践相结合，除了系统地讲解路由器、交换机和防火墙的工作原理和主要配置外，每章还设计了对应的模拟实验。在平时的实验课上，多是利用虚拟机模拟出各种环境下拓扑图，并且模拟各种网络应用服务进行配置。思维导图这一利器可以整理起整个实验的框架系统，使得学生尽快掌握相应网络配置情况，并对照图示查看自己配置方面有无疏漏，特别在排错时极其有效。以平时配置交换机的实验为例，我们可以这样模拟一个三层交换机实现VLAN间路由的实验，详见以下的实验报告。

实验目标：

⑴ 掌握交换机TAG VLAN配置；

⑵ 掌握三层交换机基本配置方法；

⑶ 掌握三层交换机VLAN路由的配置方法；

⑷ 通过三层交换实现VLAN间的相互通信。

实验背景：某企业有两个主要部门，技术部和销售部，出于安全和管理的考虑，对两个部门的主机进行VLAN的划分。技术部和销售部处于不同的VLAN，现由于业务要求需要两个部分互相能够访问。

技术原理：三层交换机具备网络层的功能，实现VLAN相互访问的原理是利用三层交换机的路由功能。通过识别数据包的IP抵制，查找路由表进行选路转发。三层交换机利用直连路由可以实现不同VLAN之间的互相访问。三层交换机给接口配置IP抵制，采用SVI（交换机虚拟接口）的方式实现VLAN间互连。SVI是指为交换机中的VLAN创建虚拟接口，并且配置IP地址。

实验步骤：

在二层交换机上配vlan2，vlan3，将端口port0/1 加入vlan2，将端口port0/2加入vlan3。

将二层交换机与三层交换机相连的端口port0/24定义tag vlan模式。

在三层交换机上配置vlan2，vlan3，此时在二层交换机vlan2，vlan3下各机之间不能互相通信。

配置三层交换机vlan间通信，创建vlan2，vlan3的虚拟接口，并配置虚拟接口vlan2，vlan3的IP地址。

查看三层交换机路由表。

将二层交换机vlan2，vlan3下的主机默认网关分别设置为虚拟接口的IP地址。

验证二层交换机vlan2，vlan3口下的主机之间的互相通信。

用思维导图展现上面的实验报告，如图1所示，在该图中通过中间的交换机标志进行扩展，分列出此次实验的几方面重要内容，把实验目标、实验背景、技术原理、实验步骤、网络拓扑作为次主题，再根据各个次主题列出细节要点。最后整理思维过程，进行标注和完善。在利用MindMapper软件绘制该图时要强调多用色彩，多维度修饰，以增强效果、形成个人风格，这样的图给学习者的印象要深刻的多，其层次清晰、重点突出，特别是其并行性和放射性的结构，非常易于学习者进行宏观分析和总体把握，并进一步产生新的联想和想象，同时也可以将相关材料以文字，图像，音频，视频，超链接，附件等多媒体方式呈现，也有助于激发学习者興趣。

在实验课上，教师作简要讲述和操作后，学生自己开始动手配置，教师应尽量掌握每一位同学的配置情况，若学生在实际操作中遇到问题，教师应及时予以指导解答。教师对学生所绘制的思维导图当中的实验步骤进行检查，帮助他们最大限度地理清配置思路。

3.2.2 实验课的课后复习

多次实验后，需要对所学口令的配置进行一定程度的复习。路由器和交换机的基础配置有很多相似之处，及时地对比和总结可以帮助学生做到举一反三。而在高级配置中，路由和交换机的配置各有不同，路由器的高级配置主要是针对多种路由协议的配置，而交换机的高级配置主要是介绍VLAN配置，端口安全等。掌握了这些异同，教师在授课过程中就可以很清晰地画出两种网络设备口令配置的差异之处。以路由配置口令复习课的内容为例，利用MindMapper制作出口令复习图，如图2所示。

图2可以在学生和教师的共同努力下完成，开始可以手绘，最后再用软件进行展示。通过对图2的一步步绘制，不仅充分展示了路由器口令整体面貌，还可以利用软件将关键字逐层展开，同时使用连接线把有关联的关键字连接起来，便于学生全面理解和掌握。可以说，在复习时运用思维导图有利于建立知识框架，突出重点、难点内容，避免重复性学习，一方面已有的关键词刺激大脑追寻记忆，组织已学知识，另一方面刺激大脑发散联系，建构新的知识。

4 结束语

知识可视化的应用，对于教学方法的改进、教学组织的设计、教学效率的提高、教学效果的改善，以及学生学习方法的改进和学习效率的提高都有着非常有益的作用[7]，而知识可视化过程中随时存在的互动方式，可促进师生间的交流与沟通，使得师生在课堂上教学相长。相信在不久的将来，知识可视化也会越来越成熟。当然，我们不能单纯地追求新技术，只有当利用知识可视化工具进行教学成为一种习惯，而不只是兴趣，学习者和教学者才会从中得到极大收获。

参考文献：

[1] 钟志贤.深呼吸：素质教育进行[M].教育科学出版社，2003.

[2] 赵永庆，黄荣怀，陆志坚.知识可视化的理论与方法[J].开放教育研究，

2005.11（1）：23-24

[3] 邱婷.知识可视化作为学习工具的应用研究[D].江西师范大学，2006.

[4] 东尼·博赞，巴利·博赞.思维导图[M].中信出版社，2009.

[5] 张鄂勇.思维导图的三招十八式[M].电子工业出版社，2012.

[6] 甘刚，孙继军.网络设备配置与管理[M].中国水利水电出版社，2009.

[7] 姜世华，陈新红，梁鹏.知识可视化在计算机教学中的应用[J].东北农

业大学学报（社会科学版），2012.10（2）：80-81