知識可視化工具在實驗教學中的創新應用

丁青　蔡文杰　吳丹

摘 要： 介紹了知識可視化的基本概念，特別是知識可視化工具中最為人熟知的思維導圖。以“網絡設備配置與管理”實驗課程為例，結合具體的MindMapper軟件探索了在實驗課教學中的創新型應用。實踐證明，在教學中引入知識可視化的理念和方法，可以有效地促進課堂教學效率和質量的提高。

關鍵詞： 知識可視化； 思維導圖； 實驗教學； MindMapper

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-57-03

0 引言

我們已經步入知識時代，知識總量呈幾何級數急劇增長，知識更新速度也越來越快。知識時代的學習不再依靠大量的記憶，而需要培養學生學習的能力，包括思維能力，觀察能力、想象能力、動手能力、表達能力、記憶能力、檢索資料的能力等，其核心是思維能力和創新能力[1]。如何培養與提高學生的這些能力，如何利用新的學習工具提高其學習的效率、如何進行創新性的教與學，已經成為人們關注的焦點。

1 知識可視化

知識分為顯性知識與隱性知識（Polanyi，1967），其中隱形知識是高度個性化的，難以公式化和明晰化。Nonaka（1991）認為，將隱性知識顯性化，意味著尋找一種方式來表達那些只可意會不可言傳的東西，達到這一目的最有力的工具之一便是知識可視化（Knowledge Visualization）。

一般來講，知識可視化是研究如何應用視覺表征手段促進群體知識的傳播和創新，其實質是將人們的個體知識（認知知識制品）以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用于人的感官的知識外在表現形式（物理知識制品），從而促進知識的傳播和創新[2]。Eppler & Burkard（2004）認為知識可視化是在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展起來的新興研究領域，可見對其定義的研究也不到十年，現在也漸漸成為一個研究熱點。

2 知識可視化工具——思維導圖

學習工具是學習者為了與學習環境要素進行有效互動而使用的中介手段，是參與了學習活動并在其中擔負了一定的認知功能的任何工具，包括物質工具和智能形態的工具。同時學習工具有兩個基本特性，中介特性和認知特性，而知識可視化同時具有學習工具的這兩個基本特性，是一種有效的思維和學習工具[3]。

目前知識可視化工具有很多，如概念圖、思維導圖、認知地圖、語義網絡、思維地圖等等，而思維導圖由于自身的鮮明特點得到了越來越多的教育工作者的歡迎。

2.1 何為思維導圖

思維導圖是英國記憶之父東尼·博贊（Tony. Buzan）在二十世紀六十年底創造的一種筆記方法。它將代表發散知識點的關鍵詞緊密而有序地表達在思維導圖中，并使用顏色形狀和想象力，使得負責邏輯詞匯數字的左大腦和負責抽象思維直覺創造力和想象力的右大腦相結合，充分激發右腦在學習中的作用，幫助學習者提高思維能力，加強記憶。東尼·博贊認為思維導圖是對發散性思維的表達，是一種非常有用的圖形技術，是打開大腦潛能的萬能鑰匙，可以應用于生活的各個方面，其改進后的學習能力和清晰的思維方式會改善人的行為表現[4]。

2.2 研究現狀和突出應用

自思維導圖提出之后國外學者就對其給予了足夠的重視和研究，在歐美，思維導圖的教學應用非常的廣泛。對于國內而言，關于思維導圖的研究和應用尚處于介紹和引進階段，但是它的應用價值已經引起教育工作者特別是教育技術研究者的高度關注。通過搜索和比對，目前國內對思維導圖的研究涉及到計算機、信息技術、英語、數學等學科的教學應用研究，但對于實驗課教學方面則完全沒有涉及。

2.3 思維導圖軟件的介紹

目前，思維導圖軟件比較多，既有MindManager、MindMapper、Visual Mind Inspiration等商業軟件，也有Freemind、Xmind這樣的開放源程序，而國內目前也自主開發出一些軟件如易思-認知助手、Keystone ConceptMap等。思維導圖軟件雖然很多，但是成熟的軟件屈指可數。本文采用了MindMapper軟件，它的特點在于靈活，方便，基本操作非常簡潔，并且具有強大的功能拓展[5]，可以說是一款非常理想的學習工具。

3 利用MindMapper設計“網絡設備配置與管理”實驗課教學案例

3.1 課程介紹

網絡設備配置與管理課程是大中專院校面對計算機專業或網絡工程專業學生開設的一門非常有特色的專業課，特別是對于從事網絡管理的學習者，課程傳授的都是必須熟悉和掌握的基本技能[6]。教師在講授該門課的同時，還要開設大量的實驗課程予以輔助教學。大多數的網絡管理課程都是以模塊化方式進行教學，除了介紹計算機網絡，路由器，交換機和防火墻等相關知識，還有模擬小實驗，以達到理論和實踐相結合的目的，提高學生的實際動手能力。

由于面對多種實驗環境的部署，為幫助學生思維和理解，利用虛擬機軟件（如Packet Tracer）進行實驗教學成為該課程的重要教學原則。但因為學生缺少對于網絡實際操作的經驗，即便了解實驗目的，還是對實驗過程無法熟練把握，經常吃不透教師在課堂上教授的實踐內容；同時實驗中也經常出現配置口令的錯誤，并且排錯也不及時，這些問題直接影響了實驗最終效果，思維導圖便成為該課程的創新性教與學的突破口。通過對實驗課的課堂教學，以及實驗課后復習兩部分進行舉例闡述，證明思維導圖確實在實際教學中發揮了重要作用。

3.2 教學案例

3.2.1 實驗課的課堂教學

實驗課要求理論與實踐相結合，除了系統地講解路由器、交換機和防火墻的工作原理和主要配置外，每章還設計了對應的模擬實驗。在平時的實驗課上，多是利用虛擬機模擬出各種環境下拓撲圖，并且模擬各種網絡應用服務進行配置。思維導圖這一利器可以整理起整個實驗的框架系統，使得學生盡快掌握相應網絡配置情況，并對照圖示查看自己配置方面有無疏漏，特別在排錯時極其有效。以平時配置交換機的實驗為例，我們可以這樣模擬一個三層交換機實現VLAN間路由的實驗，詳見以下的實驗報告。

實驗目標：

⑴ 掌握交換機TAG VLAN配置；

⑵ 掌握三層交換機基本配置方法；

⑶ 掌握三層交換機VLAN路由的配置方法；

⑷ 通過三層交換實現VLAN間的相互通信。

實驗背景：某企業有兩個主要部門，技術部和銷售部，出于安全和管理的考慮，對兩個部門的主機進行VLAN的劃分。技術部和銷售部處于不同的VLAN，現由于業務要求需要兩個部分互相能夠訪問。

技術原理：三層交換機具備網絡層的功能，實現VLAN相互訪問的原理是利用三層交換機的路由功能。通過識別數據包的IP抵制，查找路由表進行選路轉發。三層交換機利用直連路由可以實現不同VLAN之間的互相訪問。三層交換機給接口配置IP抵制，采用SVI（交換機虛擬接口）的方式實現VLAN間互連。SVI是指為交換機中的VLAN創建虛擬接口，并且配置IP地址。

實驗步驟：

在二層交換機上配vlan2，vlan3，將端口port0/1 加入vlan2，將端口port0/2加入vlan3。

將二層交換機與三層交換機相連的端口port0/24定義tag vlan模式。

在三層交換機上配置vlan2，vlan3，此時在二層交換機vlan2，vlan3下各機之間不能互相通信。

配置三層交換機vlan間通信，創建vlan2，vlan3的虛擬接口，并配置虛擬接口vlan2，vlan3的IP地址。

查看三層交換機路由表。

將二層交換機vlan2，vlan3下的主機默認網關分別設置為虛擬接口的IP地址。

驗證二層交換機vlan2，vlan3口下的主機之間的互相通信。

用思維導圖展現上面的實驗報告，如圖1所示，在該圖中通過中間的交換機標志進行擴展，分列出此次實驗的幾方面重要內容，把實驗目標、實驗背景、技術原理、實驗步驟、網絡拓撲作為次主題，再根據各個次主題列出細節要點。最后整理思維過程，進行標注和完善。在利用MindMapper軟件繪制該圖時要強調多用色彩，多維度修飾，以增強效果、形成個人風格，這樣的圖給學習者的印象要深刻的多，其層次清晰、重點突出，特別是其并行性和放射性的結構，非常易于學習者進行宏觀分析和總體把握，并進一步產生新的聯想和想象，同時也可以將相關材料以文字，圖像，音頻，視頻，超鏈接，附件等多媒體方式呈現，也有助于激發學習者興趣。

在實驗課上，教師作簡要講述和操作后，學生自己開始動手配置，教師應盡量掌握每一位同學的配置情況，若學生在實際操作中遇到問題，教師應及時予以指導解答。教師對學生所繪制的思維導圖當中的實驗步驟進行檢查，幫助他們最大限度地理清配置思路。

3.2.2 實驗課的課后復習

多次實驗后，需要對所學口令的配置進行一定程度的復習。路由器和交換機的基礎配置有很多相似之處，及時地對比和總結可以幫助學生做到舉一反三。而在高級配置中，路由和交換機的配置各有不同，路由器的高級配置主要是針對多種路由協議的配置，而交換機的高級配置主要是介紹VLAN配置，端口安全等。掌握了這些異同，教師在授課過程中就可以很清晰地畫出兩種網絡設備口令配置的差異之處。以路由配置口令復習課的內容為例，利用MindMapper制作出口令復習圖，如圖2所示。

圖2可以在學生和教師的共同努力下完成，開始可以手繪，最后再用軟件進行展示。通過對圖2的一步步繪制，不僅充分展示了路由器口令整體面貌，還可以利用軟件將關鍵字逐層展開，同時使用連接線把有關聯的關鍵字連接起來，便于學生全面理解和掌握。可以說，在復習時運用思維導圖有利于建立知識框架，突出重點、難點內容，避免重復性學習，一方面已有的關鍵詞刺激大腦追尋記憶，組織已學知識，另一方面刺激大腦發散聯系，建構新的知識。

4 結束語

知識可視化的應用，對于教學方法的改進、教學組織的設計、教學效率的提高、教學效果的改善，以及學生學習方法的改進和學習效率的提高都有著非常有益的作用[7]，而知識可視化過程中隨時存在的互動方式，可促進師生間的交流與溝通，使得師生在課堂上教學相長。相信在不久的將來，知識可視化也會越來越成熟。當然，我們不能單純地追求新技術，只有當利用知識可視化工具進行教學成為一種習慣，而不只是興趣，學習者和教學者才會從中得到極大收獲。

參考文獻：

[1] 鐘志賢.深呼吸：素質教育進行[M].教育科學出版社，2003.

[2] 趙永慶，黃榮懷，陸志堅.知識可視化的理論與方法[J].開放教育研究，

2005.11（1）：23-24

[3] 邱婷.知識可視化作為學習工具的應用研究[D].江西師范大學，2006.

[4] 東尼·博贊，巴利·博贊.思維導圖[M].中信出版社，2009.

[5] 張鄂勇.思維導圖的三招十八式[M].電子工業出版社，2012.

[6] 甘剛，孫繼軍.網絡設備配置與管理[M].中國水利水電出版社，2009.

[7] 姜世華，陳新紅，梁鵬.知識可視化在計算機教學中的應用[J].東北農

業大學學報（社會科學版），2012.10（2）：80-81