思维可视化在计算机网络教学中的应用
摘要：文章针对计算机网络课程的内容抽象、知识量大、知识更新快的特点，提出将思维可视化应用于计算机网络教学，通过思维导图等可视化工具将教学内容可视化，将隐性思维显性化，显性思维高阶化。通过真实交换设备配置、虚拟实验平台和各种工具软件将网络数据包的信息可视化。实践证明将思维可视化应用到教学中，教学效果良好，使学生的学习效率与学习能力得到提高，使学习成绩显著提升，可将该模式推广到其他学科教学。
关键词：思维可视化；可视化工具；学习能力；计算机网络
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1002-4107（2021）04-0067-02
一、研究背景
当前教学普遍借助于优质的网络教学资源，对于基本知识的学习，学生在课前通过学习视频实现[1]。但是，在线教学视频采用碎片化知识讲解，优点是视频时间短，学生学习目标明确，针对性强，缺点是知识分散。学生对知识之间的联系不够清晰，对知识总体结构把握不好，学生记不住所学习的内容。
计算机网络的知识点很多，知识之间的联系也较复杂，内容抽象，学生不容易理解，按照常规的教学方法，经常听到后面的，忘记前面的，报怨知识太多记不住，听不懂，从而失去学习兴趣。本文将思维可视化工具引入课堂教学，可达到使学生想学、会学，最终学会的目的。
二、思维可视化概述
（一）思维可视化的内涵
思维可视化（Thinkingvisualization）是指利用流程图、概念图、思维导图等图示技术把原本不可见的思维（包括思考方式方法和思考问题的角度、路径）呈现出来，使思维过程清晰可视，也就是隐性思维显性化[2]。思维可视化应用在科研、商业和教育等领域。其应用于教育领域，讲授者可以把要讲授内容以图示呈现，能够将抽象的内容形象化、直观化并且具体化，能够更好展现实物之间的区别与联系，能够减轻学习者负担，可使所教授的理论更容易被理解和记忆，从而使学习者把更多精力投入到内容的深层次学习中[3]。
（二）思维可视化工具促进学习原理
一个人学习新知识的效果与以下几个方面有关系：一是与要学习知识本身的复杂程度有关，复杂的知识学习对学习者来说肯定有难度，相对于简单的知识的学习效果要稍微差一些；二是与学习者的自身现有知识水平与认知能力有关；三是与学习方法有关；四是与施教者的教学方法有关，与施教者呈现知识的形式与采用的教学活动有关。对于知识本身复杂程度与学习者现有认知能力不可改变，但是施教者可以把抽象的内容以图示等技术可视化，降低学习者的学习难度，通过思维可视化启迪学习者的思维[4]。
三、思维可视化应用于计算机网络课程教学
（一）利用思维可视化工具实现教学内容可视化
当前网络教学资源丰富，基本知识都是通过在线视频学习，课堂完成学生学习效果评价，实现对基本学习内容的扩展延伸，培养学生的高阶思维能力。线上视频基本都是按照知识点来设计，把一节课内容拆分成很多个知识点，每个点用一个视频来呈现[5]。这种模式的教学视频的优点是时间短，有针对性讲解，缺点是知识间联系不明显，有只见树木不见森林之感。不利于学生对整体的把握。所以教师在课堂教学课件设计中的关键不仅呈现视频的内容，而且还要能呈现内容之间的逻辑联系；对知识点多、复杂且分散的内容用思维导图呈现；对于对比强烈的知识以概念图呈现。对一次课的内容可以找出一个关键点放到中心位置，通过放射性思维，把与其相关的知识的关键词语展现在分枝上，离中心点越近的关键词语越重要，逐步扩散，直到最后的分枝为止。思维导图可体现知识点之间的联系，便于学生知识体系构建、理解与记忆，提高了学生的学习效率和学习效果。思维导图是教师在教学过程通过启发提问，引导学生画出的。原本10多页的PPT，可以通过一幅思维导图全部描述出来，最关键的是思维导图可以展示知识点间的联系，既强化了学生的记忆，又培养了学生对知识的提炼和概括能力，达到布鲁姆认知的低阶目标——记忆、理解。
（二）设置情境，问题驱动，利用思维导图培养学生
高阶思维能力
在互联网时代，知识的获取途径增多，教师的主要教学目标不再是传授知识，而是启迪思维，引导和激发学生的学习兴趣，促进学生能积极主动进行自主学习，培养学生高阶思维能力，促进学生对知识有更深层次认知。
教师在授课过程中，通过设置情境，先从学生已知的知识和生活常识入手，提出问题。例如：TCP协议是计算机网络中比较复杂的问题。教学过程中提出如何保证数据传输的可靠性？建立连接的报文与传输数据的报文有什么区别？发送方如何知道接收方没有收到数据？报文超时重传的时间是如何确定的？流量控制是由发送方控制还是接收方控制？等等一系问题。采用问题驱动教学法和启发引导教学法，整个课堂学生是中心，教师是引领者，针对学生课前学习的内容提出问题，激发学生的学习热情，带动课堂节奏。激发學生思考，实现对知识的深入探究，培养学生高阶思维，以及分析、综合、批判、创造能力。例如对于TCP协议的理解，不是简单理解协议格式，而是挖掘出协议字段实际应用和最初设计的思想。学生如果能够回答这些问题，就可以懂得协议为什么设计成现在的格式，还有哪些要改进的地方，从而培养学生的创新能力。
（三）利用思维可视化工具，培养学习能力
有研究表明一个人一生所学习的知识只有10%是从学校获得的，其余90%都是在实际应用中不断自学的。因此，大学教育主要目标在传授专业知识的同时，更重要的授之以渔——传授学习方法，使学生会学，激发学生学习热情，使学生想学，最终达到学会的目的。双一流背景下人才培养目标为价值塑造、能力培养、知识传授三位一体。学生不能仅学专业课程，还要学习通识课程，需要学习的课程门数增多，每门课要求并没有下降，学生总抱怨东西太多，记不住，学完就忘。在学习时间有限的情况下，如何提高学习效率和效果是大学教育的一个难题。根据大脑的工作原理，要想记忆知识，知识间必须有一定的联系，才容易记忆。在课堂教学中教学生如何画思维导图，如何从大量知识中提炼出关键点，如何把分散的知识联系起来，即对所学知识进行整理。使学生掌握学习新知识、复习旧知识策略，使学生会学习。
（四）利用思维可视化工具，进行小组讨论学习
课前学生利用在线教学视频进行自主学习，课堂教学任务是对学生课下的学习效果进行评价考核。计算机网络教学采用分组教学，以小组为单位进行考核评价，以小组为单位进行汇报，培养学生团队协作能力。汇报的学生通过抽签决定，要求每个小组成员都要能完成相应的任务，小组成员之间要相互学习与交流，可以通过思维导图、概念图、流程图等可视化工具进行，使学生复杂的思维过程变得简洁、直观。发言的学生借助于可视化工具代表小组发言更容易让其他同学理解，培养了学生的表达能力和交流能力。
（五）基于思维可视化进行计算机网络实践教学
计算机网络内容抽象，实际应用广泛，为了将抽象知识可视化、形象化，要将计算机网络理论学习与实践相结合。通过网络服务器的架构、网络设备的配置、网络协议分析等多种实验实现。首先学生可在自己的计算机上安装虚拟机软件VMware，在虚拟机中克隆多台机器，实现在一台计算机上架设FTP、DNS、DHCP、HTTP等多种服务器搭建实验、VPN实验、NAT实验等关于网络管理的实验。学生可随时在自己的机器上做实验，实验效果直观，能够直接看到实现的结果和存在的问题。
为了更好地理解网络协议，利用学校购置的协议仿真系统进行协议仿真实验，使学生可以看到协议通信的实现过程，可以有效地帮助学生理解抽象网络协议的理论知识。同时也让学生在自己电脑上安装嗅探器进行抓包分析。
对于网络设备的配置实验，可通过学校购置的华为网络进行交换机、路由器的配置，同时将网络模拟器软件引入实验教学，也可以引导学生通过模拟器软件进行网络拓扑的设计，进行交换机、路由器等设备的配置与测试，直观看到配置的效果。
四、结语
经过两个轮次的教学实践证明，将思维可视化应用到计算机网络教学，提高了学生的学习兴趣与能力。课程教学虽然减少了8学时，但是教学效果确实提升了。学生普遍对计算机网络课程感兴趣，能够很好地理解计算机网络协议，普遍觉得计算机网络不难学，学生的综合评价平均分提升了2分。通过多种环境的可视化实验，学生动手能力均得到提高。将思维可视化应用到课程教学达到了使学生想学、会学、学会的目的，值得在大学的其他学科进行推广。