以知识可视化表征改进《计算机网络》教学的实践

欧阳国军

（广东农工商职业技术学院计算机系，广东广州510507）

以知识可视化表征改进《计算机网络》教学的实践

欧阳国军

（广东农工商职业技术学院计算机系，广东广州510507）

知识可视化是运用各种图解的视觉表征手段来促进知识创造和知识传递．针对当前大学《计算机网络》教学中理论讲解抽象、实验设备短缺，且更新跟不上技术发展的问题，提出了知识可视化解决方案，选择了知识地图、思维导图、Sniffer、OPNET、Ppacket Tracer作为《计算机网络》知识表征的工具，并介绍了相应的教学实例．

知识可视化；视觉表征；网络模拟；网络仿真

1 问题提出

《计算机网络》课程教学的难题，在技术层面上主要有：①课程中概念繁多，并且都是建立在抽象的理论模型基础上，在真正的网络应用中却看不见，摸不着，只能靠想象；②网络实验设备价格昂贵，搭建一个模拟Internet真实运行环境的网络需要几百万元，由于资金所限，造成计算机网络实验所需的软件和硬件短缺；③计算机网络是一种高速发展的技术，新理论、新技术、新设备不断问世，要取得好的教学效果，就需要及时更新实验设施，这给办学带来极大的经费压力．

知识可视化技术把抽象知识用形象的图形图像等视觉化手段表示出来，大大提高知识的可识别性，使知识更易于记忆、理解、加工和运用；利用网络模拟与仿真技术作为可视化工具，可以模拟任意规模的网络、仿真新协议和新设备的工作原理与工作过程，节省投资，升级方便，使学生能够跟上网络设备更新换代的速度，掌握最新的技术．

经过实践探索，针对《计算机网络》知识类型，在教学中采用相应的可视化表征工具，取得了良好的教学效果．

2 知识可视化视觉表征内涵

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．它是指用视觉表征手段来呈现知识的一种方式，实质是将人们的个体知识以图解的手段表示出来，形成能够直接作用与人的感官的知识外在表现形式，从而促进知识的传播与创新[1]．

知识可视化的理论基础是双重编码理论，心理学家Pavio是双重编码理论的提出者[2]．

双重编码理论假设，存在着两个认知的子系统：其一专用于对非语词事物、事件(即映像)的表征与处理，而另一个则用于语言的处理．Pavio同时还假定，存在两种不同的表征单元：适用于心理映像的“图像单元”和适用于语言实体的“语言单元”．前者是根据部分与整体的关系组织的，而后者是根据联想与层级组织的．双重编码理论还识别出三种加工类型：①表征性的：直接激活语词的或非语词的表征；②调用性的：利用非语词系统激活语词系统；③联想性的：在同一语词或非语词系统的内部激活表征．双重编码理论最重要的原则就是：可通过同时用视觉和语言的形式呈现信息来增强信息的回忆与识别．

因此，知识可视化技术把抽象知识用形象的图形图像等视觉化手段表示出来，将大大提高知识的可识别性，使知识更易于记忆、理解、加工和运用．

3 《计算机网络》知识分类与可视化工具选择

3.1知识分类法选择

运用视觉表征将知识可视化时，必须考虑知识的类型属性，对知识进行合理的分类，划分知识的类型，为不同类型的知识提供特定的可视化形式．在目前知识可视化领域中，还没有一个能够将可视化形式与知识类型相对应的知识分类法[3]．

在实践中，采用了联合国经合组织（OECD）在《以知识为基础的经济》[4]的报告中提出的知识分类法，从知识经济应用的角度将知识分为四种：知道是什么的事实知识（Know-what）；知道为什么的原理知识（Know-why）；知道怎样做的技能知识（Know-how）和知道谁有知识的专家知识（Know-who）．

3.2可视化工具选择

在皮尔斯博士的《知识工作者的可视化工具—批判性思考的助手》一书中总结了48种图表(书中称为组织信息的可视化方法)形式，包括概念地图、维恩图、归纳塔、组织图、时间线、流程图、棱锥图、射线图、目标图、循环图、比较矩阵等．根据《计算机网络》知识的特点和多年的教学实践经验，在教学中主要采用了知识地图、思维导图、Sniffer、OPNET、Packet Tracer作为可视化工具．

3.2.1 知识地图

知识地图在知识管理领域具有广泛的用途：①作为知识指南，显示哪些资源可以利用；②作为知识管理工具，可以帮助用户知道在何处能找到知识；③作为知识目录和领域专家的导航，它允许对所描述的知识资源进行处理、浏览和形象化；④知识资源的总分布图，包括资源的总目录和各知识点间的关联，也是一个专家网络，用于对知识技能及相关领域专家的描述；⑤能可视化地显示获得的信息及其相互关系，它促使不同背景下的使用者在各个具体层面上进行有效的交流和学习知识．

3.2.2 思维导图

思维导图就是抓住事物的关键，通过联想和想象找到与事物的联系，用图像和色彩把这一过程放射性的画出来，把一长串枯燥的信息变成彩色的、容易记忆的、有高度组织性的图画，它与我们大脑处理事物的自然方式相吻合．

使用NovaMind软件制作的思维导图可以像PPT一样播放，解决了PPT上下文关联不强、不易突出逻辑结构的缺点．

用帮助人思考记忆的思维导图来展示知识，逻辑条理清晰，易于理解和记忆；不会脱离上下文，能随时看到周围的内容，很好地表达整体与局部的关系；具有与观众做交互的功能，方便在演示过程中随时修改．

3.2.3 Sniffer

Sniffer是一个获取网络包、分析包、产生包的软件，Sniffer可以在全部7层协议上进行解码．Sniffer采用类似剥洋葱的方式从最低层开始，一直到第7层，每一层使用不同的颜色加以区别．

在计算机网络课程中，分层和协议簇是两个非常重要的概念，同时也非常抽象，传统的方法是利用实际的事例进行类比，再配合使用多媒体的动画演示帮助学生理解，如分析邮寄包裹的过程，但实际效果不是特别好．我们在教学过程中充分利用Sniffer对数据包的分析解码功能，来帮助学生理解．

3.2.4 OPNET

OPNET是一种通信协议建模和仿真工具，具有先进的建模机制、完备的模型库、完善的外部接口等优点．

OPNET将通信网络仿真的各个阶段集成在一起，包括模型的设计、仿真、数据的收集和分析等阶段，采用基于离散事件驱动的仿真机制，仿真中各个模块之间通过事件中断方式传递事件信息；基于包的通信机制，通过仿真包在仿真模型中的传递来模拟实际物理网络中数据包的流动和节点设备内部的处理过程．采用三层建模机制，最低层为进程层模型，以有限状态机来描述协议，其上是节点模型，由相应的协议模型构成，反应设备特性，最上层为网络拓扑模型，三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，具有很好的继承性和可重用性．

3.2.5 Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco开发的网络仿真软件，其特点主要有：

①提供网络设计多种构件——各种型号的交换机、路由器、主机及无线AP等，并且可通过图形用户界面或文本界面对网络设备进行基本配置；

②提供逻辑空间和物理空间两种设计模式．逻辑空间模式用于进行逻辑拓扑结构的实现；物理空间模式支持构建城市、楼宇、办公室、配线间等虚拟设置；

③Packet Tracer提供设计模式（Topology）及模拟模式（Simulation）．用户在设计模式中设计网络拓扑结构，并对其进行配置；切换到模拟模式可观察协议数据单元（PDU）在网络中的传送过程，查看交换机的交换表及路由器的路由表，实时跟踪PDU在网络各节点的详细处理过程，观察网络实时运行情况；

④支持性能分析．在仿真的过程中，允许用户修改其中的网络拓扑、实体参数、网络协议等，灵活地设置网络仿真环境中每个实体的参数，可以只获取自己感兴趣的网络运行细节的相关数据．

3.3《计算机网络》[5]知识类型与可视化表征工具

《计算机网络》知识与可视化表征工具，见表1．

4 《计算机网络》可视化教学实例

4.1《计算机网络》知识地图的构建

知识地图的构建过程包括知识的识别与组织、知识分级、建立联系和展现知识地图几个步骤[6]．《计算机网络》知识地图总体结构见图1所示．

知识模块中的知识点可以依据知识的发展和演化关系进行分层并建立联系，按照一般人的认知顺序来呈现．知识点之间的层次和连接关系体现了学习的先后顺序和依赖性，同一层次的知识点间的联系相对较弱， 可以自行把握学习的时序性．

4.2用思维导图制作课件

借助NovaMind制作课件，通过知识呈现的直观化、形象化、本质化，促进教师拥有的专家级知识的传播与创新，在传输事实的同时，还将教师的见解、经验、态度、价值观、期望传输给学生．

图2是OSPF路由协议思维导图课件．在演示时可以任意指定幻灯片中显示的节点，可以指定幻灯片显示的视野范围，幻灯片的切换通过动画无缝完成，幻灯片和总图连为一体，不会丢失上下文．

4.3TCP/IP分层结构演示

表2所示为网络结构中的4层协议，不同层次完成不同的功能，每一层都有众多协议组成．

在Sniffer 解码表中分别对每一个层次协议的解码分析，DLC对应链路层，IP对应网络层，UDP对应传输层，RTP对应应用层高层协议．Sniffer可以针对众多协议进行详细结构化解码分析，利用树型结构显示，如图3所示．

4.4利用Packet Tracer进行网络组建与配置训练

利用Packet Tracer搭建如图4所示网络拓扑，用于静态路由配置与测试实验．

表2

图1 《计算机网络》知识地图

图2 OSPF路由协议思维导图课件

图3 TCP/IP分层结构

图4 静态路由配置与测试

在RT0 上的进行静态路由配置：

ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1

ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.4.2 10

ip route 192.168.5.0 255.255.255.0 192.168.4.2

ip route 192.168.5.0 255.255.255.0 192.168.2.1 10

同样在RT1、RT2上完成静态路由配置．

查看RT0路由表如图5所示，使用tracert测试结果如图6所示．

4.5WAN环境中帧中继的PVC速度选择设计仿真

在实验室搭建一个大规模的网络，需要的成本是非常高昂的，甚至不可能实现．但大公司的运营却非常需要，公司网管必须掌握其维护技术．

例如，Standard Chartered银行有70个支行，一个总部大楼，还有一个Richmond处理中心．现需测试改变帧中继的PVC的速度是怎样影响应用程序性能的．

图5 RT0路由表

图6 使用tracert测试结果

使用OPNET搭建WAN环境如图7所示，设置帧中继PVC协议参数，运行仿真（run simulation），选择测试参数（Global Statistics->DB Query-> Response Time(sec)），结果显示（图8），平均文件共享响应时间约20 s．

图7 Standard Chartered银行网络拓扑

图8 PVC的速度改变对文件共享响应时间的影响

5 结束语

知识可视化技术的引入可使原本抽象的理论学习、复杂的实践转化为简单、形象、有规律的知识进行教学与实践．

知识地图、思维导图的使用，有助于提高学生学习的主动性与创新性，使学生不但容易掌握所学知识，而且可使学生养成好的学习习惯，提高学生的非专业素质．

使用Snifer、OPNET、Packet Tracer作为网络系统工作原理、组建过程、性能测试的可视化表征工具，可充分拓展实际网络实验室的内涵和外延．在计算机网络课程教学的不同阶段分别使用Sniffer、OPNET、Packet Tracer软件辅助教学和实验，不仅可以加深对理论知识的理解和对设备的熟练使用，培养学生综合分析、开发创新和工程设计的能力，而且也使学生掌握了当前的主流网络应用工具，为其今后的实际工作打下良好的基础．

[1]Eppler M J, Bnrkard R A. Knowledge visualization：towards a new discipline and its fields of application，ICA Working Paper#2/2004[R]．University of Lugano．Schwartz D G ed. Encyclopedia of Knowledge Management, Idea Group，2004．

[2] Palvio A．Mental representations[M]．New York: Oxford University Press, 1986．

[3]赵国庆，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）：24-27．

[4]百度文库．以知识为基础的经济（经济合作与发展组织(OECD)1996年年度报告）[EB/OL]．http://wenku. baidu.com/view/ce3e7f76a417866fb84a8e13.html[2011-07-10]．

[5]徐敬东，张建忠．计算机网络（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2009．

[6]刘鑫．智能型网站的知识地图的实现技术研究［D］．吉林：长春工业大学，2007．

Representation of Knowledge Visualization in Teaching Computer Networks

OUYANG Guojun
（Department of Computer Science, Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou, Guangdong 510507, China）

Through graphic visual representation, knowledge visualization is an effective channel to promote knowledge creation and transmission. To address the problems in teaching Computer Networks including the sophisticated theories, the sharp shortage of experimental facilities, the approach of knowledge visualization is offered. Tools such as knowledge map, mind map, Sniffer, OPNET, Packet Tracer are introduced, and some teaching cases are presented.

knowledge visulization; visual representation; network analog; network simulation

TP393

A

1672-0318（2014）01-0051-06

2013-08-13

欧阳国军（1964-），男，湖南人，硕士研究生，讲师，主要研究方向网络系统设计与仿真．