歐陽國(guó)軍

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510507）

以知識(shí)可視化表征改進(jìn)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)的實(shí)踐

歐陽國(guó)軍

（廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510507）

知識(shí)可視化是運(yùn)用各種圖解的視覺表征手段來促進(jìn)知識(shí)創(chuàng)造和知識(shí)傳遞．針對(duì)當(dāng)前大學(xué)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)中理論講解抽象、實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，且更新跟不上技術(shù)發(fā)展的問題，提出了知識(shí)可視化解決方案，選擇了知識(shí)地圖、思維導(dǎo)圖、Sniffer、OPNET、Ppacket Tracer作為《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)表征的工具，并介紹了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)例．

知識(shí)可視化；視覺表征；網(wǎng)絡(luò)模擬；網(wǎng)絡(luò)仿真

1 問題提出

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程教學(xué)的難題，在技術(shù)層面上主要有：①課程中概念繁多，并且都是建立在抽象的理論模型基礎(chǔ)上，在真正的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中卻看不見，摸不著，只能靠想象；②網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，搭建一個(gè)模擬Internet真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)需要幾百萬元，由于資金所限，造成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)所需的軟件和硬件短缺；③計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一種高速發(fā)展的技術(shù)，新理論、新技術(shù)、新設(shè)備不斷問世，要取得好的教學(xué)效果，就需要及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)設(shè)施，這給辦學(xué)帶來極大的經(jīng)費(fèi)壓力．

知識(shí)可視化技術(shù)把抽象知識(shí)用形象的圖形圖像等視覺化手段表示出來，大大提高知識(shí)的可識(shí)別性，使知識(shí)更易于記憶、理解、加工和運(yùn)用；利用網(wǎng)絡(luò)模擬與仿真技術(shù)作為可視化工具，可以模擬任意規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)、仿真新協(xié)議和新設(shè)備的工作原理與工作過程，節(jié)省投資，升級(jí)方便，使學(xué)生能夠跟上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新?lián)Q代的速度，掌握最新的技術(shù)．

經(jīng)過實(shí)踐探索，針對(duì)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)類型，在教學(xué)中采用相應(yīng)的可視化表征工具，取得了良好的教學(xué)效果．

2 知識(shí)可視化視覺表征內(nèi)涵

知識(shí)可視化是在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域．它是指用視覺表征手段來呈現(xiàn)知識(shí)的一種方式，實(shí)質(zhì)是將人們的個(gè)體知識(shí)以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用與人的感官的知識(shí)外在表現(xiàn)形式，從而促進(jìn)知識(shí)的傳播與創(chuàng)新[1]．

知識(shí)可視化的理論基礎(chǔ)是雙重編碼理論，心理學(xué)家Pavio是雙重編碼理論的提出者[2]．

雙重編碼理論假設(shè)，存在著兩個(gè)認(rèn)知的子系統(tǒng)：其一專用于對(duì)非語詞事物、事件(即映像)的表征與處理，而另一個(gè)則用于語言的處理．Pavio同時(shí)還假定，存在兩種不同的表征單元：適用于心理映像的“圖像單元”和適用于語言實(shí)體的“語言單元”．前者是根據(jù)部分與整體的關(guān)系組織的，而后者是根據(jù)聯(lián)想與層級(jí)組織的．雙重編碼理論還識(shí)別出三種加工類型：①表征性的：直接激活語詞的或非語詞的表征；②調(diào)用性的：利用非語詞系統(tǒng)激活語詞系統(tǒng)；③聯(lián)想性的：在同一語詞或非語詞系統(tǒng)的內(nèi)部激活表征．雙重編碼理論最重要的原則就是：可通過同時(shí)用視覺和語言的形式呈現(xiàn)信息來增強(qiáng)信息的回憶與識(shí)別．

因此，知識(shí)可視化技術(shù)把抽象知識(shí)用形象的圖形圖像等視覺化手段表示出來，將大大提高知識(shí)的可識(shí)別性，使知識(shí)更易于記憶、理解、加工和運(yùn)用．

3 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)分類與可視化工具選擇

3.1知識(shí)分類法選擇

運(yùn)用視覺表征將知識(shí)可視化時(shí)，必須考慮知識(shí)的類型屬性，對(duì)知識(shí)進(jìn)行合理的分類，劃分知識(shí)的類型，為不同類型的知識(shí)提供特定的可視化形式．在目前知識(shí)可視化領(lǐng)域中，還沒有一個(gè)能夠?qū)⒖梢暬问脚c知識(shí)類型相對(duì)應(yīng)的知識(shí)分類法[3]．

在實(shí)踐中，采用了聯(lián)合國(guó)經(jīng)合組織（OECD）在《以知識(shí)為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)》[4]的報(bào)告中提出的知識(shí)分類法，從知識(shí)經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的角度將知識(shí)分為四種：知道是什么的事實(shí)知識(shí)（Know-what）；知道為什么的原理知識(shí)（Know-why）；知道怎樣做的技能知識(shí)（Know-how）和知道誰有知識(shí)的專家知識(shí)（Know-who）．

3.2可視化工具選擇

在皮爾斯博士的《知識(shí)工作者的可視化工具—批判性思考的助手》一書中總結(jié)了48種圖表(書中稱為組織信息的可視化方法)形式，包括概念地圖、維恩圖、歸納塔、組織圖、時(shí)間線、流程圖、棱錐圖、射線圖、目標(biāo)圖、循環(huán)圖、比較矩陣等．根據(jù)《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)的特點(diǎn)和多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中主要采用了知識(shí)地圖、思維導(dǎo)圖、Sniffer、OPNET、Packet Tracer作為可視化工具．

3.2.1 知識(shí)地圖

知識(shí)地圖在知識(shí)管理領(lǐng)域具有廣泛的用途：①作為知識(shí)指南，顯示哪些資源可以利用；②作為知識(shí)管理工具，可以幫助用戶知道在何處能找到知識(shí)；③作為知識(shí)目錄和領(lǐng)域?qū)＜业膶?dǎo)航，它允許對(duì)所描述的知識(shí)資源進(jìn)行處理、瀏覽和形象化；④知識(shí)資源的總分布圖，包括資源的總目錄和各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，也是一個(gè)專家網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)知識(shí)技能及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业拿枋?；⑤能可視化地顯示獲得的信息及其相互關(guān)系，它促使不同背景下的使用者在各個(gè)具體層面上進(jìn)行有效的交流和學(xué)習(xí)知識(shí)．

3.2.2 思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖就是抓住事物的關(guān)鍵，通過聯(lián)想和想象找到與事物的聯(lián)系，用圖像和色彩把這一過程放射性的畫出來，把一長(zhǎng)串枯燥的信息變成彩色的、容易記憶的、有高度組織性的圖畫，它與我們大腦處理事物的自然方式相吻合．

使用NovaMind軟件制作的思維導(dǎo)圖可以像PPT一樣播放，解決了PPT上下文關(guān)聯(lián)不強(qiáng)、不易突出邏輯結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)．

用幫助人思考記憶的思維導(dǎo)圖來展示知識(shí)，邏輯條理清晰，易于理解和記憶；不會(huì)脫離上下文，能隨時(shí)看到周圍的內(nèi)容，很好地表達(dá)整體與局部的關(guān)系；具有與觀眾做交互的功能，方便在演示過程中隨時(shí)修改．

3.2.3 Sniffer

Sniffer是一個(gè)獲取網(wǎng)絡(luò)包、分析包、產(chǎn)生包的軟件，Sniffer可以在全部7層協(xié)議上進(jìn)行解碼．Sniffer采用類似剝洋蔥的方式從最低層開始，一直到第7層，每一層使用不同的顏色加以區(qū)別．

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中，分層和協(xié)議簇是兩個(gè)非常重要的概念，同時(shí)也非常抽象，傳統(tǒng)的方法是利用實(shí)際的事例進(jìn)行類比，再配合使用多媒體的動(dòng)畫演示幫助學(xué)生理解，如分析郵寄包裹的過程，但實(shí)際效果不是特別好．我們?cè)诮虒W(xué)過程中充分利用Sniffer對(duì)數(shù)據(jù)包的分析解碼功能，來幫助學(xué)生理解．

3.2.4 OPNET

OPNET是一種通信協(xié)議建模和仿真工具，具有先進(jìn)的建模機(jī)制、完備的模型庫(kù)、完善的外部接口等優(yōu)點(diǎn)．

OPNET將通信網(wǎng)絡(luò)仿真的各個(gè)階段集成在一起，包括模型的設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段，采用基于離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)制，仿真中各個(gè)模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息；基于包的通信機(jī)制，通過仿真包在仿真模型中的傳遞來模擬實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的流動(dòng)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部的處理過程．采用三層建模機(jī)制，最低層為進(jìn)程層模型，以有限狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議，其上是節(jié)點(diǎn)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反應(yīng)設(shè)備特性，最上層為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停龑幽Ｐ秃蛯?shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，具有很好的繼承性和可重用性．

3.2.5 Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，其特點(diǎn)主要有：

①提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)多種構(gòu)件——各種型號(hào)的交換機(jī)、路由器、主機(jī)及無線AP等，并且可通過圖形用戶界面或文本界面對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行基本配置；

②提供邏輯空間和物理空間兩種設(shè)計(jì)模式．邏輯空間模式用于進(jìn)行邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)；物理空間模式支持構(gòu)建城市、樓宇、辦公室、配線間等虛擬設(shè)置；

③Packet Tracer提供設(shè)計(jì)模式（Topology）及模擬模式（Simulation）．用戶在設(shè)計(jì)模式中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行配置；切換到模擬模式可觀察協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）在網(wǎng)絡(luò)中的傳送過程，查看交換機(jī)的交換表及路由器的路由表，實(shí)時(shí)跟蹤PDU在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)處理過程，觀察網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況；

④支持性能分析．在仿真的過程中，允許用戶修改其中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shí)體參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，靈活地設(shè)置網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中每個(gè)實(shí)體的參數(shù)，可以只獲取自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行細(xì)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)．

3.3《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》[5]知識(shí)類型與可視化表征工具

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)與可視化表征工具，見表1．

4 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》可視化教學(xué)實(shí)例

4.1《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)地圖的構(gòu)建

知識(shí)地圖的構(gòu)建過程包括知識(shí)的識(shí)別與組織、知識(shí)分級(jí)、建立聯(lián)系和展現(xiàn)知識(shí)地圖幾個(gè)步驟[6]．《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)地圖總體結(jié)構(gòu)見圖1所示．

知識(shí)模塊中的知識(shí)點(diǎn)可以依據(jù)知識(shí)的發(fā)展和演化關(guān)系進(jìn)行分層并建立聯(lián)系，按照一般人的認(rèn)知順序來呈現(xiàn)．知識(shí)點(diǎn)之間的層次和連接關(guān)系體現(xiàn)了學(xué)習(xí)的先后順序和依賴性，同一層次的知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系相對(duì)較弱， 可以自行把握學(xué)習(xí)的時(shí)序性．

4.2用思維導(dǎo)圖制作課件

借助NovaMind制作課件，通過知識(shí)呈現(xiàn)的直觀化、形象化、本質(zhì)化，促進(jìn)教師擁有的專家級(jí)知識(shí)的傳播與創(chuàng)新，在傳輸事實(shí)的同時(shí)，還將教師的見解、經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、價(jià)值觀、期望傳輸給學(xué)生．

圖2是OSPF路由協(xié)議思維導(dǎo)圖課件．在演示時(shí)可以任意指定幻燈片中顯示的節(jié)點(diǎn)，可以指定幻燈片顯示的視野范圍，幻燈片的切換通過動(dòng)畫無縫完成，幻燈片和總圖連為一體，不會(huì)丟失上下文．

4.3TCP/IP分層結(jié)構(gòu)演示

表2所示為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的4層協(xié)議，不同層次完成不同的功能，每一層都有眾多協(xié)議組成．

在Sniffer 解碼表中分別對(duì)每一個(gè)層次協(xié)議的解碼分析，DLC對(duì)應(yīng)鏈路層，IP對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層，UDP對(duì)應(yīng)傳輸層，RTP對(duì)應(yīng)應(yīng)用層高層協(xié)議．Sniffer可以針對(duì)眾多協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)化解碼分析，利用樹型結(jié)構(gòu)顯示，如圖3所示．

4.4利用Packet Tracer進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建與配置訓(xùn)練

利用Packet Tracer搭建如圖4所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，用于靜態(tài)路由配置與測(cè)試實(shí)驗(yàn)．

表2

圖1 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》知識(shí)地圖

圖2 OSPF路由協(xié)議思維導(dǎo)圖課件

圖3 TCP/IP分層結(jié)構(gòu)

圖4 靜態(tài)路由配置與測(cè)試

在RT0 上的進(jìn)行靜態(tài)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

同樣在RT1、RT2上完成靜態(tài)路由配置．

查看RT0路由表如圖5所示，使用tracert測(cè)試結(jié)果如圖6所示．

4.5WAN環(huán)境中幀中繼的PVC速度選擇設(shè)計(jì)仿真

在實(shí)驗(yàn)室搭建一個(gè)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要的成本是非常高昂的，甚至不可能實(shí)現(xiàn)．但大公司的運(yùn)營(yíng)卻非常需要，公司網(wǎng)管必須掌握其維護(hù)技術(shù)．

例如，Standard Chartered銀行有70個(gè)支行，一個(gè)總部大樓，還有一個(gè)Richmond處理中心．現(xiàn)需測(cè)試改變幀中繼的PVC的速度是怎樣影響應(yīng)用程序性能的．

圖5 RT0路由表

圖6 使用tracert測(cè)試結(jié)果

使用OPNET搭建WAN環(huán)境如圖7所示，設(shè)置幀中繼PVC協(xié)議參數(shù)，運(yùn)行仿真（run simulation），選擇測(cè)試參數(shù)（Global Statistics->DB Query-> Response Time(sec)），結(jié)果顯示（圖8），平均文件共享響應(yīng)時(shí)間約20 s．

圖7 Standard Chartered銀行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖8 PVC的速度改變對(duì)文件共享響應(yīng)時(shí)間的影響

5 結(jié)束語

知識(shí)可視化技術(shù)的引入可使原本抽象的理論學(xué)習(xí)、復(fù)雜的實(shí)踐轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、形象、有規(guī)律的知識(shí)進(jìn)行教學(xué)與實(shí)踐．

知識(shí)地圖、思維導(dǎo)圖的使用，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與創(chuàng)新性，使學(xué)生不但容易掌握所學(xué)知識(shí)，而且可使學(xué)生養(yǎng)成好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生的非專業(yè)素質(zhì)．

使用Snifer、OPNET、Packet Tracer作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作原理、組建過程、性能測(cè)試的可視化表征工具，可充分拓展實(shí)際網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵和外延．在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的不同階段分別使用Sniffer、OPNET、Packet Tracer軟件輔助教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，不僅可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解和對(duì)設(shè)備的熟練使用，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、開發(fā)創(chuàng)新和工程設(shè)計(jì)的能力，而且也使學(xué)生掌握了當(dāng)前的主流網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工具，為其今后的實(shí)際工作打下良好的基礎(chǔ)．

[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]趙國(guó)慶，黃榮懷，陸志堅(jiān)．知識(shí)可視化的理論與方法[J]．開放教育研究，2005，11（1）：24-27．

[4]百度文庫(kù)．以知識(shí)為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)1996年年度報(bào)告）[EB/OL]．http://wenku. baidu.com/view/ce3e7f76a417866fb84a8e13.html[2011-07-10]．

[5]徐敬東，張建忠．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第2版）[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009．

[6]劉鑫．智能型網(wǎng)站的知識(shí)地圖的實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究［D］．吉林：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，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

歐陽國(guó)軍（1964-），男，湖南人，碩士研究生，講師，主要研究方向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真．