Резюме. Статията е посветена на създаването и използването на обогатен с динамични и интерактивни модели методически инструментариум за преподаване на учебно съдържание по дисциплината „Компютърни мрежи и комуникации“. Направен е анализ на резултатите, получени от провеждането на педагогическо изследване за проверка на постиженията на обучаваните чрез онагледяване на теоретичното съдържание с условно изобразителни и динамични модели.

Ключови думи: networks, communications, training, dynamic visibility, communicative simulacrum, animation

В последните десетилетия рязко нарасна приложението на компютърните мрежи и комуникации (КМК) в практиката. Многократно се повиши необходимостта от добре подготвени специалисти в тази област. Ето защо в учебните планове на много средни училища и университети се предвижда изучаването на дисциплината „Компютърни мрежи и комуникации“. Заложени са сравнително сложни знания и умения в областта на софтуера и хардуера. Това поставя въпроса за създаване на методически инструментариум за преподаване, който е по-различен от стандартния при обучението по информатика и информационни технологии. В (Стоицов, 2012) е коментирано изполването на динамични и интерактивни модели в учебно съдържание по „Компютърни мрежи и комуникации“.

Опитът и наблюденията ни от преподаването на „Компютърни мрежи и комуникации“ в някои средни и висши училища ни дават възможност да направим извода че за представяне на теоретичната част от учебното съдържание най-често се използват:

• методи за устна комуникация – лекция, обяснение, дискусия и обсъждане;

• метод за работа с документация – проучване на допълнителна литература;

• онагледяване чрез схеми, чертежи, картини, таблици, графики и диаграми.

Прави впечатление липсата на динамични и интерактивни модели за представяне на учебното съдържание там, където е възможно. Допускаме, че този вид онагледяване подкрепя хипотезата за подобряване на ефективността на обучението. Подходът ще активира когнитивни процеси като възприятие, асоциация и разсъждение, за които е известно, че са част от цялостната система за придобиване на знания.

В настоящата работа ще използваме понятията: виртуално знание, виртуално умение и комуникационен симулакрум, които са дефинирани в (Стоицов, 2012) .

Според Българския тълковен речник знанието е съвкупност от факти от една област, които едно лице е усвоило. Отнасянето на дефиницията към виртуалното пространство формира ново понятие - виртуално знание. То може да се дефинира като знание за обекти и събития, получено във виртуална среда чрез изследване на динамични виртуални модели. Това ще осигури така наречената динамична нагледност, която се отнася към дидактическия принцип за нагледност в обучението. Един от подходите, който може да ни осигури такава динамика, е създаването и използването на софтуерни имитационни модели (в нашата конкретна работа използваме като синоним и термина комуникационен симулакрум) (фигура 1).

Целта на този подход е да осигури един междинен етап при обучението, който да обхваща виртуално представяне на съдържанието по дисциплината. Това значително ще улесни работата на преподавателя, ще ангажира вниманието и интереса на обучаемия и ще създаде предпоставка за улесняване на процеса на усвояване на последователността от събития при конкретен комуникационен сценарий.

Всяка комуникационна схема има точен модел и алгоритъм, по който протича. Описанието ѝ в учебното съдържание най-често е представено схематично или словесно. Софтуерният имитационен модел е следващият етап на нагледност – анимиране на описанието.

Една от причините за въвеждането на такъв тип обекти в обучението е отчитането на факта, че не всеки преподавател има достатъчно знания и опит, за да използва специализиран софтуер, който да пресъздаде комуникационния процес. Софтуерни решения като IT Guru Academic Edition 9.1 и Cisco Packet Tracer са полезни мрежови инструменти за моделиране и симулация на различни мрежови концепции, но те изискват повече знание и опит, за да могат да бъдат използвани от двете страни в процеса на обучение. При всяка конфигурация на симулационна мрежа се изискват точни данни. Всяка грешка може да провали симулацията, а натрупаните грешки не винаги са ясни. Те трябва да се изследват, за да се коригират проблемите. Следователно преподавателят трябва да има много добри теоретични и практически познания за работа с подобен софтуер. Нивото на обучаемите също влияе върху подходите за представане на учебното съдържание.

Динамичните модели, неангажиращи със своята сложност и начин на използване, се оказват подходящ вариант за обучение в начален етап по компютърни мрежи и комуникации. На фигура 1 е показана позицията, която заема софтуерният имитационен модел при представянето на учебното съдържание.

Една от разновидностите, която използваме, е комуникационният симулакрум. Чрез него идентифицираме група от динамични виртуални модели, осигуряващи динамична нагледност на основни комуникационни процеси, включени в учебното съдържание. Предназначението му е да формира знания и умения в това направление. Основни изисквания към него са:

1. цялостно или частично отразяване на поведението на определен комуникационен процес;

2. събитията, предизвикващи промяна в състоянието на системата, са заложени предварително при реализацията му;

3. представянето да бъде придружено с обяснително съдържание;

4. да не е симулация.

Създаването на такъв обект може да бъде постигнато с различни средства, които също изискват компетентност в конкретната област, но тук въпросът се отнася до тяхното лесно използване в учебния процес. Това означава те да бъдат разработени и предоставени като помощен инструмент към определена тема от учебното съдържание.

Предложеното учебно съдържание по дисциплината „Компютърни мрежи и комуникации“ (Стоицов, 2012) обхваща теми, съобразени с актуалните мрежови технологии, включени в програмите за сертифициране CompTIA Network+Certification Exam (Roberts, 2005), Networking Fundamentals на Novell и CCNA на Cisco (Шиндър, 2009). Обособените раздели са: OSI модел, LAN/MAN (IEEE 802.x, FDDI, AppleTalk, ARCNet), WAN(X.25, Frame Relay, ATM, PSTN, ISDN, xDSL, T-carrier, B-ISDN, SONET, CATV), междинни устройства (рутери, мостове, комутатори, повторители, модеми, концентратори), мрежови протоколи (TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX). Всяка една от тях предоставя богат набор от комуникационни сценарии за създаване на динамични модели. До момента с помощта на продукта Flash са разработени 21 софтуерни имитационни модела (означени с S1, S2, ...), тясно свързани с тематиката на учебното съдържание (таблица 1).

При отчитане на факта, че сигналите в природата са аналогови (а повечето съвременни комуникационно-информационни устройства се базират на цифрови сигнали), от преподавателя се очаква да разясни понятия като: аналогов сигнал, дискретизиран сигнал, квантован сигнал, цифров сигнал, кодиране на сигнал и модулация. Динамичният модел с номер S1 визуализира процес, наречен импулсно-кодова модулация (Pulse Code Modulation) и е създаден за демонстриране на изброените понятия и тяхната логическа последователност.

Mултиплексирането е метод за споделяне на обща комуникационна линия от различни потоци от данни. Осъществяването му е възможно чрез няколко подхода: честотно деление (FDM-Frequency Division Multiplexing), времеделение (TDMTime Division Multiplexing), статистическо деление (SM–Statistical Multiplexing) и мултиплексиране чрез разделяне по дължината на вълната с висока плътност (DWDM-Dense wavelength division multiplexing). Визуализацията е реализирана чрез софтуерен имитационен модел с пореден номер S2.

Представянето на идеята за начина на функциониране на основните видове комутации е постигнато чрез симулакрумите S3 (комутация на канали), S4 (комутация на съобщения) и S5 (комутация на пакети – режим на виртуално съединение).

Под номер S6 е разработена динамична визуализация на действителния поток на протоколните единици за данни (Protocol Data Unit-PDU) между отделните слоеве на OSI модела. Обозначени са слоевете и наименованието на съответните единици за данни за всеки един от тях. Визуализацията дава възможност да се проследи движението на PDU в двете посоки, като изобразява процеса на капсулиране на протоколните единици на различните нива.

Две от разновидностите на ARQ (Automatic Repeat reQuest) протокола, използвани за предаване на кадри и пакети на канално и транспортно ниво от OSI модела, са отличени с номерата S7 и S8. Това са старт-стоп методът (Stop-and-wait ARQ) и методът на „плъзгащия се прозорец“ (Go-Back-N ARQ).

Виртуалните умения (Стоицов, 2012) на обучаемите могат да бъдат развити с използване на създадените интерактивни приложения S9 и S10, които дават възможност за тестване на знанията, свързани с поставяне на типичните за този стандарт конектори към кабела. Разгледани са двата стандарта Т568А (фигура 2а) и Т568В (фигура 2б), които осигуряват възможност за реализирането на прав (straight-through) и кръстосан (crossover) кабел.

Разясняването на метода на достъп до преносната среда при стандарт IEEE 802.3, означен като множествен достъп с разпознаване на носещата и откриване на колизии (CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection), е постигнато с реализацията на S11, където се демонстрира нормално протичаща комуникация между компютри в един колизионен домейн, възникаване на колизия и подаване на jam сигнал за потушаването ѝ.

Начинът на функциониране на протокола Token Bus е демонстриран чрез симулакрума S12, където физическата топология е тип „шина“, а комуникацията следва логически кръг, обособен от номерата на крайните възли, подредени в низходящ ред.

За представяне на идеята за функциониране на мрежа от тип IEEE 802.5 (Token Ring) е разработен софтуерен имитационен модел (S13). Представената физическа топология е тип „звезда“ и е постигната чрез концентратор (MSAU), запазващ кръговата топология на протокола.

Динамичната визуализация (S14) на стандарта FDDI включва: топология „двоен кръг“, функциониране на протокола и техниката на бързото освобождаване на маркера, режимите: предаване на маркер; предаване на данни; промяна на топологията на мрежата при възникване на неизправност в кабелната система или отпадане на станция.

Нагледно проследяване на поведението на честотната лента при нормално и увеличено натоварване при договорената информационна скорост (CIR) за стандарта Frame Relay е реализирано под номер S15. Последните четири визуализации са свързани с представянето на ролята и функционирането на устройствата, използвани за съгласуването на две мрежи в долните слоеве на OSI модела (internetworking). Например, S16 и S17 демонстрират два от основните методи, използвани при функционирането на суич (Cisco, 2007):

• Cut-through (S16)–хедърът на пакета се запомня в буфера на порта. Чете се МАС адреса на дестинацията, който е в началото на кадъра след преамбюла. По адресната таблица се определя портът за дестинация и резултатът е незабавно препращане към целевия възел въпреки продължаващото приемане на останалата част от кадъра. Откриването на грешки се извършва от получателя. Методът е създаден, за да намали забавянето в обработката на кадъра (латентният период на суича).

Софтуерният имитационен модел, реализиращ този метод, демонстрира вариант за предаване на кадър без грешки и с грешка.

• Store and forward (S17) – целият пакет се записва в буфера и се проверява за грешки. При правилно приемане на кадъра се предприема препредаването му към получателя. При грешка кадърът се унищожава. Този метод има по-голям латентен период на суича.

Софтуерният имитационен модел с номер S18 представя функционирането на суич, използващ технологията Transparent Bridging. Тази технология позволява на суича да получава необходимата информация за отделните възли, участващи в локалната мрежа, без да е необходима намеса на администратор. Според Cisco (Cisco, 2007) при Transparent Bridging могат да се разграничат пет логически обособени части: обучение (Learning), запитване (Flooding), филтриране (Filtering), пренасочване (Forwarding), стареене (Aging) .

Последният динамичен модел (S19) реализира свързаност между LAN и WAN чрез NAT. Може да бъде използван за разясняване на функционирането на рутер.

На схемата (фигура 3а и 3б) е изобразена свързаност на локална към глобална мрежа чрез рутер, както и неговите Routing и NAT таблици. Пресъздадена е комуникация между два компютъра. Компютър номер 1 принадлежи на LAN и притежава локален IP адрес 192.168.0.100. Компютър номер 3 е част от WAN с глобален IP адрес 194.141.98.98. Портът за глобална комуникация на рутера отговаря на глобален IP адрес 89.215.110.67, докато в локалната мрежа изпълнява ролята на шлюз с адрес 192.168.0.1.

Направен е анализ на резултатите, получени от провеждането на педагогическо изследване по дисциплината „Компютърни мрежи и комуникации“ със студенти от ФМИ на ПУ. Целта на изследването е да се направи проверка на постиженията на обучаемите след онагледяване на теоретичното съдържание със софтуерни имитационни модели. Този анализ доказва повишеното качество на обучението и стимулирането на когнитивните процеси при студентите.

В изследването участват общо 332 студенти, разделени на две групи: Група 1 – общо 161 студенти и Група 2 – общо 171 студенти.

Обработка на резултатите за група 1 (Тест А)

На таблица 2 се вижда, че контролната група е съставена от 29 студенти, а експерименталната от 132. Представено е честотното разпределение на резултатите от баловете.

От таблицата се вижда, че разликата на средния бал е 2.87, а на процентите на успелите студенти е 43% в полза на експерименталната група. Тези резултати сами по себе си потвърждават допуснатата хипотеза, че използваното онагледяване на съдържанието ангажира вниманието и интереса на обучаемите и създава предпоставка за улесняване на процеса на усвояване на последователността от събития при конкретен комуникационен сценарий.

Остава да се направи проверка дали тази разлика е резултат от подобрения инструментариум за преподаване или е случайна. За целта е използвана програмата SPSS на фирмата IBM за анализиране на резултати от проведени изследвания. Сравняването на резултатите на двете съвкупности се извършва чрез t-критерий за две независими извадки.

Полученият резултат показва, че разликата между двете измервания не се дължи на случайност, а е резултат от целенасочените действия. С други думи, потвърждаването на хипотезата не е със случаен характер.

Обработка на резултатите за група 2 (Тест В)

На таблица 3 се вижда, че контролната група е съставена от 39 студенти, а експерименталната от 132. Честотното разпределение на резултатите от баловете на двете групи са представени в същата таблица.

От таблицата се вижда, че разликата на средния бал е 2.35, а на процентите на успелите студенти е 26% в полза на експерименталната група.

Получените стойности, изчислени с програмата SPSS, отново показват, че разликата между двете измервания не се дължи на случайност, а е резултат от целенасочените действия. Следователно потвърждаването на допускането няма случаен характер и във втория случай.

БЕЛЕЖКИ

1. Cisco. (1 8 2007 r.). How LAN Switches Work. Свалено от Cisco: (http://www.cisco.com/image/gif/paws/10607/lan-switch-cisco.pdf

2. Roberts, R. (2005). Networking Fundamentals Course Outline & Text Materials. Свалено от Goodheart-Willcox: http://www.rmroberts.com/FTP_files/Networking_Course_Outline_2009.pdf

ЛИТЕРАТУРА

1. Стоицов, Г. (2012). Проект за организация на учебния процес по дисциплината „Компютърни мрежи и комуникации“. Сборник доклади на Национална конференция „Образованието в информационното общество“, Пловдив, 107-114.

2. Шиндър, Д. Л. (2009). Компютърни мрежи. София: СофтПрес.