虛擬實驗在大學(xué)計算機課程教學(xué)改革中的研究

李林　陳宇峰　李鳳霞

摘 要：針對大學(xué)計算機課程教學(xué)中存在的問題和不足，結(jié)合教育部大學(xué)計算機教學(xué)指導(dǎo)委員會修訂的計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求的指導(dǎo)思想和教學(xué)目標(biāo)，作者研究了虛擬實驗教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，開發(fā)并實踐了一系列虛擬實驗，構(gòu)建了理論與實驗相結(jié)合的大學(xué)計算機課程教學(xué)體系。實踐表明，虛擬實驗可以將抽象化的理論知識具體化、可視化，使學(xué)生真正理解理論知識并運用于實踐，有效地解決了大學(xué)計算機課程的教學(xué)問題。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；大學(xué)計算機；教學(xué)改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2017）08-0061-03

一、引言

大學(xué)計算機課程是面向非計算機專業(yè)大學(xué)本科一年級學(xué)生開設(shè)的一門計算機必修課，迄今該課程已經(jīng)開設(shè)了二十多年，該課程歷來是計算機基礎(chǔ)教育教學(xué)改革中的熱點。我國“十五”到“十一五”期間對該課程進行教學(xué)改革的最顯著成果是將課程的地位從原來的選修課改為公共基礎(chǔ)課，并逐步在課程體系及教學(xué)資源建設(shè)上取得了突破性進展。在國際上“計算思維”理念滲入到計算機基礎(chǔ)教育的形勢影響下，我國一批院士學(xué)者在“十二五”初期開始提出了以計算思維推動計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的思路，經(jīng)過了近五年的教改研究，一些先行者將支持計算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容注入了大學(xué)計算機課程，以此為核心展開教研和教學(xué)活動[1]。

如何更好地開展計算能力的培養(yǎng)，是一個值得探索的問題。計算能力既不是一種教學(xué)形式，也不是一種知識內(nèi)容，而是一種能力素質(zhì)，因此它必然通過學(xué)生主動思考學(xué)習(xí)獲得。在計算機基礎(chǔ)課程改革經(jīng)歷了從技能到能力、從工具到方法的過程后，基于計算思維的計算能力培養(yǎng)將成為第三次課程改革的核心概念和基本導(dǎo)向。我們可以很容易教會計算機的使用方法，也很容易讓學(xué)生去記憶并理解一些基礎(chǔ)知識，但是無法教授計算思維的能力，因此大學(xué)計算機教育更重要的是為學(xué)生提供這樣一種環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生去思考而主動獲得計算思維的能力。本文通過研究用虛擬實驗方法培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，幫助學(xué)生理解教學(xué)重點難點內(nèi)容，并闡述在新一輪的教育教學(xué)改革中實驗教學(xué)應(yīng)該如何設(shè)計和配合。

二、虛擬實驗教學(xué)方法與研究

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，也可以將可視的信息流動、不可見的微觀結(jié)構(gòu)以視覺方式展示，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。相較于傳統(tǒng)實驗，虛擬仿真實驗不受時空限制，并且可以完成真實實驗設(shè)備不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容[2-3]。

根據(jù)教育部大學(xué)計算機教學(xué)指導(dǎo)委員會關(guān)于《大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》的指導(dǎo)思想，大學(xué)計算機課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，涉及的知識面廣泛，包括計算機信息數(shù)字化基礎(chǔ)、計算機硬件體系結(jié)構(gòu)、計算機軟件系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫、算法與程序設(shè)計等內(nèi)容。我校大學(xué)計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心[4]面向該課程設(shè)計研發(fā)了一套面向計算思維培養(yǎng)的教材、一款面向重點難點教學(xué)內(nèi)容的虛擬實驗庫以及一個配套的支持在線實驗的教學(xué)系統(tǒng)[5]，構(gòu)建了虛擬仿真實驗平臺，展示了“理論+概念+方法”的全新教學(xué)方案[6]。該教學(xué)方案已經(jīng)被國內(nèi)多家高等院校采用，將虛擬仿真實驗平臺與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，運用于計算機基礎(chǔ)課、計算機導(dǎo)論以及計算機專業(yè)課等領(lǐng)域[7-11]。下面以三個典型的實驗案例說明虛擬實驗在大學(xué)計算機課程中的教學(xué)設(shè)計與研究。

1.計算機數(shù)據(jù)表示虛擬實驗案例

由于計算機中采用二進制，數(shù)值型數(shù)據(jù)以及非數(shù)值型數(shù)據(jù)都以二進制的形式存儲和處理，非數(shù)值數(shù)據(jù)包括字符、聲音、圖形和圖像等。字符型數(shù)據(jù)在計算機中的編碼表示與輸入輸出的信息交換是大學(xué)計算機課程教學(xué)中的重點和難點，尤其是西文字符和漢字字符的輸入、查找與顯示的過程，以及ASCII碼、漢字輸入碼、國標(biāo)碼、機內(nèi)碼、字形碼等多種編碼的作用和編碼方法。

通過“西文字符編碼虛擬實驗”，學(xué)生借助于虛擬鍵盤、虛擬內(nèi)存和虛擬顯示器實現(xiàn)西文字符的人機交互，實現(xiàn)西文字符的輸入、查找與顯示的過程演示，如圖1所示。首先，學(xué)生在虛擬鍵盤上選定一個字符，并填寫該字符的ASCII，實驗將該ASCII的二進制保存在虛擬內(nèi)存中，然后開始字符查找并顯示的過程，最后要求學(xué)生填寫該字模的前6個字節(jié)的十六進制編碼。學(xué)生完成該實驗后，不僅了解西文ASCII碼、字形碼等多種編碼的作用及編碼方法，而且加深對二進制編碼方法和信息交換等技術(shù)的理解，掌握計算機字符編碼與信息交換的基本方法，進而掌握計算機信息處理的基本原理，并能充分理解和掌握二進制編碼方法并拓展應(yīng)用。

此外，我們還設(shè)計了“漢字編碼與漢字庫實驗”，用于模擬漢字的各種編碼的自動轉(zhuǎn)換過程，以及漢字顯示所要進行的漢字庫查找過程，如圖2所示。該實驗采用兩個設(shè)定的漢字“形”和“字”為例，通過學(xué)生的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的輸入碼，之后實驗自動演示后續(xù)編碼轉(zhuǎn)換過程。并且要求學(xué)生選擇不同的字體，之后實驗流程將在相應(yīng)的虛擬漢字庫查找該漢字的字模，并在模擬終端顯示該漢字。學(xué)生完成該實驗后，不僅能掌握漢字的輸入碼、機內(nèi)碼、國標(biāo)碼、區(qū)位碼的表示和相互之間的聯(lián)系，而且能了解漢字字模與漢字庫的概念及功能，并掌握漢字點陣碼、漢字字模以及漢字庫的不同概念和應(yīng)用。

2.計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)虛擬實驗案例

在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，計算機網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)就是實現(xiàn)計算機的互連互通，核心內(nèi)容是計算機與計算機之間是如何通訊的。重點內(nèi)容是讓學(xué)生理解整個過程，進而對相關(guān)的知識能夠消化吸收，而不是將網(wǎng)絡(luò)體系割裂為通訊介質(zhì)、信號類型、協(xié)議架構(gòu)等復(fù)雜的知識體系，這種方式或許適用于培養(yǎng)專業(yè)的計算機人才，但是不適用于剛剛?cè)雽W(xué)并且充滿好奇心的大一新生。因此我們設(shè)計了“廣域網(wǎng)通信與郵件傳輸”虛擬實驗[6]，用于對電子郵件發(fā)送過程的網(wǎng)絡(luò)通訊過程進行剖析，涉及了廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊的各個環(huán)節(jié)的知識點。如圖3所示為廣域網(wǎng)通信與郵件傳輸實驗的實驗界面。

該實驗?zāi)M從電腦發(fā)送郵件到郵件服務(wù)器的過程，分為兩個部分，首先計算機到域名解析服務(wù)器獲取郵件服務(wù)器域名所對應(yīng)的IP地址，然后通過IP路由的方法將郵件發(fā)送到對應(yīng)的服務(wù)器。其中覆蓋的知識點包括域名解析、IP地址及其子網(wǎng)掩碼、郵件服務(wù)系統(tǒng)、點到點的通訊、網(wǎng)卡及其數(shù)據(jù)鏈路層、端到端的通訊、路由器及其網(wǎng)絡(luò)層等。

該實驗的目的不是強調(diào)某一個知識點的基礎(chǔ)，而是從系統(tǒng)的角度，讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)是怎么工作的，各部分功能組件所起到的作用。這樣就能以典型的應(yīng)用背景將計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中的主要知識點串聯(lián)起來，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不僅能夠理解相應(yīng)知識點，而且能夠掌握在網(wǎng)絡(luò)中的作用和意義，促進學(xué)生對該知識點的應(yīng)用能力。

3.計算機體系結(jié)構(gòu)虛擬實驗案例

在計算機工作原理與硬件體系結(jié)構(gòu)中，涉及了內(nèi)存、CPU、寄存器、程序計數(shù)器、算術(shù)邏輯單元等基本部件，指令和指令系統(tǒng)以及地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線的三總線結(jié)構(gòu)。知識點比較多，并且由于計算機的微觀結(jié)構(gòu)不可及，導(dǎo)致計算機指令的執(zhí)行過程高度抽象、難于理解。

我們設(shè)計了“一條指令的執(zhí)行過程”虛擬實驗[6]，構(gòu)建了計算機CPU、內(nèi)存等的實驗環(huán)境，將涉及計算機指令執(zhí)行的程序計數(shù)器、指令寄存器、通用寄存器、算術(shù)邏輯單元、地址總線等不可及的硬件微觀結(jié)構(gòu)通過虛擬仿真可視化。同時以加法操作指令為例，通過人機交互的方式，展示了程序分解為指令和指令如何編碼、尋址、存儲、解碼、執(zhí)行、跳轉(zhuǎn)的全過程。圖4為一條指令的執(zhí)行過程實驗取數(shù)據(jù)階段的示意圖。

三、虛擬實驗教學(xué)實踐

我校面向非計算機專業(yè)的理工類學(xué)生開設(shè)了“大學(xué)計算機”課程，學(xué)時總數(shù)為32學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容包括計算機信息化基礎(chǔ)、計算機硬件體系結(jié)構(gòu)、計算機軟件平臺、計算機網(wǎng)絡(luò)平臺、多媒體數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及應(yīng)用等。該課程的難點在于學(xué)時少、教學(xué)內(nèi)容多，如何在較少的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生快速理解并掌握教學(xué)重點和難點是該課程普遍存在的一個問題。通過應(yīng)用虛擬實驗的教學(xué)方式，可以加深學(xué)生對教學(xué)重點難點內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)。

經(jīng)過教學(xué)實踐的大學(xué)計算機課程虛擬實驗教學(xué)體系如表1所示，我們從開發(fā)的虛擬實驗平臺中選取了26個虛擬仿真實驗，與相關(guān)的理論教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，構(gòu)建了一套完整的理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)體系。

總結(jié)學(xué)生的反饋意見，虛擬實驗教學(xué)環(huán)節(jié)有效地強化學(xué)生理解重點難點，引導(dǎo)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，激發(fā)對專業(yè)知識的興趣等。

虛擬實驗方法充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，具有建設(shè)維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高等優(yōu)勢。將虛擬仿真實驗應(yīng)用于實際教學(xué)，能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，整合優(yōu)質(zhì)的理論和實驗教學(xué)資源。教學(xué)實踐表明，虛擬實驗是學(xué)生真正理解理論知識并運用于實踐的重要保證，有效地解決了大學(xué)計算機課程的實驗教學(xué)問題。

參考文獻：

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[4]北京理工大學(xué)“大學(xué)計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心”[DB/OL].http：//csvrlab.bit.edu.cn.

[5]虛擬實驗工場[DB/OL].http：//www.vrsygc.com.

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（編輯：魯利瑞）