基于MOOC的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法探究

李 林， 李鳳霞， 蘭 山， 余 月

(北京理工大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院; b. 實(shí)驗(yàn)與設(shè)備管理處, 北京 100081)

基于MOOC的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法探究

李 林a， 李鳳霞a， 蘭 山b， 余 月a

(北京理工大學(xué) a. 計(jì)算機(jī)學(xué)院; b. 實(shí)驗(yàn)與設(shè)備管理處, 北京 100081)

應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，對(duì)MOOC課程缺失實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了3個(gè)系列虛擬實(shí)驗(yàn)，解決了計(jì)算機(jī)教學(xué)過(guò)程中信息演化不可視、計(jì)算機(jī)微觀結(jié)構(gòu)不可及和計(jì)算機(jī)病毒不可逆等問(wèn)題。在實(shí)際教學(xué)中，構(gòu)建了一套完整的基于MOOC的理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)體系，教學(xué)實(shí)踐表明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)生真正理解理論知識(shí)并運(yùn)用于實(shí)踐的重要保證，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 慕課； 計(jì)算機(jī)教學(xué)

0 引 言

近年來(lái)，大規(guī)模開(kāi)放式在線(xiàn)課程，即MOOC(Massive Open Online Course)，憑借其工具資源多元化、課程易于使用、受眾面廣、自主參與性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在教育界以破竹之勢(shì)興起[1-3]。與課堂教學(xué)和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)課程相比較，MOOC具有以下優(yōu)勢(shì)：課程公開(kāi)免費(fèi)，使學(xué)生可以通過(guò)電腦、手機(jī)等各種媒介資源隨時(shí)隨地進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí)，提供了更廣泛的教育服務(wù)；實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀教師資源的高度共享，并進(jìn)行推廣，提升了整體教育水平；討論區(qū)、線(xiàn)上測(cè)驗(yàn)與作業(yè)、在線(xiàn)考試等互動(dòng)方式，構(gòu)建了良好的自我學(xué)習(xí)、測(cè)試平臺(tái)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。

然而，就在MOOC集諸多優(yōu)勢(shì)于一身，課程愈來(lái)愈豐富，選課人數(shù)越來(lái)越多，幾乎得到所有高校競(jìng)相呼應(yīng)的同時(shí)，有一個(gè)實(shí)際問(wèn)題卻日益突出，這就是MOOC無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于計(jì)算機(jī)、物理、電子工程等實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，單純的理論教學(xué)無(wú)法滿(mǎn)足授課需要。因此，本文通過(guò)研究如何用虛擬實(shí)驗(yàn)方法支持大規(guī)模在線(xiàn)課程，來(lái)闡述在新一輪的教育教學(xué)改革中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該如何設(shè)計(jì)和配合。

1 大規(guī)模在線(xiàn)課程中的實(shí)驗(yàn)需求

對(duì)于計(jì)算機(jī)、物理、電子工程等實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不可或缺的一部分，占有重要地位。在高校實(shí)施的教學(xué)計(jì)劃中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)都占據(jù)較大比重。例如，我校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程，總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)為23學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為9學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占比28%；C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)占比分別為31%和34%。

由于MOOC課程參與人數(shù)眾多，人員地域分散，如果采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，勢(shì)必會(huì)受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)師資等限制。因此如何在MOOC課程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是擺在我們面前的難題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助于虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、多媒體和人機(jī)交互等現(xiàn)代技術(shù)手段，通過(guò)構(gòu)建高度仿真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使實(shí)驗(yàn)者在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4-8]。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制，并且可以完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為大規(guī)模在線(xiàn)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了實(shí)現(xiàn)方法。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法

2012年提出了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，2013年推出了一套面向計(jì)算思維培養(yǎng)的教材、一款面向重點(diǎn)難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件以及一個(gè)配套教學(xué)的數(shù)字化資源包，構(gòu)建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，展示了“理論+概念+方法”的全新教學(xué)方案[9]。該教學(xué)方案已經(jīng)被國(guó)內(nèi)多家高校采用，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，運(yùn)用于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課、計(jì)算機(jī)導(dǎo)論以及計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課等領(lǐng)域[10-14]。我校分別設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了信息演化系列虛擬實(shí)驗(yàn)、硬件結(jié)構(gòu)系列虛擬實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)安全系列虛擬實(shí)驗(yàn)，解決了計(jì)算機(jī)教學(xué)中信息演化過(guò)程不可視、計(jì)算機(jī)微觀結(jié)構(gòu)不可及和計(jì)算機(jī)病毒危害不可逆等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能解決的問(wèn)題。

由于信息演化過(guò)程不可視，通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段只能觀察到結(jié)果而無(wú)法體現(xiàn)信息流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化和因果關(guān)系。信息演化系列實(shí)驗(yàn)把不可視的信息傳輸過(guò)程和算法運(yùn)行機(jī)制用虛擬交互和演示驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方法變得可視、可驗(yàn)證。例如，從鍵盤(pán)輸入到屏幕輸出是一個(gè)基本的信息交互過(guò)程。這個(gè)過(guò)程看似普通，實(shí)際上包括了西文字符和漢字字符的輸入、查找與顯示過(guò)程，涉及ASCII碼、漢字輸入碼、國(guó)標(biāo)碼、機(jī)內(nèi)碼、字形碼等多種編碼的共同作用?！白址幋a與信息變換”虛擬實(shí)驗(yàn)[7]通過(guò)可視化的方法，直觀地展示了字符輸入、輸出的原理，加深對(duì)二進(jìn)制編碼方法和信息交換等技術(shù)的理解。

由于計(jì)算機(jī)的微觀結(jié)構(gòu)不可及，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行過(guò)程、數(shù)據(jù)溢出、圖靈機(jī)、內(nèi)存管理、磁盤(pán)文件管理等知識(shí)點(diǎn)高度抽象、難于理解。硬件結(jié)構(gòu)系列實(shí)驗(yàn)把不可及的硬件微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行機(jī)制抽象為不同層級(jí)的模塊，使之可及、可理解。例如，“一條指令的執(zhí)行過(guò)程”虛擬實(shí)驗(yàn)[10]，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)CPU、內(nèi)存等的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將涉及計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行的程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、通用寄存器、算術(shù)邏輯單元、地址總線(xiàn)等不可及的硬件微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)虛擬仿真可視化。同時(shí)以加法操作指令為例，通過(guò)人機(jī)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(chǔ)、解碼、執(zhí)行、跳轉(zhuǎn)的全過(guò)程。

由于計(jì)算機(jī)病毒等危害不可逆，木馬、蠕蟲(chóng)等計(jì)算機(jī)病毒一旦爆發(fā)不但破壞計(jì)算機(jī)軟硬件，給網(wǎng)絡(luò)和信息安全帶來(lái)巨大損失，無(wú)法在真實(shí)環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)安全系列實(shí)驗(yàn)將具有危害性的操作在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)現(xiàn)，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)造成損失。例如，“計(jì)算機(jī)病毒與防火墻”虛擬實(shí)驗(yàn)[10]重點(diǎn)涉及計(jì)算機(jī)病毒的工作原理，傳染路徑以及基本的防治方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解計(jì)算機(jī)啟動(dòng)以及程序運(yùn)行的基本過(guò)程；了解病毒感染的主要途徑；了解蠕蟲(chóng)和木馬的主要工作原理；理解防火墻的基本功能；模擬防火墻的基本規(guī)則設(shè)置，演示預(yù)防網(wǎng)絡(luò)病毒的原理，從而使學(xué)生不僅加深網(wǎng)絡(luò)信息安全的概念和原理，同時(shí)避免了不可逆操作帶來(lái)的危害。

3 基于MOOC的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

2015年學(xué)校整合優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和經(jīng)驗(yàn)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合到大學(xué)計(jì)算機(jī)MOOC課程。每一講的課程內(nèi)容包括本章導(dǎo)學(xué)、本章內(nèi)容、虛擬實(shí)驗(yàn)、知識(shí)擴(kuò)展、軟件應(yīng)用等教學(xué)環(huán)節(jié)[15]，其中虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以加深學(xué)生對(duì)教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)。

從開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中選取了9個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，與相關(guān)的理論教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，構(gòu)建了一套完整的基于MOOC平臺(tái)的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系(見(jiàn)表1)。每個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都包括視頻講解、操作指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核、思考題討論和背景知識(shí)介紹等環(huán)節(jié)。

(1) 通過(guò)視頻發(fā)布教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解和實(shí)驗(yàn)步驟解讀，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康模傮w把握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(2) 提供實(shí)驗(yàn)軟件光盤(pán)和MOOC平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)軟件模塊兩種方式，使學(xué)生自由選擇離線(xiàn)或在線(xiàn)的方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)中的操作說(shuō)明，完成實(shí)驗(yàn)。例如，“一條指令的執(zhí)行過(guò)程”虛擬實(shí)驗(yàn)中的指令譯碼階段，虛擬展示了CPU中的硬件微觀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的變化及數(shù)據(jù)信息流動(dòng)過(guò)程(見(jiàn)圖1)。

(3) 配套的數(shù)字化資源包提供了實(shí)驗(yàn)報(bào)告模版，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容旨在引導(dǎo)和強(qiáng)化學(xué)生理解相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。表2為“一條指令的執(zhí)行過(guò)程”虛擬實(shí)驗(yàn)中指令譯碼階段的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容。

表1 基于MOOC的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

圖1 一條指令的執(zhí)行過(guò)程實(shí)驗(yàn)指令譯碼階段

步驟3 指令譯碼實(shí)驗(yàn)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)解答在指令寄存器(IR)中的操作碼和兩個(gè)操作數(shù)的內(nèi)存地址分別是什么？(請(qǐng)分別用六位二進(jìn)制數(shù)和四位十六進(jìn)制表示)譯碼在哪里進(jìn)行？通過(guò)哪組總線(xiàn)把該操作傳遞給RAM？

通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使學(xué)生掌握指令寄存器存儲(chǔ)內(nèi)容的意義、計(jì)算機(jī)指令格式及其意義、不同進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換等知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)MOOC平臺(tái)提供的學(xué)生互評(píng)方式對(duì)2個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)考核，學(xué)生在評(píng)分之外可以寫(xiě)下反饋意見(jiàn)，以幫助學(xué)生更好地了解作業(yè)情況，促進(jìn)學(xué)生之間的交流。

(4) 思考題討論啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行更深層次的思考。

(5) 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景知識(shí)，使學(xué)生更全面直觀地了解知識(shí)點(diǎn)，并有助于拓展知識(shí)面。

參加本門(mén)MOOC課程為27 000人，分別有7 273和7 237人參加了“文件管理磁盤(pán)恢復(fù)”和“廣域網(wǎng)通信與郵件傳輸”實(shí)驗(yàn)的考核，并且都通過(guò)學(xué)生互評(píng)獲得了成績(jī)。有9 217人參加了期末考試，6 000余人獲得MOOC課程合格證書(shū)，1 700余人獲得課程優(yōu)秀證書(shū)?？偨Y(jié)學(xué)生的反饋意見(jiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)強(qiáng)化學(xué)生理解重點(diǎn)難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，激發(fā)對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣等。

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，具有建設(shè)維護(hù)成本低，平臺(tái)擴(kuò)展性好，利用效率高等優(yōu)勢(shì)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于MOOC教學(xué)，能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，堅(jiān)持開(kāi)放共享的理念，整合優(yōu)質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，將學(xué)習(xí)活動(dòng)融入到教學(xué)中。教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是學(xué)生真正理解理論知識(shí)并運(yùn)用于實(shí)踐的重要保證，有效解決了MOOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題，將作為MOOC的一個(gè)重要組成部分服務(wù)于社會(huì)。

教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)通過(guò)學(xué)生互評(píng)方式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核，存在不客觀的問(wèn)題，無(wú)法真實(shí)反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況。如果實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核由教師完成，由于MOOC的大規(guī)模特性，參與人數(shù)眾多，非常耗費(fèi)時(shí)間和精力。因此虛擬實(shí)驗(yàn)的報(bào)告在線(xiàn)自動(dòng)評(píng)測(cè)是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線(xiàn)測(cè)評(píng)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

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Study and Practice of Virtual Simulation Experiment Method Based on Massive Open Online Course

LILina，LIFengxiaa，LANShanb，YUYuea

(a. School of Computer Science; b. Administrative Office of Laboratory and Equipment, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Establishing virtual simulation experiment system is a main way to solve the situation of lack of experiment teaching of MOOCs. We developed three series of virtual simulation experiments to solve problems of invisible information evolution, untouchable computer microstructure and irreversible computer virus for computer general course. We established education system combining with theory teaching based on the MOOC and virtual simulation experiment. The study and practice prove that virtual simulation experiment is a guarantee of improving teaching effectiveness.

virtual simulation； experimental teaching； massive open online course (MOOC)； computer teaching

2016-08-10

李 林(1977-)，男，內(nèi)蒙赤峰人，博士，講師，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)。

Tel.:13520569181; E-mail:lilin@bit.edu.cn

TP 391.9; G 642

A

1006-7167(2017)04-0111-03