高校計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究與實(shí)踐

孫慧然 王紅梅

摘 ?要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，意圖通過創(chuàng)造“虛擬仿真環(huán)境（程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）+實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決方案來彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，通過“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，來達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。文章從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)兩方面對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)進(jìn)行闡述，并總結(jié)和反思了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義和需要改進(jìn)之處。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真; 計(jì)算機(jī)專業(yè); 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393.05-4;G642.4 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）01-87-04

Abstract： A virtual simulation experiment platform for programming language courses of computer specialty is designed and implemented， and the "online and offline blended" experiment teaching mode and the experiment teaching mode of "the combination of the virtual and real" are put forward to make up for the deficiency of traditional experiment teaching by creating a virtual simulation experiment teaching solution of "virtual simulation environment （the virtual simulation experiment platform for programming language courses） + experiment teaching mode"， so as to achieve the purpose of improving the quality of experiment teaching. This paper expounds the construction of virtual simulation experiment center of computer specialty from two aspects of the construction of virtual simulation experiment platform and the design of virtual experiment teaching mode， and summarizes and reflects on the practical significance of virtual experiment teaching and the requirement for improvement.

Key words： virtual simulation; computer specialty; experiment teaching mode; experiment platform

0 引言

2018年5月30日，教育部為了貫徹黨的十九大精神，適應(yīng)信息化條件下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，經(jīng)研究，決定開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作[1]。 近年來，隨著現(xiàn)代化的多媒體技術(shù)、軟件仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又稱VR）技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，越來越多的國內(nèi)外從事教育工作的學(xué)者認(rèn)識(shí)到以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，從而將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)現(xiàn)代信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以產(chǎn)生、發(fā)展并廣泛地應(yīng)用于日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其實(shí)，隨著“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”這個(gè)概念的的提出，目前很多高校成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好效果。國外在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這方面明顯領(lǐng)先于我國，國外高校相繼開發(fā)并使用了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。Clarkson University研發(fā)了虛擬電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)供學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和習(xí)題練習(xí)，具有自動(dòng)批改和指導(dǎo)等功能。德國魯爾大學(xué)開發(fā)了Virtual Controls Lab，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以場景逼真和可操作性強(qiáng)為設(shè)計(jì)原則，包含了多個(gè)典型的工程控制類實(shí)驗(yàn)。

為了響應(yīng)教育部的號(hào)召和學(xué)校自身發(fā)展的需要，我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的教研團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身的辦學(xué)定位和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并在研發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容

程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)目的主要是針對(duì)軟件程序設(shè)計(jì)語言類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該平臺(tái)能夠虛擬出一套與真實(shí)語言環(huán)境相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)語言編譯和運(yùn)行環(huán)境，從而能夠檢驗(yàn)學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中已經(jīng)掌握的專業(yè)知識(shí)的程度。程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)功能模塊：登錄模塊、教學(xué)模塊、學(xué)生在線自測模塊。

⑴ 登錄模塊：登錄模塊主要包括登錄和注冊兩個(gè)子功能。首先是后臺(tái)管理員以班級(jí)為單位進(jìn)行注冊用戶名并設(shè)置登密碼，然后學(xué)生即可進(jìn)行登錄。

⑵ 學(xué)生在線自測模塊：學(xué)生在線自測模塊主要包括實(shí)驗(yàn)練習(xí)和實(shí)驗(yàn)測試兩個(gè)子功能。實(shí)驗(yàn)練習(xí)模塊中含有大量的程序設(shè)計(jì)的練習(xí)題，供學(xué)生平時(shí)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)測試模塊中含在一定量程序測試題目，主要用來檢驗(yàn)學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)語言的效果和能力。

⑶ 教學(xué)模塊：教學(xué)模塊主要包括題庫資源上傳、實(shí)驗(yàn)報(bào)告下載、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度查詢、實(shí)驗(yàn)成績名次查詢和實(shí)驗(yàn)相似度查重功能。首先由教師將要用于實(shí)驗(yàn)測試的題庫資源上傳到后臺(tái)，學(xué)生一旦提交將測試題目提交后，教師能夠在后臺(tái)查詢到每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度得到一個(gè)綜合的成績排名。教師將學(xué)生提交的代碼在后臺(tái)進(jìn)行一個(gè)簡單的相似度查重，可以大致判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率。當(dāng)學(xué)生完成所有的實(shí)驗(yàn)測試題目后，教師可以在后臺(tái)將學(xué)生提交的代碼進(jìn)行下載，以此作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.2 程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建采用三層B/S結(jié)構(gòu)。第一層為表示層是用戶與整個(gè)平臺(tái)的接口，本層的功能主要是通過瀏覽器將平臺(tái)的內(nèi)容完整的展示在用戶面前。第二層也就是業(yè)務(wù)邏輯處理層，該層的主要功能是用服務(wù)器的調(diào)用第三層的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成用戶所需的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)將用戶的實(shí)驗(yàn)程序和結(jié)果提交到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。第三層是數(shù)據(jù)處理層，存儲(chǔ)用戶所需的各種數(shù)據(jù)信息，為平臺(tái)提供需要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建該平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2所展示的是在Web環(huán)境下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，圖3所展示的是根據(jù)學(xué)生做題的速度和準(zhǔn)確率的綜合排名。

2 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)“線上線下混合式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

程序設(shè)計(jì)語言類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前主要是以學(xué)生以班級(jí)為單位在機(jī)房上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主。這里以C語言程序設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例。C語言是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的入門語言，是學(xué)科“基礎(chǔ)的基礎(chǔ)”，C語言的作用和地位是位于所有計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科的根部。傳統(tǒng)的C語言的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指在計(jì)算機(jī)上安裝vc++6.0的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生在機(jī)房按照實(shí)驗(yàn)題目的要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行程序，得到結(jié)果。所謂“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)一定量學(xué)時(shí)的利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)類虛擬實(shí)驗(yàn)，主要是利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在web上模擬出真實(shí)的C語言程序設(shè)計(jì)的編譯和運(yùn)行環(huán)境。而虛擬實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)題目主要來自于ACM程序設(shè)計(jì)大賽的訓(xùn)練題目。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要是驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，而增設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)主要是以設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)為主，并在一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)的難度和復(fù)雜度。增設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)的目的主要是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)C語言程序設(shè)計(jì)的綜合能力。“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的提出，能夠鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生完成從“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)”到“綜合設(shè)計(jì)”能力的轉(zhuǎn)變。

2.2 設(shè)計(jì)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指將虛擬仿真軟件與硬件設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬件語言程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，例如數(shù)字系統(tǒng)、HDL課程等。這里以HDL課程為例。

“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的HDL實(shí)驗(yàn)課程的第一階段，是利用軟件ModelSim進(jìn)行仿真。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生在虛擬仿真軟件ModelSim上利用HDL語言進(jìn)行硬件程序設(shè)計(jì)。“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的HDL實(shí)驗(yàn)課程的第二階段，主要是學(xué)生根據(jù)在虛擬仿真軟件ModelSim上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容和結(jié)果來完成硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

⑴ “線上線下混合式”和“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式填補(bǔ)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的空白。

“線上線下混合式”和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究成果是經(jīng)過從計(jì)算機(jī)專業(yè)課設(shè)置的特點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)課需要學(xué)生具備的實(shí)踐能力所提出的，經(jīng)過深入調(diào)研、總結(jié)思考、全面規(guī)劃的研究成果具有創(chuàng)新性和可行性，填補(bǔ)了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的空白。

⑵ 程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與推廣，國內(nèi)領(lǐng)先學(xué)生登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)和測試，平臺(tái)的設(shè)計(jì)與推廣主要針對(duì)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義與反思

4.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義

程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自2018年9月投入使用，截止至今，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要支持大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義主要體現(xiàn)大豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?！熬€上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是對(duì)平時(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和延伸。而設(shè)計(jì)“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，極大的改變和豐富了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

4.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施與推廣，雖然得到了在校師生的熱烈反響和高度評(píng)價(jià)，但反思虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，主要從以下兩個(gè)方面改進(jìn)。

⑴ 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要“軟硬結(jié)合”，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的最大作用

有關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍需建設(shè)，如何將程序設(shè)計(jì)語言類與硬件類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效的融合，以最大限度的發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的最大效用仍是我們所面臨和需要解決的問題。

⑵ 要不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的建設(shè)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、慕課、微課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等概念的提出和實(shí)行，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生做”的授課模式而逐步向信息化教學(xué)轉(zhuǎn)變。因此需要實(shí)驗(yàn)教師不斷地更新自己的現(xiàn)代教育理念，運(yùn)用現(xiàn)代化、信息化的手段或工具來豐富自己的實(shí)驗(yàn)課堂，滿足信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多種需求。

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