計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)研究與教學(xué)實踐

趙婧 李思嘉

關(guān)鍵詞 資源共享 虛擬仿真 實驗教學(xué)

1引言

2018年，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，以適應(yīng)信息化條件下知識獲取和傳授方式等要求。近年來，計算機虛擬仿真技術(shù)在計算機專業(yè)類[1] 、醫(yī)學(xué)類[2] 和土木工程類[3] 等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其在大中專高校中，計算機虛擬仿真技術(shù)被應(yīng)用于實驗教學(xué)領(lǐng)域[4?6] ，在原有實驗教學(xué)的模式下，開創(chuàng)了新的教學(xué)模式，滿足了學(xué)生學(xué)習(xí)的需求，擴充了大中專高校的教學(xué)資源，有效提高了大中專高校實驗教學(xué)質(zhì)量。

在大中專高校的計算機專業(yè)類課程中，除了理論教學(xué)外，大多數(shù)都需要進(jìn)行實驗教學(xué)。計算機基礎(chǔ)類和程序開發(fā)類等計算機課程只需要配置計算機實驗室，但是網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)工程以及通信工程等專業(yè)需要配置專門的實驗室，這些實驗室的很多實驗器材較為昂貴，因大中專高校經(jīng)費不足，很多課程無法開設(shè)。自本校建設(shè)計算機虛擬仿真實驗教學(xué)以來，不僅滿足了學(xué)生實驗的需求，還節(jié)省了高昂的器材費用。

2開放式虛擬仿真實驗平臺的研究

大中專高校普遍存在辦學(xué)資金緊張現(xiàn)象。由于本校計算機實驗教學(xué)示范中心經(jīng)費和設(shè)備不足，因此目前多門計算機類專業(yè)課程無法進(jìn)行實驗教學(xué)，甚至多門課程無法正常開設(shè)。為增加實驗教學(xué)資源，滿足實驗教學(xué)需求，本校引進(jìn)了開放式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

該平臺的各個模塊相對獨立，可擴展性好，方便集成多種實驗教學(xué)系統(tǒng)。目前，該平臺提供了全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，包括中心門戶網(wǎng)站、實驗教務(wù)管理、實驗教學(xué)管理、實驗前理論知識學(xué)習(xí)、實驗過程智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果自動批改、實驗報告提交、實驗室開放預(yù)約管理、互動交流通知系統(tǒng)、系統(tǒng)管理等功能。如圖1 所示。

2.1系統(tǒng)登錄

在使用開放式虛擬仿真實驗平臺時登錄對應(yīng)的網(wǎng)址，其首頁頁面正中間提供了登錄功能，供用戶使用自己的用戶名及密碼登錄系統(tǒng)。當(dāng)前，該系統(tǒng)有六類角色，分別是教務(wù)、實驗室管理員、學(xué)生、老師、內(nèi)容管理員及系統(tǒng)管理員。

2.2教務(wù)管理

教務(wù)負(fù)責(zé)人根據(jù)本學(xué)期教學(xué)任務(wù)書，對計劃開設(shè)虛擬仿真實驗的課程進(jìn)行教務(wù)管理。教務(wù)管理主要包括學(xué)期配置管理、課程管理、培養(yǎng)計劃管理、開課管理和課表管理。

2.3實驗教學(xué)管理

教師用戶登錄系統(tǒng)可見教師向?qū)D，按教學(xué)課程分類，選擇課程后繼續(xù)進(jìn)行下一步操作。教師用戶可以設(shè)置實驗庫、布置實驗，并進(jìn)行考勤管理、實驗批改和成績到處等。

2.4學(xué)生選課及實驗

學(xué)生用戶進(jìn)入系統(tǒng)可見一張向?qū)D，學(xué)生可以進(jìn)行選課、理論測試、虛擬實驗和實物實驗等。

2.5實驗室開放預(yù)約管理

實驗室管理指的是實驗室負(fù)責(zé)人高效地管理和分配實驗室資源，包含添加實驗室、實驗儀器管理、考勤管理、預(yù)約工位和預(yù)約實驗室審核、設(shè)備借出與收回等功能。

該平臺采用模塊化設(shè)計，易于擴展，可集成多種計算機類專業(yè)課程實驗教學(xué)系統(tǒng)，從而滿足多課程的教學(xué)實驗，方便計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心負(fù)責(zé)人對所有計算機類虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，提高了計算機虛擬仿真實驗中心負(fù)責(zé)人的工作效率。

3開放式虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)實踐

目前，該平臺集成了計算機組成原理、通信原理、單片機應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)、高頻電子電路和模擬電路等14門計算機類專業(yè)課程的實驗教學(xué)軟件，這在很大程度上擴充了本校實驗教學(xué)資源，促進(jìn)了大中專高校實驗教學(xué)的深入發(fā)展。這里以計算機組成原理課程為例，簡單描述該課程的實驗教學(xué)軟件。

計算機組成原理虛擬實驗系統(tǒng)是針對大中專院校開設(shè)的“計算機組成原理”實驗課程配套開發(fā)的虛擬實驗環(huán)境，系統(tǒng)提供了與計算機組成原理實驗教學(xué)實驗箱中同等功能的元件、芯片和導(dǎo)線等，模擬真實實驗環(huán)境，并提供了在線實驗教學(xué)管理模塊。

實驗操作平臺界面包括實驗平臺、器材庫、實驗庫、菜單欄和工具欄等部分。其中，器材庫主要由芯片庫、平臺器件、導(dǎo)線連接等組成，學(xué)生根據(jù)教師布置的實驗任務(wù)在實驗平臺添加平臺器件等，然后進(jìn)行布線，最后驗證方案。這里以經(jīng)典的組間串行進(jìn)位16位運算器實驗為例，展示最終的實驗結(jié)果。如圖2所示。

學(xué)生在完成實驗的過程中，需要按照教師布置的實驗要求記錄幾組運算數(shù)據(jù)，并將實驗數(shù)據(jù)以及實驗結(jié)果截圖寫入實驗報告中，通過學(xué)生端提交實驗報告到教師端。截止時間一到，任課教師可以通過教師端批改實驗報告并給出實驗成績。實驗室實物實驗與虛擬仿真平臺虛擬實驗的這種虛實結(jié)合的教學(xué)模式，拓寬了課程的實驗范圍，增加了學(xué)生對專業(yè)知識的理解能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4結(jié)束語

本校建設(shè)的計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心，打破了原有實驗室在空間、時間、地點上的局限性，節(jié)省了實驗室設(shè)備開支，擴充了大中專高校實驗教學(xué)資源，創(chuàng)設(shè)了“線上+線下”虛實相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)了多課程和多地區(qū)的實驗資源共享，為大中專高校培養(yǎng)人才提供了參考。但是，該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺也有不足：第一，平臺集成的很多實驗教學(xué)軟件在正常運行之前需要下載各種插件，并且插件還需要更新升級，給師生使用該軟件帶來了很大的障礙;第二，非校內(nèi)網(wǎng)用戶登錄該平臺需要登錄VPN 賬號，因為本校VPN 賬號容量有限，這在一定程度上限制了實驗教學(xué)資源的共享。今后，我們需要改善平臺使用環(huán)境，進(jìn)一步提高師生的學(xué)習(xí)效率。