虛擬仿真“金課”建設(shè)研究——以《計算機組成原理》為例

戴麗麗　朱惠娟

摘要：虛擬仿真“金課”的建設(shè)能夠帶動高校教師更多的主動思考，將實驗教學(xué)改革融入高等教育改革發(fā)展的主流中，推動實驗教學(xué)改革的不斷深化。以《計算機組成原理》課程為例，分析現(xiàn)階段計算機組成原理實驗課程的教學(xué)情況以及存在的問題，提出了課程建設(shè)的主要思路，并構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺。該平臺可以激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;金課;計算機組成原理;虛擬現(xiàn)實;課程建設(shè)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）26-0089-02

1 引言

2018年，教育部部長陳寶生在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上第一次提出要“提升大學(xué)教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)著力狠抓課程教學(xué)質(zhì)量，將‘水課轉(zhuǎn)變?yōu)椤鹫n”，并強調(diào)“本科教育是大學(xué)的根和本”[1]。2019年，教育部啟動一流課程“雙萬計劃”（即金課建設(shè)計劃），建設(shè)五大“金課”目標(biāo)，虛擬仿真“金課”被列為其中之一[2]。在未來的教育中，虛擬仿真實踐類課程有可能是一種新的教育生產(chǎn)力。應(yīng)用型本科院校，應(yīng)注重實踐能力培養(yǎng)，抓好虛擬仿真實驗課程的建設(shè)，開辟教育領(lǐng)域新途徑。然而，就目前而言，虛擬實驗的發(fā)展還比較緩慢，在應(yīng)用型本科院校，能夠?qū)⑻摂M實驗真正運用到實驗教學(xué)的高校更是少之又少，學(xué)生可以做的實只有極少數(shù)，實驗的仿真度也不是很高。大部分實驗都只是演示性實驗，其交互性能還無法滿足學(xué)生的需求。

因此，本輪教改將以《計算機組成原理》虛擬仿真課程建設(shè)為切入點，以培養(yǎng)深刻理解《計算機組成原理》相關(guān)實驗為核心，依托虛擬現(xiàn)實、三維動畫、數(shù)據(jù)庫以及人機交互等技術(shù)，實現(xiàn)高度仿真的實驗場景，解決了真實實驗所面臨的高損耗、高成本等問題，可以逐步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 課程建設(shè)思路

《計算機組成原理》是本科期間非常重要的專業(yè)核心硬件基礎(chǔ)課，是第一門涉及計算機硬件的課程，該課程具有內(nèi)容多、難度大、抽象等特點[3]。與之對應(yīng)的實驗課程，則是鞏固理論知識，提高創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[4]。但大多數(shù)高校實驗學(xué)時少，實驗局限性大，所以《計算機組成原理》成為大部分學(xué)生的一大難點。本次教學(xué)改革根據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量與社會需求存在的差距問題，遵循“以學(xué)生發(fā)展為中心、能力培養(yǎng)為導(dǎo)向、多元協(xié)同為抓手、虛實互動創(chuàng)‘金課”的基本建設(shè)思路，打造從基礎(chǔ)實驗到綜合實驗的層次化實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生理解專業(yè)知識、提出創(chuàng)新性想法提供良好的平臺，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[5]。

（1） 以學(xué)生發(fā)展為中心，突顯應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色。努力將應(yīng)用型人才的培養(yǎng)融入教育教學(xué)之中，提出全新的教學(xué)方式和實驗場景，特別是可實現(xiàn)以往教學(xué)方法難以實現(xiàn)的教學(xué)成效，鼓勵實踐創(chuàng)新、尊重個性化發(fā)展，以虛擬仿真金課建設(shè)為突破口培養(yǎng)實踐創(chuàng)新人才，探索應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)模式[6]。

（2） 以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，提高實踐創(chuàng)新能力。將計算機組成原理實驗課程按照“基礎(chǔ)技能->設(shè)計技能->綜合能力”的遞進式模型為主線，實驗課程安排上可以先從五大功能部件的驗證性實驗開始，讓學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)技能，再通過設(shè)計性實驗，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，最后將以設(shè)計CPU的綜合性實驗，提高學(xué)生的綜合分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

（3） 以多元協(xié)同為抓手，實現(xiàn)共研共建。運用多元協(xié)同的模式，設(shè)計虛擬仿真平臺，體現(xiàn)實驗資源整合、教學(xué)競賽結(jié)合、校企聯(lián)合的“三合”理念，將所需實驗統(tǒng)一為一個虛擬仿真平臺;同時鼓勵學(xué)生通過競賽方式完成虛擬仿真平臺的建設(shè)，以賽促學(xué)、以賽促教、教學(xué)相長;聯(lián)合高校與企業(yè)，建立由學(xué)生、教師與工程師組成的專業(yè)化隊伍，融合虛擬仿真實驗教學(xué)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容以及工程所需的優(yōu)質(zhì)資源，使得資源真正共享成為可能，進而推進資源的開放及推廣應(yīng)用。

（4） 以虛實互動為技術(shù)手段，促進虛擬仿真“金課”建設(shè)。結(jié)合遞進式能力培養(yǎng)方式，充分利用虛擬仿真實驗和實體實驗教學(xué)的各自優(yōu)勢，虛實互補、線上線下有機結(jié)合的新型實驗教學(xué)平臺，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為虛擬仿真“金課”建設(shè)提供有效保障。

3 虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)

3.1 虛擬仿真實驗平臺的總體設(shè)計

“計算機組成原理虛擬仿真實驗平臺”分為網(wǎng)絡(luò)版和單機版兩個版本，如圖1所示。主要開發(fā)工具包括Unity3D、3D Studio Max、Photoshop等，選取MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的處理和存儲。學(xué)生可以不受時間和場地的限制，隨時隨地進行實驗任務(wù)，并及時獲得實驗反饋。

3.2 虛擬仿真實驗平臺的模塊設(shè)計

整個虛擬仿真平臺通過實驗準(zhǔn)備，實驗教學(xué)與實驗考核三個實驗?zāi)K進行融會貫通。如圖2所示：

實驗準(zhǔn)備模塊主要是為了學(xué)生自主實驗做準(zhǔn)備，包括基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，認(rèn)識實驗箱以及擴展知識。通過準(zhǔn)備階段的學(xué)習(xí)，為具體的仿真實驗做好充分準(zhǔn)備。如圖3所示：

實驗教學(xué)模塊針對以往學(xué)生困惑比較大的幾個方面進行設(shè)計完善。首先，計算機組成原理是一門硬件課程，主要學(xué)習(xí)的是計算機五大功能部件，但在課堂教學(xué)中，由于時間和教學(xué)條件的限制，無法實現(xiàn)讓每一位同學(xué)親手進行拆裝機實驗，不能很好地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時，由于硬件設(shè)備極易損耗，成本也比較高，導(dǎo)致部分高校實驗課多以軟件仿真來完成，因此，就失去了硬件課程本身的意義，使學(xué)生學(xué)完該門課程之后，從來都沒有接觸過硬件設(shè)備，也從未親手連接過線路。針對以上問題，“計算機組成原理虛擬仿真實驗平臺”主要包含兩部分：裝機實驗以及五大功能部件的獨立實驗（包括運算器實驗、存儲器實驗、微程序控制器實驗、中斷實驗等）。如圖4-圖6所示：

實驗考核模塊主要針對本次實驗進行檢驗，通過完成相應(yīng)的題目得到最終成績，實驗結(jié)果和成績清楚可見，讓教師可以通過測試了解每一個學(xué)生，如圖7所示。

4 教學(xué)效果

為了對比教學(xué)效果，將18級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生選取兩個班級進行效果對比，一個班級使用虛擬仿真實驗進行教學(xué)，另一個班級到實驗室做實體實驗。實驗結(jié)束后，對兩個班級學(xué)生的實驗時間、答疑次數(shù)以及實驗成績進行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)兩個班級有明顯差異，具體數(shù)據(jù)如表1所示：

統(tǒng)計結(jié)果表明：通過虛擬仿真實驗平臺完成實驗的學(xué)生在這三個指標(biāo)上都優(yōu)于實體實驗的學(xué)生，首先平均實驗時間縮短，學(xué)生可以根據(jù)虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)模塊進行學(xué)習(xí)之后再動手操作，操作過程中出現(xiàn)問題系統(tǒng)會及時反饋，減少硬件平臺的損耗;并且，實驗不受場地和環(huán)境限制，隨時隨地可以進行學(xué)習(xí)和測試;同時，可以將教師的角色有所轉(zhuǎn)變，從以往忙碌于眾多學(xué)生中去解決學(xué)生實驗過程中的問題，轉(zhuǎn)變?yōu)橄驅(qū)W生提出更深層的問題。在課后對于虛擬仿真實驗平臺進行滿意度調(diào)查，滿意度達(dá)98%以上?，F(xiàn)階段正在將虛擬仿真實驗平臺不斷推廣到其他課程，希望實現(xiàn)多門課程交叉融合的綜合實驗體系。

5 總結(jié)

以構(gòu)建虛擬仿真“金課”為目標(biāo)，培養(yǎng)具有較強的實踐動手能力和技能的應(yīng)用型人才[7-8]。緊扣這一目標(biāo)，本輪對《計算機組成原理》實踐課程進行教學(xué)改革，旨在能夠在當(dāng)前國內(nèi)計算機硬件人才培養(yǎng)弱化的環(huán)境下，從培養(yǎng)應(yīng)用型人才出發(fā)，采用先進的3D技術(shù)仿真硬件實驗課程與實現(xiàn)真實流程，模擬計算機硬件的工作流程，利用生動的虛擬資源，先進的教學(xué)方法，創(chuàng)建以學(xué)生為中心的自主探究學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手熱情，加深學(xué)生對理論知識的理解，同時將教師的工作重點從解決問題轉(zhuǎn)換到互動提問挖掘更深層的問題之上。

參考文獻(xiàn)：

[1] 教育部.關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知[EB/OL].（2018） [2020-10-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html.

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[3] 朱惠娟，戴麗麗，徐謙，等.計算機組成原理虛擬仿真實驗的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（14）：38-41.

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[6] 林加論，黃旭，李曉玲.“雙萬計劃”背景下的計算機課程群資源建設(shè)[J].計算機教育，2019（11）：42-44.

[7] 肖娟，王嵩，于芳，等.“雙一流”建設(shè)中應(yīng)用型地方本科院校計算機硬件類課程實踐教學(xué)體系改革研究[J].計算機教育，2018（11）：65-68.

[8] 郭世永，陳魯偉.虛擬仿真學(xué)科“金課”建設(shè)與實踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（39）：125-127，142.

【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2021-11-01

基金項目：南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革課題（編號：20200103007）

作者介紹：戴麗麗（1986—） ，女，江蘇南京人，講師，碩士研究生，主要研究方向為虛擬現(xiàn)實、數(shù)字圖像處理;朱惠娟（1985—） ，女，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究方向為虛擬現(xiàn)實、三維仿真。