大學(xué)計算機課程虛擬仿真實驗設(shè)計與應(yīng)用探析

王永真 張鈴麗

摘要：針對目前在機器設(shè)備、實驗場地、教學(xué)方式等方面受限的問題，文章提出了一種大學(xué)計算機課程虛擬仿真實驗設(shè)計實施路徑。該設(shè)計的核心要點是符合學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動和大學(xué)計算機課程特點。該設(shè)計是以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。通過實踐操作，學(xué)生能夠在實驗中積累經(jīng)驗，加深對計算機技術(shù)理論的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計算機；虛擬仿真實驗設(shè)計；實踐能力

中圖分類號：G642? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0095-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

1 大學(xué)計算機課程虛擬仿真實驗設(shè)計的特點

虛擬仿真實驗是信息技術(shù)和學(xué)科專業(yè)高度交融的產(chǎn)物，借用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬實物場景，用作計算機輔助教學(xué)軟件[1]。虛擬仿真實驗具有以下四個特點：①真實性：通過實例練習(xí)，將抽象的知識點和概念形象化、具體化，讓學(xué)生能夠切身體驗真實場景，以便快速理解和掌握理論知識。②互動性：相對于傳統(tǒng)的單向、垂直的教學(xué)模式，虛擬仿真實驗提供了教與學(xué)的雙向互動。學(xué)生和老師都可以隨時隨地表達自己的想法和建議。在教學(xué)過程中，師生之間以自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，并在教師的悉心引導(dǎo)下進行。③成本低：虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計能夠極大地降低物理實驗室、物理實驗設(shè)備和實驗耗材的投入，節(jié)約了人力、物力和財力成本。④可重復(fù)性：在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上，若學(xué)生在代碼輸入或參數(shù)設(shè)置上出現(xiàn)錯誤，不必擔(dān)心，可以隨時調(diào)整參數(shù)，重新輸入代碼，以獲得所需的結(jié)論。

2 大學(xué)計算機課程虛擬仿真實驗設(shè)計實施路徑

為了充分發(fā)揮大學(xué)計算機課程虛擬仿真實驗教學(xué)的作用，應(yīng)該建立創(chuàng)新教學(xué)管理機制，在教學(xué)內(nèi)容、方法、手段及范式等方面進行創(chuàng)新，同時搭建完整的公共基礎(chǔ)虛擬仿真實驗教學(xué)體系。改革應(yīng)著重關(guān)注以下四個方面。

2.1 設(shè)計思路

1）基于大學(xué)計算機課程實驗內(nèi)容的特點，考慮到現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境和現(xiàn)行教學(xué)方法所面臨的挑戰(zhàn)，準確評估虛擬仿真實驗的可行性以便科學(xué)地選擇適用的實驗項目，避免脫離實際實驗的實質(zhì)。因此，可以采取“虛實互補”的方式，加以結(jié)合，以充分發(fā)揮實驗和仿真實驗的長處，有效完成實驗任務(wù)和課堂教學(xué)。舉例來說，在需要進行硬件拆裝維護等基本技能實操類實驗時，由于實驗設(shè)備和場地?zé)o法全員覆蓋，以及對于那些不能在高等教育機構(gòu)內(nèi)構(gòu)建真實場景或難以進行實際實驗的信息設(shè)備和項目，應(yīng)采用虛擬仿真實驗教學(xué)的方法進行有效教學(xué)，以實現(xiàn)虛擬與真實內(nèi)容的有機結(jié)合，充分發(fā)揮實驗教學(xué)的價值和優(yōu)勢，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)效果。

2）知識內(nèi)化。為了取得更深層次的課程理解，采用了一種針對特定學(xué)習(xí)任務(wù)的創(chuàng)新方法，即以“基于問題的引導(dǎo)、有針對性的知識注入、整化學(xué)習(xí)的增量設(shè)計、依需求選擇性排列組合課程內(nèi)容”為原則進行，旨在幫助學(xué)生理解理論知識、熟悉各種信息化設(shè)備的基本原理、結(jié)構(gòu)與操作流程以及培養(yǎng)做出復(fù)雜應(yīng)用實現(xiàn)的靈活運用知識和技能的教學(xué)設(shè)計[2]。同時，學(xué)生也參與虛擬計算機博物館活動，從而更加全面深入地理解計算機硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

3）以激發(fā)內(nèi)驅(qū)力為導(dǎo)向。內(nèi)部驅(qū)動力，作為一種心理激勵和傾向，旨在喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并激發(fā)其潛能[3]。通過擴大激勵措施，鼓勵學(xué)生克服困難，展現(xiàn)才能，融入并積極參與他們所認為具備重要性和價值的使命，從而獲得最終的成功。學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力是促使其主動進行學(xué)習(xí)的基本動力。因此，在實驗過程中激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力將帶來更加顯著的訓(xùn)練成效[4]。為此，在虛擬仿真實驗中提出了一系列創(chuàng)新的練習(xí)模式，如“逐級闖關(guān)”“多人比武”和“社區(qū)互助”，并且在實習(xí)過程中融入“競爭”元素，指導(dǎo)學(xué)生完成課題，在紙面上談兵的傳統(tǒng)方式上增補了沙場實戰(zhàn)的內(nèi)容。此外，這種具有創(chuàng)新及挑戰(zhàn)性的實習(xí)方法激發(fā)了學(xué)生參與本課程中的熱情，也增強了他們自身的解決問題的內(nèi)在動力，為他們建立合理的全面把控技能。

4）培養(yǎng)“通用”計算思維能力。大學(xué)計算機課程的受眾群體包括多個學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)生。不同領(lǐng)域的學(xué)生對計算機知識在未來學(xué)習(xí)和工作中的重要性持有不同的觀點。鑒于學(xué)生的需求，大學(xué)計算機課程把“計算思維”提出來作為解決問題的一種有效工具，此項研究致力于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，并尤其注重加強其相關(guān)思維技能的訓(xùn)練。在進行虛擬仿真實驗設(shè)計方面，采用了遞歸的方法來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握并應(yīng)用計算思維。從方法論的角度出發(fā)，最初階段需要設(shè)計一個具體而又簡明扼要的應(yīng)用場景，以便學(xué)生能夠通過該場景實踐并掌握計算思維的關(guān)鍵要素，并深入理解計算思維的內(nèi)涵。一旦學(xué)生對基礎(chǔ)概念形成深刻理解，便能夠展開對更為復(fù)雜場景的應(yīng)用構(gòu)建，來促使學(xué)生建立起有效的“計算思維”實力，從而能夠自行運用這些思維來解決實際問題。

2.2 場景與模塊設(shè)計

根據(jù)大學(xué)計算機課程實驗教學(xué)的要求，本虛擬仿真實驗通過三維建模、云計算、自動評測等技術(shù)構(gòu)建了四個實戰(zhàn)性的模塊：構(gòu)建計算機硬件系統(tǒng)、交換信息的字符編碼、執(zhí)行單個指令的流程以及網(wǎng)絡(luò)傳輸和郵件傳送等，皆包含在內(nèi)，這些實驗課旨在利用虛擬仿真的優(yōu)勢，打造出更加實在的教學(xué)實踐。這個實驗支撐體系項目在信息技術(shù)通識到信息系統(tǒng)軟硬件理論再到智能無人裝備應(yīng)用的過程中提供強有力的支持。它不僅適用于大學(xué)計算機課程，還能為計算機編譯原理、計算機網(wǎng)絡(luò)、人工智能等其他課程提供寶貴的實驗支持。為便于老師挑選，組織實驗操作步驟時照顧了相關(guān)性、階段性以及易于脫離原則，在實驗過程中，每一個實驗步驟都承載著相應(yīng)的實驗操作步驟，其在實驗研究中擔(dān)任著至關(guān)重要的職責(zé)。

2.3 教學(xué)方法

本次虛擬實驗采用“逐步增強、多關(guān)卡及差異化”的方式，重點在于讓學(xué)生通過設(shè)計、自主操作及自動評估的形式來增強操作能力及發(fā)展創(chuàng)新思維。

1）闖關(guān)式。借助突破創(chuàng)新的思維模式，采取了一種融合游戲化元素的闖關(guān)教學(xué)方式，通過將原本瑣碎的學(xué)科細分內(nèi)容融入一個具備縱向進階特性的實驗過程中，以迎合當(dāng)代年輕學(xué)子在信息技術(shù)實踐經(jīng)驗中形成的思維模式。此外，通過將理論、實驗和科學(xué)應(yīng)用等結(jié)合起來，這種新的教學(xué)模式不但能幫助激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時也能發(fā)揮他們的綜合實踐能力。階段性實驗以分步驟的方式指導(dǎo)學(xué)生從初學(xué)基礎(chǔ)走向深入研究專業(yè)知識，而教學(xué)引導(dǎo)項目則通過逐級提高的方式培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，幫助提高學(xué)習(xí)效果和增加學(xué)習(xí)體驗。以“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)及工作原理”為例，設(shè)計了三個難度層級，共設(shè)有十二個實驗關(guān)卡，包括“馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)軟件模擬”“基本指令模擬”和“完整指令集驗證”。通過逐級闖關(guān)、不斷挑戰(zhàn)，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識運用到實踐中，并逐漸內(nèi)化為自己的能力。

2）多路徑。為了迎合學(xué)術(shù)領(lǐng)域的多樣性以及學(xué)生個體學(xué)習(xí)特征的差異，教職人員有能力在線教學(xué)模式下，構(gòu)建多個教學(xué)班級，以滿足課程大綱的基本要求。在這些班級中，教師可以巧妙地設(shè)計和配置不同的實驗入口，以滿足學(xué)生們個體化的學(xué)習(xí)需求。此外，還可以個性化地定制實驗教學(xué)進度和教學(xué)要求，以適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和能力。

3）差異化。旨在強調(diào)虛擬仿真實驗教學(xué)的意義，重點對學(xué)生個體差異性的重視，推崇個性發(fā)展和普及技能統(tǒng)一發(fā)展。同時提出了虛擬仿真實驗技術(shù)在創(chuàng)新教育中擔(dān)負的重任，以助力個性發(fā)展。根據(jù)學(xué)生特點施教，激勵具有特長的學(xué)生脫穎而出，并培養(yǎng)出拔尖創(chuàng)新人才[5]。

2.4 應(yīng)用實踐

通過設(shè)備認知、虛擬實操、原理進階和問題求解這四個巧妙設(shè)計的層次，在線實驗平臺旨在以高效的方式支持實驗教學(xué)活動，并為用戶提供虛擬仿真實驗的設(shè)計。首先，平臺通過設(shè)備認知層次，讓學(xué)生對實驗所需的設(shè)備進行了解和認知，使其能夠準確地操作實驗設(shè)備。其次，通過虛擬實操層次，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行實際的實驗操作，從而加強他們的實操能力和技能。在原理進階階段，學(xué)生將加深對實驗的基本原理和相關(guān)理論的理解，從而提升他們對實驗背后原理的認識和靈活運用的能力。而在問題求解階段，學(xué)生會被挑戰(zhàn)去解決一系列挑戰(zhàn)性的問題，運用他們的分析和解答能力，以及創(chuàng)新的思維去解決這些問題，以培養(yǎng)他們的問題解決能力和創(chuàng)造力。在線實驗平臺的設(shè)計目的是滿足實驗教學(xué)過程中的分層和遞進性需求，采用分級設(shè)計和提供虛擬演示實驗，讓學(xué)生深入了解實驗知識和技能，同時也可以培養(yǎng)出優(yōu)秀的實驗實踐技能。

1）計算機系統(tǒng)組成和維保設(shè)備的認知環(huán)節(jié)

通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以研究各類數(shù)據(jù)中心計算機維保設(shè)備與系統(tǒng)，有效掌握圖示、架構(gòu)及零件參數(shù)等相關(guān)知識。在學(xué)術(shù)探究中，遵循全局認知優(yōu)先、細節(jié)關(guān)注次之的認知序列是被推崇的做法，因為它有助于學(xué)子更深入地理解和掌握知識要點。一種高效的方法是通過提供編程練習(xí)和試題，以實時測評學(xué)生對核心知識的運用能力。

2）虛擬設(shè)備實操驗證環(huán)節(jié)

在虛擬數(shù)據(jù)中心場景下，應(yīng)該設(shè)定任務(wù)目標，并進行闖關(guān)式快速硬件環(huán)境的組裝和搭建實驗。這些實驗將模擬通用計算機維保裝置、字符編碼等關(guān)鍵信息化裝備的使用。通過立體拆裝和多視角觀察，學(xué)生可以體驗仿真實裝現(xiàn)場，并運用代碼和提示進行反復(fù)練習(xí)。

3）微觀視角的原理學(xué)習(xí)和設(shè)計環(huán)節(jié)

使用三維可視化軟件基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，本系統(tǒng)可使用戶更直觀地洞悉信息系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)流及指令流的運作過程，以及這一運作的實現(xiàn)技術(shù)原理；學(xué)生可以搭建計算機系統(tǒng)，將宏觀知識與這種軟件模擬方法相結(jié)合，鍛煉計算思維，鞏固所學(xué)知識，達到將知識更加深入內(nèi)化。

4）實際想定任務(wù)的問題求解環(huán)節(jié)

通過運用專業(yè)的編程技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和人工智能算法，實現(xiàn)對匯聚系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行的目標。同時，能夠根據(jù)傳感器獲取的實時信息以及實地任務(wù)執(zhí)行情況，做出相應(yīng)的反饋。在實驗過程中，設(shè)置了一系列可調(diào)整的參數(shù)，供學(xué)生使用。這些參數(shù)的調(diào)整是根據(jù)計算機硬件設(shè)備的組裝情況進行的。反過來改進參數(shù)、算法設(shè)計，終將實現(xiàn)原先的目標。在這一階段，仍然可以積極參加比賽模式，以促進它們的優(yōu)化設(shè)計能力。值得注意的是，這個實驗平臺擁有自動化評價能力，省去了復(fù)雜繁瑣的人工評估環(huán)節(jié)。同時，導(dǎo)師和助教可以通過平臺后臺的追蹤數(shù)據(jù)，有效提升實驗指導(dǎo)質(zhì)量。此門課程有助于有效地支持融合式教學(xué)模式，包括虛擬與實體相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式以及線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方法。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐意義與反思

3.1 實踐意義

目前，大學(xué)計算機課程的虛擬實驗是在云服務(wù)支持下進行的，目的是支持大規(guī)模的在線課程實驗應(yīng)用，并與MOOC平臺進行整合。為了滿足要求，學(xué)校正與眾誠公司合作開發(fā)人機交互設(shè)備，包括電腦和手機，以確保虛擬實驗?zāi)軌蛲瑫r在PC端和移動端上進行。因此，大學(xué)計算機課程的虛擬實驗設(shè)計將抽象的問題具體化，讓學(xué)生通過實際體驗來探索問題，并了解信息流的執(zhí)行過程、計算機病毒攻防過程、Excel數(shù)據(jù)分析流程、網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)等難以觸及和感知的問題。這樣的設(shè)計豐富了授課過程中實驗內(nèi)容的體系。與其他的PPT和動畫演示方法不一樣，虛擬實驗可以增加人與計算機之間的交互功能，以此來更深刻地掌握易碎且復(fù)雜的知識。目前，已經(jīng)初步實現(xiàn)了部分大學(xué)計算機課程實驗設(shè)計的題目。相信在信息化背景下，“線上+線下”混合式教學(xué)中，這種虛擬仿真實驗教育教學(xué)模式將發(fā)揮重要的作用，并豐富教育教學(xué)的內(nèi)容。

3.2 教學(xué)反思

許昌學(xué)院是一所地方應(yīng)用型高校，其基于教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境和師資力量等多種因素而達到的教學(xué)質(zhì)量是可圈可點的。但鑒于學(xué)校普遍采用的大班教學(xué)方式反思中未充分關(guān)注學(xué)生個體情況，因而存在課堂分心問題，注意力無法全身心地投入，從而難以引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。教育過分關(guān)注直接的物質(zhì)收益，忽視了社會和學(xué)生更大的需求；學(xué)校過度側(cè)重于軟件應(yīng)用能力的增強，卻疏忽了思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生的思維模式陷入了固定的范式中，對于推動全面深化的教育改革缺乏積極助推的作用。

4 結(jié)束語

在信息化的背景下，越來越多的課程開始引入虛擬仿真技術(shù)。該先進的技術(shù)具備令人著迷的全身投入式體驗效果，具有極大地增強課堂教學(xué)效能的潛力。同時，虛擬仿真技術(shù)可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維并拓展他們的思維能力，作為塑造學(xué)生成長的重要助推因素。

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【通聯(lián)編輯：梁書】