依托虛擬仿真平臺(tái)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探索

摘"要：“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)類型不夠豐富，實(shí)驗(yàn)體系不完善，實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源有限，實(shí)驗(yàn)時(shí)空受限，實(shí)驗(yàn)考評(píng)手段單一，按照傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)效果不佳。本文按照新工科建設(shè)要求，探索該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以學(xué)生系統(tǒng)能力為目標(biāo)，依托虛擬仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，開展“學(xué)、練、測(cè)”一體化的教學(xué)方式，同時(shí)改進(jìn)多元化的考評(píng)機(jī)制。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的成績(jī)，提升學(xué)生的系統(tǒng)能力，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科；虛擬仿真平臺(tái)；虛實(shí)結(jié)合；“學(xué)、練、測(cè)”教學(xué)方式

中圖分類號(hào)：G642""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1"概述

面對(duì)我國(guó)近年來(lái)信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的新形勢(shì)，計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才需要具備更深入、更專業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用能力。而針對(duì)新工科的建設(shè)要求，學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)更是計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科教育中的重中之重。2018年印發(fā)的《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》指出，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟(jì)呼喚“新工科”。要把“新工科”建設(shè)作為高校綜合改革的“催化劑”，系統(tǒng)推進(jìn)大學(xué)組織模式、學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)機(jī)制、教師評(píng)價(jià)激勵(lì)等方面的綜合改革，推動(dòng)和引領(lǐng)高等教育深層次變革［13］。《教育部"財(cái)政部關(guān)于實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》中進(jìn)一步重申了實(shí)踐教學(xué)對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要性，并提出了一系列具體強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的措施，明確指出推進(jìn)高等學(xué)校在教學(xué)內(nèi)容、課程體系、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行人才培養(yǎng)模式的綜合改革［4］。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門非常重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)體系起著承上啟下的作用［5］，而實(shí)踐能力的提升更是計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文將探索新工科背景下，借助于虛擬仿真技術(shù)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展與創(chuàng)新。

2"“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式現(xiàn)狀

2.1"實(shí)驗(yàn)類型不夠豐富，系統(tǒng)能力培養(yǎng)欠缺

受限于實(shí)體實(shí)驗(yàn)箱，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)類型不夠豐富，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少，整體難度偏低，理論與實(shí)驗(yàn)銜接不緊密，實(shí)驗(yàn)體系不完善，無(wú)法形成對(duì)理論教學(xué)的強(qiáng)支撐，系統(tǒng)能力培養(yǎng)欠缺，新工科應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力沒有得到培養(yǎng)?！坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程理論性強(qiáng)，概念抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)困難，很難掌握其精髓，其教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成僅依靠理論教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須打造對(duì)理論教學(xué)具有強(qiáng)支撐的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)［6］。在這個(gè)環(huán)節(jié)里要淡化以知識(shí)點(diǎn)驗(yàn)證為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，建立逐層遞進(jìn)、立足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的多層次的實(shí)踐教學(xué)體系。

2.2"實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源有限，自主學(xué)習(xí)缺乏實(shí)操環(huán)境

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課是在專用的硬件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，學(xué)生必須在固定的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間才能開展實(shí)驗(yàn)練習(xí)。由于硬件實(shí)驗(yàn)箱的配備數(shù)量有限，一般采取兩人一組的方式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無(wú)法滿足學(xué)生單獨(dú)練習(xí)的學(xué)習(xí)需要，且對(duì)于動(dòng)手能力相對(duì)弱的學(xué)生，如果在課堂上沒完成實(shí)驗(yàn)，課后并沒有有效的補(bǔ)充方式。此外，對(duì)于課前、課后有自主學(xué)習(xí)需求的學(xué)生，也由于沒有實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備，只能通過(guò)相關(guān)資料來(lái)學(xué)習(xí)。

2.3"實(shí)驗(yàn)考評(píng)手段單一，無(wú)法全面覆蓋學(xué)生能力

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的所有實(shí)驗(yàn)都在實(shí)體實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后教師檢查，實(shí)驗(yàn)考評(píng)以實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果作為唯一評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)分析能力、設(shè)計(jì)能力、綜合能力很難客觀考核。

3"改革實(shí)施方案

針對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)類型不夠豐富、實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源有限和考評(píng)手段單一等原因?qū)е碌膶?shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳的問(wèn)題，研究以“系統(tǒng)能力培養(yǎng)”為中心，依托虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)考評(píng)進(jìn)行改革［7］，以提高教學(xué)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施流程如圖1所示。

3.1"完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

引入虛擬仿真技術(shù)，在原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)即微程序設(shè)計(jì)與CPU內(nèi)部控制實(shí)驗(yàn)，將“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃成“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)體系。其中，邏輯電路、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器及控制器實(shí)驗(yàn)的教學(xué)采用“實(shí)”的方式在實(shí)體實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，增加的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)部分采用“虛”的方式在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。這種規(guī)劃是對(duì)原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)補(bǔ)充，既有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也有高階實(shí)驗(yàn)，完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。虛擬仿真平臺(tái)，也即微程序設(shè)計(jì)與CPU內(nèi)部控制實(shí)驗(yàn)，是基于實(shí)體實(shí)驗(yàn)箱的模型機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的，包括四個(gè)模塊，分別是知識(shí)認(rèn)知模塊、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、微指令級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K及微程序級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。知識(shí)認(rèn)知模塊主要通過(guò)直觀的計(jì)算機(jī)三維立體圖來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)各部件；基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括運(yùn)算器和存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)，后兩個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)中涵蓋了控制器，即這三個(gè)實(shí)驗(yàn)既可在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，也可以在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行；后面兩個(gè)模塊是設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)微指令與微程序，還可以即編即運(yùn)行與邊測(cè)邊調(diào)試微指令。同時(shí)，此實(shí)驗(yàn)將計(jì)算機(jī)各硬件部件的工作原理、運(yùn)行機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)通路與工作流程等可視化，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐一展示給學(xué)生。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系如圖2所示。

3.2"重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

為了能更好地培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，重新對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為“知識(shí)驗(yàn)證—原理應(yīng)用—綜合設(shè)計(jì)”三個(gè)部分，知識(shí)驗(yàn)證主要是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，原理應(yīng)用主要是運(yùn)算器、存儲(chǔ)器與控制器的實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)指微程序設(shè)計(jì)與CPU內(nèi)部控制實(shí)驗(yàn)與模型機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由易到難、由局部到整體、由驗(yàn)證到分析設(shè)計(jì)，較好地緩解了學(xué)生對(duì)抽象難懂的硬件知識(shí)的畏難情緒。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容從知識(shí)認(rèn)知到知識(shí)應(yīng)用，從微指令設(shè)計(jì)到微程序設(shè)計(jì)，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，逐步培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力和系統(tǒng)思維，提升實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)度。

3.3"豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

依托虛擬仿真平臺(tái)，教學(xué)方式由“教師線下教學(xué)+學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熅€下教學(xué)+學(xué)生線上線下實(shí)驗(yàn)［8］”。在前面已經(jīng)介紹過(guò)虛擬仿真平臺(tái)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，這給學(xué)生線下線上實(shí)驗(yàn)提供了條件保障，學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)后還可以在線上進(jìn)行驗(yàn)證。線上實(shí)驗(yàn)突破了時(shí)間上、空間上的限制，體現(xiàn)“時(shí)空靈活性”，且學(xué)生可多次“在線練習(xí)”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要有網(wǎng)絡(luò)有終端就能隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，可以多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不限于課堂。這不僅緩解了實(shí)驗(yàn)箱數(shù)量有限的問(wèn)題，還對(duì)動(dòng)手能力較弱的、在課堂上沒完成實(shí)驗(yàn)的以及課前課后有自主學(xué)習(xí)需求的學(xué)生，提供了一個(gè)有效的補(bǔ)充方式。此外，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)微程序設(shè)計(jì)與CPU內(nèi)部控制實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將微程序的指令節(jié)拍、微指令互斥相容關(guān)系、微指令的邏輯關(guān)系內(nèi)置于平臺(tái)的自動(dòng)評(píng)測(cè)功能，學(xué)生在設(shè)計(jì)微程序時(shí)能夠及時(shí)給出錯(cuò)誤提示和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流向，擴(kuò)展了傳統(tǒng)實(shí)物所不具備的“交互式體驗(yàn)”學(xué)習(xí)場(chǎng)景，形成了“學(xué)、練、測(cè)”一體化教學(xué)模式。

3.4"多元化的考評(píng)機(jī)制

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系轉(zhuǎn)變以往實(shí)驗(yàn)以最終結(jié)果作為唯一評(píng)價(jià)依據(jù)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)這兩部分還是沿用最終結(jié)果作為評(píng)價(jià)，而對(duì)最能體現(xiàn)學(xué)生分析設(shè)計(jì)能力及系統(tǒng)能力的高階實(shí)驗(yàn)則采用“全過(guò)程、全方位”的形成性評(píng)價(jià)機(jī)制。該綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)知識(shí)認(rèn)知及練習(xí)到綜合性分析、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證到表達(dá)、總結(jié)到改進(jìn)的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)反饋，從而對(duì)學(xué)生的“問(wèn)題分析—規(guī)劃設(shè)計(jì)—整機(jī)思維”的復(fù)雜工程問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作及精益求精的新時(shí)代工匠精神素養(yǎng)進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)［9］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“即編即運(yùn)行、邊做邊測(cè)”的實(shí)驗(yàn)方式可以采集學(xué)生實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，給出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)考核方法，在保證基礎(chǔ)部分完成的同時(shí)，能夠激發(fā)學(xué)生向高階部分挑戰(zhàn)。

4"教學(xué)效果分析

以上教學(xué)改革，無(wú)論是虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系，還是從驗(yàn)證到綜合設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，都體現(xiàn)了以“系統(tǒng)能力培養(yǎng)”為中心，再疊加線下線上結(jié)合的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制，為學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)條件。傳統(tǒng)終結(jié)性的考核方式很難客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的能力，全過(guò)程、全方位的評(píng)價(jià)方式不但更能客觀評(píng)價(jià)學(xué)生，且為教師教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)每個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，便于教師掌握學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)側(cè)重點(diǎn)。

以軟件工程系的學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在2021級(jí)、2022級(jí)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程中對(duì)比了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革效果，2021級(jí)的課程采用傳統(tǒng)的“教師線下講課+學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)驗(yàn)”的授課模式，2022級(jí)的課程實(shí)行上述教學(xué)改革方案，圖3顯示了2021、2022級(jí)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程目標(biāo)達(dá)成情況的對(duì)比結(jié)果。

由圖3可知，實(shí)施教學(xué)改革后的每個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成度都優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)中課程目標(biāo)達(dá)成度，尤其是課程目標(biāo)3和課程目標(biāo)4改革后的達(dá)成度提升最為明顯，其對(duì)應(yīng)的是學(xué)生能力目標(biāo)，這表明學(xué)生的分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案以及解決問(wèn)題的能力得到了有效提高。同時(shí)，通過(guò)課程目標(biāo)達(dá)成度的結(jié)果也能發(fā)現(xiàn)，課程目標(biāo)1的達(dá)成度偏低，這主要體現(xiàn)在學(xué)生對(duì)時(shí)序邏輯電路知識(shí)方面掌握欠缺，這需要在今后的教學(xué)中持續(xù)改進(jìn)。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)一步表明在新工科理念指導(dǎo)下，引入虛擬仿真平臺(tái)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以得到更好的實(shí)施，并能有效提高教學(xué)效果。

結(jié)語(yǔ)

在新工科理念的指導(dǎo)下，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力［10］。依托虛擬仿真平臺(tái)，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案能夠有效促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。本文探索了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式及實(shí)驗(yàn)考評(píng)方法的改革方案，提出了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系、突破時(shí)空限制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，重構(gòu)了“驗(yàn)證+綜合設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及最終結(jié)果考評(píng)與形成性考評(píng)相結(jié)合的考評(píng)方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以虛補(bǔ)實(shí)、以虛驗(yàn)實(shí)，加深學(xué)生對(duì)整機(jī)工作原理、工作過(guò)程的理解，學(xué)生能更透徹地理解理論知識(shí)，從而提升學(xué)生的系統(tǒng)能力。

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基金項(xiàng)目：航空、航天基金及產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（編號(hào)：2020Z073056001）

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)露（1981—"），女，漢族，江西南昌人，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。