計(jì)算機(jī)類課程虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

　　摘要：針對(duì)高校計(jì)算機(jī)類課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的不足，文章引入虛擬實(shí)驗(yàn)室概念，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，提出虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建計(jì)劃，充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室資源，提高設(shè)備利用率，增進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)自主性。通過(guò)對(duì)本校使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明較之傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室；計(jì)算機(jī)專業(yè)課程；虛實(shí)結(jié)合
　　作者簡(jiǎn)介：劉輝，女，講師，研究方向?yàn)閳D形圖像處理；曾松，男，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。
　　
　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是對(duì)計(jì)算機(jī)這一實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科來(lái)說(shuō)，顯得尤為重要。計(jì)算機(jī)類專業(yè)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課一般比較抽象，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)幫助學(xué)生理解和掌握。為此，各高校為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程配備了專用實(shí)驗(yàn)室以及專用儀器設(shè)備，以完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如廣東商學(xué)院信息學(xué)院就分別為計(jì)算機(jī)組成原理、接口技術(shù)、數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程安排了專用實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置了專用實(shí)驗(yàn)裝置，以滿足教學(xué)需要。
　　1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題
　　通過(guò)看得見(jiàn)摸得著的實(shí)物儀器裝置，學(xué)生可以較容易的獲得感性認(rèn)識(shí)，將抽象的理論變成直觀的現(xiàn)實(shí)，這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生身臨其境，理論上教學(xué)效果應(yīng)當(dāng)非常好。但是，很多高校現(xiàn)有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室存在很多問(wèn)題，很難達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果[1-2]。
　　首先，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的投資高，利用率卻很低。以某些計(jì)算機(jī)專業(yè)課程為例，如計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)接口等，需要專用實(shí)驗(yàn)室配備專用設(shè)備儀器，只能為少數(shù)專業(yè)少數(shù)學(xué)生使用，實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用率很低，閑置率超過(guò)60%，有的甚至超過(guò)80%，資源浪費(fèi)非常嚴(yán)重，束縛了實(shí)驗(yàn)室功能的充分發(fā)揮。
　　第二，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)時(shí)間和空間的限制嚴(yán)重。大部分實(shí)驗(yàn)課程只能以教師為中心，在實(shí)驗(yàn)室完成，學(xué)生不能自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的主動(dòng)性和積極性難以發(fā)揮。
　　第三，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備靈活性差。一般，計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜，很難增添功能或改變實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，往往只能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)設(shè)。
　　第四，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆＞退闶桥鋫淞俗钚碌慕虒W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，新技術(shù)、新成果也無(wú)法及時(shí)體現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及動(dòng)手能力不能與社會(huì)發(fā)展同步，總是滯后于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展前沿。如果考慮對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造，則需耗費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力，價(jià)值不高。
　　第五，問(wèn)題的難以重現(xiàn)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)環(huán)境等客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大影響，有些問(wèn)題是學(xué)生操作不當(dāng)引起，有些問(wèn)題可能是當(dāng)時(shí)設(shè)備狀態(tài)出了問(wèn)題，如果不能及時(shí)跟進(jìn)，過(guò)后很難再確定問(wèn)題原因，這樣往往使學(xué)生無(wú)法找到問(wèn)題本質(zhì)，嚴(yán)重影響對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。
　　以廣東商學(xué)院為例，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)受到經(jīng)費(fèi)的限制，許多先進(jìn)的設(shè)備無(wú)力購(gòu)買或不能及時(shí)更新，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備總是處于落后甚至淘汰的邊緣。以計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱為例，盡管提供了16機(jī)的一些操作，但本質(zhì)上是8位機(jī)，而目前普遍存在的CPU是32位，且正向64位發(fā)展，這種理論和實(shí)際的脫節(jié)，勢(shì)必影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也因此無(wú)法得到及時(shí)更新，再加上實(shí)驗(yàn)課時(shí)和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地相對(duì)緊缺等種種客觀因素，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量始終得不到保障，學(xué)生甚至反映實(shí)驗(yàn)比課堂理論還難理解。
　　如何彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的諸多不足，同時(shí)引入新穎的教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量呢？虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境為我們提供了一個(gè)很好的方向。
　　2虛擬實(shí)驗(yàn)室
　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，它由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的威廉?沃爾夫教授于1989年首先提出。所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室是指利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是利用軟件在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3-5]。
　　第一，虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式新穎，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的束縛，給學(xué)生充分的發(fā)揮和想象空間。
　　第二，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本低。因?yàn)椤败浖礊閮x器”，這樣可以解決因?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)不足或高檔次、高價(jià)位設(shè)備缺乏不能開(kāi)出實(shí)物實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)因使用不當(dāng)、管理不善等因素造成儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象，這樣也減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的投入和管理費(fèi)用。
　　第三，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)效率很高。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備都是處于理想狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)榻佑|不良、設(shè)備故障等次要因素影響實(shí)驗(yàn)主體的進(jìn)行，減少學(xué)生的無(wú)用功，提高實(shí)驗(yàn)效率。
　　第四，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生的自主性、交互性好。學(xué)生可以像玩電子游戲一樣，用鼠標(biāo)去控制實(shí)驗(yàn)，一邊改變實(shí)驗(yàn)條件，一邊觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以任意放慢或加快實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以隨時(shí)改變實(shí)驗(yàn)條件，可以看到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中看不到的變化過(guò)程。
　　第五，虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性、資源共享性、協(xié)作性好。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)時(shí)間和空間的限制，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室還可以模擬傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有的設(shè)備，開(kāi)設(shè)反映新技術(shù)新成果的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及其他新型實(shí)驗(yàn)，可以開(kāi)拓學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在協(xié)同虛擬環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)合作實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、協(xié)同研究等，提高學(xué)生的互助合作精神。
　　第六，虛擬實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)具有可重現(xiàn)性。不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室由軟件模擬，只要實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件、實(shí)驗(yàn)步驟不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就不變，甚至出現(xiàn)的問(wèn)題也不變，這樣對(duì)問(wèn)題的定位就變得容易。
　　第七，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以提高傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的使用效能。以往由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的約束，學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)課上才開(kāi)始接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間來(lái)熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，而課堂時(shí)間有限，這樣會(huì)浪費(fèi)在實(shí)驗(yàn)室的寶貴時(shí)間。開(kāi)放虛擬實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成一些預(yù)習(xí)性的工作，進(jìn)入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室后，基本上就可以直接進(jìn)行主要的實(shí)驗(yàn)過(guò)程了。
　　綜上，虛擬實(shí)驗(yàn)室有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的不足，在教育領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)許多高校都根據(jù)自身需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件，同濟(jì)大學(xué)建筑學(xué)院的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)的操作系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室等，而且均取得了較好的教學(xué)效果，師生反應(yīng)良好。
　　當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)室不可能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，它只是一個(gè)虛擬環(huán)境，如果不進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)，也只是紙上談兵。因此，必須考慮將虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，這樣才能搭建出好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，獲得好的實(shí)驗(yàn)效果。
　　3虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建
　　通過(guò)分別對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的分析，可以看出，二者各有優(yōu)缺，只有將二者結(jié)合才能構(gòu)建一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)的綜合性實(shí)驗(yàn)室，才能為學(xué)習(xí)者營(yíng)造一個(gè)不受時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備約束的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生既可以感受到逼真的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，接觸到實(shí)際設(shè)備，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，又節(jié)約了學(xué)校專用實(shí)驗(yàn)室的投入，提高實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備的利用率。
　　目前，各高校多數(shù)都已經(jīng)建成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室方面，由于虛擬儀器的硬件是以通用的微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，各高校的實(shí)驗(yàn)室一般已擁有相當(dāng)數(shù)量的通用計(jì)算機(jī)，只要購(gòu)買一定的儀器模板以及相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成足夠數(shù)量的虛擬儀器供學(xué)生使用。因此，虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建條件是完全具備的。
　　筆者以本校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生為對(duì)象，包括計(jì)算機(jī)、軟件工程、電子商務(wù)、信息管理四個(gè)專業(yè)近400人，以硬件核心課程計(jì)算機(jī)組成原理為例，利用本校原有計(jì)算機(jī)組成原理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和購(gòu)置的中南大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)室[6]，初步構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中提供了運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)芯片、譯碼電路芯片、以及其他可編程芯片和常用的門電路邏輯芯片。根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)及課程內(nèi)容安排了相應(yīng)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如表1所示。通過(guò)合理分配實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以滿足不同知識(shí)背景學(xué)生的要求。如對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，表1中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是可以進(jìn)行的，而且很多實(shí)驗(yàn)可以在課下由學(xué)生自行完成。對(duì)于信息管理專業(yè)，由于課程要求不同，難度較大的實(shí)驗(yàn)可以省去或簡(jiǎn)化，如控制器實(shí)驗(yàn)、模型機(jī)實(shí)驗(yàn)等。
　　
　　表1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表
　　在這種虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建中，有以下幾項(xiàng)內(nèi)容需要說(shuō)明。
　　1) 課上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置。采用了虛實(shí)融合的方式，每次實(shí)驗(yàn)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式，由教師布置任務(wù)，但不給出具體做法或僅給出少量提示，由學(xué)生主體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目循序漸進(jìn)且具有整體性，以運(yùn)算器項(xiàng)目為例，每次實(shí)驗(yàn)都是后繼實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，后繼實(shí)驗(yàn)則是前一實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——模型機(jī)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)模塊，運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器等實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，就形成了一臺(tái)簡(jiǎn)單的模型機(jī)。
　　2) 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放。由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室受到諸多條件限制，只能在課上開(kāi)放，而虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)由工作人員安裝在校園網(wǎng)服務(wù)器上，全天開(kāi)放，虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)客戶端沒(méi)有特別要求，學(xué)生可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室。
　　3) 師生交互。這一點(diǎn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中很容易實(shí)現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下也必須提供。可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中設(shè)置問(wèn)題區(qū)，學(xué)生無(wú)法解決的問(wèn)題，可以將其問(wèn)題狀態(tài)保留在各自虛擬實(shí)驗(yàn)室中，一個(gè)學(xué)生可以保存多種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，老師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入相應(yīng)學(xué)生的虛擬環(huán)境，幫助分析問(wèn)題原因。
　　4) 實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備更新。為了能在實(shí)驗(yàn)室中及時(shí)反映各種新技術(shù)、新方法，需要虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供者及時(shí)升級(jí)系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備更新，這種升級(jí)所需的代價(jià)要小得多。
　　在廣東商學(xué)院，筆者經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐，在學(xué)期末對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，未使用虛擬實(shí)驗(yàn)室之前，學(xué)生往往還沒(méi)來(lái)得及理解實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)到了下課時(shí)間，部分同學(xué)勉強(qiáng)完成實(shí)驗(yàn)，結(jié)果很多問(wèn)題不能得到及時(shí)解決，日積月累到學(xué)期末，多數(shù)學(xué)生感覺(jué)對(duì)很多知識(shí)還是不懂，實(shí)驗(yàn)只是走過(guò)場(chǎng)。在引入虛擬實(shí)驗(yàn)室后，90%的學(xué)生都能自己完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且感覺(jué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較容易，從學(xué)生交來(lái)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中可見(jiàn)一斑，這說(shuō)明了虛實(shí)綜合實(shí)驗(yàn)室的初步成效。
　　4結(jié)語(yǔ)
　　在計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)推行虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)室，可以緊跟最新技術(shù)的發(fā)展，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的束縛，可以營(yíng)造一種生動(dòng)活潑、輕松愉快的教學(xué)氛圍，為學(xué)生提供豐富的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、互動(dòng)性和創(chuàng)造性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)器材難以進(jìn)行靈活使用的缺點(diǎn)。同時(shí)，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)室可以提高現(xiàn)有各類計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的使用率，以虛擬實(shí)驗(yàn)室為主導(dǎo)，節(jié)約計(jì)算機(jī)類專用實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和設(shè)備更新的開(kāi)支。因此有必要構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，尤其是對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)然，筆者只是將虛擬實(shí)驗(yàn)室252bb9330f9f90152e1a27443d63c44d80a886df51470baf4aaacb2c4fd1dff2和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了簡(jiǎn)單的結(jié)合，作了初步嘗試，如何才能最大程度地發(fā)揮二者作用，還有待進(jìn)一步的教學(xué)實(shí)踐和探索。
　　參考文獻(xiàn)：
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