基于MOOC的虛擬仿真實驗方法探究

李 林， 李鳳霞， 蘭 山， 余 月

(北京理工大學 a. 計算機學院; b. 實驗與設備管理處, 北京 100081)

基于MOOC的虛擬仿真實驗方法探究

李 林a， 李鳳霞a， 蘭 山b， 余 月a

(北京理工大學 a. 計算機學院; b. 實驗與設備管理處, 北京 100081)

應用虛擬仿真實驗教學手段，對MOOC課程缺失實驗教學環節的問題進行了研究。針對計算機公共基礎課程，設計開發了3個系列虛擬實驗，解決了計算機教學過程中信息演化不可視、計算機微觀結構不可及和計算機病毒不可逆等問題。在實際教學中，構建了一套完整的基于MOOC的理論教學與虛擬仿真實驗相結合的教學體系，教學實踐表明虛擬仿真實驗是學生真正理解理論知識并運用于實踐的重要保證，達到了良好的教學效果。

虛擬仿真； 實驗教學； 慕課； 計算機教學

0 引 言

近年來，大規模開放式在線課程，即MOOC(Massive Open Online Course)，憑借其工具資源多元化、課程易于使用、受眾面廣、自主參與性強等優勢在教育界以破竹之勢興起[1-3]。與課堂教學和傳統的網絡課程相比較，MOOC具有以下優勢：課程公開免費，使學生可以通過電腦、手機等各種媒介資源隨時隨地進行在線學習，提供了更廣泛的教育服務；實現優秀教師資源的高度共享，并進行推廣，提升了整體教育水平；討論區、線上測驗與作業、在線考試等互動方式，構建了良好的自我學習、測試平臺，有利于培養學生的自主學習性。

然而，就在MOOC集諸多優勢于一身，課程愈來愈豐富，選課人數越來越多，幾乎得到所有高校競相呼應的同時，有一個實際問題卻日益突出，這就是MOOC無法完成實驗教學。對于計算機、物理、電子工程等實踐性較強的學科，單純的理論教學無法滿足授課需要。因此，本文通過研究如何用虛擬實驗方法支持大規模在線課程，來闡述在新一輪的教育教學改革中，實驗教學應該如何設計和配合。

1 大規模在線課程中的實驗需求

對于計算機、物理、電子工程等實踐性很強的學科，實驗教學是整個教學過程中不可或缺的一部分，占有重要地位。在高校實施的教學計劃中，實驗教學都占據較大比重。例如，我校大學計算機課程，總學時為32學時，其中理論學時為23學時，實驗學時為9學時，實驗學時占比28%；C語言程序設計和數據結構與算法課程實驗學時占比分別為31%和34%。

由于MOOC課程參與人數眾多，人員地域分散，如果采用傳統實驗手段，勢必會受到實驗場地、實驗時間和實驗輔導師資等限制。因此如何在MOOC課程中進行實驗教學是擺在我們面前的難題。

虛擬仿真實驗借助于虛擬現實、計算機仿真、多媒體和人機交互等現代技術手段，通過構建高度仿真的實驗操作環境和實驗對象，使實驗者在虛擬現實環境中完成各種預定的實驗項目[4-8]。相較于傳統實驗，虛擬仿真實驗不受時空限制，并且可以完成真實實驗設備不具備或難以實現的教學內容。虛擬仿真實驗為大規模在線課程中的實驗教學提供了實現方法。

2 虛擬仿真實驗方法

2012年提出了虛擬實驗教學思路，2013年推出了一套面向計算思維培養的教材、一款面向重點難點教學內容的虛擬實驗軟件以及一個配套教學的數字化資源包，構建了虛擬仿真實驗平臺，展示了“理論+概念+方法”的全新教學方案[9]。該教學方案已經被國內多家高校采用，將虛擬仿真實驗平臺與實踐教學環節相結合，運用于計算機基礎課、計算機導論以及計算機專業課等領域[10-14]。我校分別設計開發了信息演化系列虛擬實驗、硬件結構系列虛擬實驗和網絡安全系列虛擬實驗，解決了計算機教學中信息演化過程不可視、計算機微觀結構不可及和計算機病毒危害不可逆等傳統實驗不能解決的問題。

由于信息演化過程不可視，通過傳統的實驗手段只能觀察到結果而無法體現信息流動的動態變化和因果關系。信息演化系列實驗把不可視的信息傳輸過程和算法運行機制用虛擬交互和演示驗證的實驗方法變得可視、可驗證。例如，從鍵盤輸入到屏幕輸出是一個基本的信息交互過程。這個過程看似普通，實際上包括了西文字符和漢字字符的輸入、查找與顯示過程，涉及ASCII碼、漢字輸入碼、國標碼、機內碼、字形碼等多種編碼的共同作用。“字符編碼與信息變換”虛擬實驗[7]通過可視化的方法，直觀地展示了字符輸入、輸出的原理，加深對二進制編碼方法和信息交換等技術的理解。

由于計算機的微觀結構不可及，導致計算機指令的執行過程、數據溢出、圖靈機、內存管理、磁盤文件管理等知識點高度抽象、難于理解。硬件結構系列實驗把不可及的硬件微觀結構及其運行機制抽象為不同層級的模塊，使之可及、可理解。例如，“一條指令的執行過程”虛擬實驗[10]，構建了計算機CPU、內存等的實驗環境，將涉及計算機指令執行的程序計數器、指令寄存器、通用寄存器、算術邏輯單元、地址總線等不可及的硬件微觀結構通過虛擬仿真可視化。同時以加法操作指令為例，通過人機交互的方式，展示了程序分解為指令和指令如何編碼、尋址、存儲、解碼、執行、跳轉的全過程。

由于計算機病毒等危害不可逆，木馬、蠕蟲等計算機病毒一旦爆發不但破壞計算機軟硬件，給網絡和信息安全帶來巨大損失，無法在真實環境中開展實驗。網絡安全系列實驗將具有危害性的操作在虛擬環境中模擬實現，避免真實實驗造成損失。例如，“計算機病毒與防火墻”虛擬實驗[10]重點涉及計算機病毒的工作原理，傳染路徑以及基本的防治方法。通過實驗了解計算機啟動以及程序運行的基本過程；了解病毒感染的主要途徑；了解蠕蟲和木馬的主要工作原理；理解防火墻的基本功能；模擬防火墻的基本規則設置，演示預防網絡病毒的原理，從而使學生不僅加深網絡信息安全的概念和原理，同時避免了不可逆操作帶來的危害。

3 基于MOOC的虛擬仿真實驗教學實踐

2015年學校整合優質的教學資源和經驗，將虛擬仿真實驗融合到大學計算機MOOC課程。每一講的課程內容包括本章導學、本章內容、虛擬實驗、知識擴展、軟件應用等教學環節[15]，其中虛擬實驗環節，可以加深學生對教學重點難點內容的理解和學習。

從開發的虛擬實驗平臺中選取了9個虛擬仿真實驗，與相關的理論教學內容相結合，構建了一套完整的基于MOOC平臺的理論與實踐相結合的教學體系(見表1)。每個虛擬仿真實驗都包括視頻講解、操作指導、實驗報告考核、思考題討論和背景知識介紹等環節。

(1) 通過視頻發布教師對實驗內容講解和實驗步驟解讀，使學生掌握實驗目的，總體把握實驗內容。

(2) 提供實驗軟件光盤和MOOC平臺上的實驗軟件模塊兩種方式，使學生自由選擇離線或在線的方式，通過實驗指導書中的操作說明，完成實驗。例如，“一條指令的執行過程”虛擬實驗中的指令譯碼階段，虛擬展示了CPU中的硬件微觀結構中數據的變化及數據信息流動過程(見圖1)。

(3) 配套的數字化資源包提供了實驗報告模版，實驗報告的內容旨在引導和強化學生理解相應的知識點。表2為“一條指令的執行過程”虛擬實驗中指令譯碼階段的實驗報告內容。

表1 基于MOOC的虛擬仿真實驗教學體系

圖1 一條指令的執行過程實驗指令譯碼階段

步驟3 指令譯碼實驗問題實驗解答在指令寄存器(IR)中的操作碼和兩個操作數的內存地址分別是什么？(請分別用六位二進制數和四位十六進制表示)譯碼在哪里進行？通過哪組總線把該操作傳遞給RAM？

通過虛擬實驗的操作和完成實驗報告，使學生掌握指令寄存器存儲內容的意義、計算機指令格式及其意義、不同進制數之間的轉換等知識點。通過MOOC平臺提供的學生互評方式對2個虛擬實驗考核，學生在評分之外可以寫下反饋意見，以幫助學生更好地了解作業情況，促進學生之間的交流。

(4) 思考題討論啟發學生對實驗相關知識點進行更深層次的思考。

(5) 補充實驗相關的背景知識，使學生更全面直觀地了解知識點，并有助于拓展知識面。

參加本門MOOC課程為27 000人，分別有7 273和7 237人參加了“文件管理磁盤恢復”和“廣域網通信與郵件傳輸”實驗的考核，并且都通過學生互評獲得了成績。有9 217人參加了期末考試，6 000余人獲得MOOC課程合格證書，1 700余人獲得課程優秀證書。總結學生的反饋意見，虛擬實驗教學環節強化學生理解重點難點，引導學生進行自主學習，激發對專業知識的興趣等。

4 結 語

虛擬仿真實驗方法充分利用現代信息技術手段，具有建設維護成本低，平臺擴展性好，利用效率高等優勢。將虛擬仿真實驗應用于MOOC教學，能充分發揮兩者的優勢，堅持開放共享的理念，整合優質的理論和實驗教學資源，將學習活動融入到教學中。教學實踐表明，虛擬仿真實驗是學生真正理解理論知識并運用于實踐的重要保證，有效解決了MOOC的實驗教學問題，將作為MOOC的一個重要組成部分服務于社會。

教學實踐過程中發現通過學生互評方式來進行實驗報告的考核，存在不客觀的問題，無法真實反映學生對實驗報告的完成情況。如果實驗報告的考核由教師完成，由于MOOC的大規模特性，參與人數眾多，非常耗費時間和精力。因此虛擬實驗的報告在線自動評測是一個亟需解決的問題，構建實驗報告在線測評系統勢在必行。

[1] 伍民友,過敏意. 論MOOC及未來教育趨勢[J]. 計算機教育, 2013(20):5-8.

[2] 王文禮. MOOC的發展及其對高等教育的影響[J]. 江蘇高教, 2013(2):53-57.

[3] 孫 青,艾明晶,曹慶華. MOOC環境下開放共享的實驗教學研究[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(8):192-195.

[4] 李 平,毛昌杰,徐 進. 開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設,提高高校實驗教學信息化水平[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(11):5-8.

[5] 王衛國,胡今鴻,劉 宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(5):214-219.

[6] 胡今鴻,李鴻飛,黃 濤. 高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(2):140-144.

[7] 祖 強,魏永軍. 國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(11):156-158.

[8] 王 森,李 平. 2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J]. 實驗室研究與探索, 2016, 35(4):82-86.

[9] 李鳳霞,陳宇峰,李仲君, 等. 大學計算機實驗[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.

[10] 李鳳霞,彭遠紅. 虛擬實驗方法全面助力計算機教育教學改革[J]. 計算機教育，2015(17):1.

[11] 張春英,趙艷君,谷建濤. 構建虛實融合的地方高校計算機實驗平臺[J]. 計算機教育，2015(17):2-5.

[12] 翟宏宇,趙建平,底曉強，等. 基于虛擬仿真平臺的計算機網絡課程實踐教學[J]. 計算機教育，2015 (17):6-9.

[13] 張東生,李 捷,喬保軍. 以培養計算思維為導向的大學計算機基礎課程分級分類教學[J]. 計算機教育，2015(17):10-12.

[14] 趙 霞,李鳳霞,蔡 強, 等. 計算機導論課程的教學改革探索[J]. 計算機教育，2015(17):13-16.

[15] 李鳳霞,陳宇峰,余 月, 等. 基于MOOC/SPOC的課程協同建設與思考[J]. 計算機教育, 2016(1):17-18.

Study and Practice of Virtual Simulation Experiment Method Based on Massive Open Online Course

LILina，LIFengxiaa，LANShanb，YUYuea

(a. School of Computer Science; b. Administrative Office of Laboratory and Equipment, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Establishing virtual simulation experiment system is a main way to solve the situation of lack of experiment teaching of MOOCs. We developed three series of virtual simulation experiments to solve problems of invisible information evolution, untouchable computer microstructure and irreversible computer virus for computer general course. We established education system combining with theory teaching based on the MOOC and virtual simulation experiment. The study and practice prove that virtual simulation experiment is a guarantee of improving teaching effectiveness.

virtual simulation； experimental teaching； massive open online course (MOOC)； computer teaching

2016-08-10

李 林(1977-)，男，內蒙赤峰人，博士，講師，研究方向：虛擬現實與仿真計算、機器學習。

Tel.:13520569181; E-mail:lilin@bit.edu.cn

TP 391.9; G 642

A

1006-7167(2017)04-0111-03