虛擬實驗在《大學計算機基礎》課中的應用

杜麗美，王文溥，李艷玲

（長治學院計算機系，長治 046011）

0 引言

隨著計算機技術的飛速發展，我國高校的教學模式已經不再局限于傳統的教學方式了，新的時代不斷推動我們改變以往的教學模式，為此大學教師們紛紛探索適合新時代大學生的教學模式[1-2]，這期間出現了很多自主學習的平臺，如中國大學MOOC、學堂在線、百度傳課、超星學習通，等等，另外為了在課堂上使學生充分理解相關的理論內容，出現了各種虛擬實驗平臺，目的是讓學生在真正的動手操作基礎上學會課本內容，虛擬實驗引入課堂能夠起到培養學生計算思維能力的作用，而且將理論內容與實踐內容相結合可將抽象的問題具體化、可視化，本文就以虛擬實驗在《大學計算機基礎》課上的應用為例來介紹該課程改革思路。

1 《大學計算機基礎》課程現狀

長期以來我校的《大學計算機基礎》課的授課重點為Office 三大組件的應用，隨著時代的發展，近年來多數初高中的信息技術課程中已經涵蓋了Office 三大組件的基本操作問題，圖1 所示的曲線圖為學生剛步入大學后對學生的有關計算機基礎知識的測試（包括Windows 基本操作、Word、Excel、PowerPoint），圖 1 表明多數學生或多或少已經有了基本的計算機基礎知識和基本操作素養，為了培養應用型需求的人才以及培養學生的計算思維能力，需要當代的大學生除了能夠熟練使用Office 辦公軟件之外，還需要了解計算機其他方面的知識。

圖1 不同專業計算機基礎知識測試成績

2 虛擬實驗簡介

如今的教學需要引入大量教學實驗，但是有些授課內容本身就比較抽象，對應的實驗更是無法用實物模擬，例如計算機內部CPU 與內存之間數據的交換、數制在計算機內部的轉換等問題，因此必須設計出相應的虛擬實驗來解決此問題，另外如果單是從硬件上引入實驗器材等設備，還會面臨資金不足、實驗場所不夠、設備維修老化等問題，正因為傳統的實驗方式有這些缺點，我們必須轉變實驗方法，虛擬實驗[3-4]是當前各大高校探討的熱點問題，在課程中引入虛擬實驗的好處如下：

（1）將一些抽象問題具體化，通過虛擬實驗最終使學生掌握理論知識。

（2）減少資源的浪費現象。

（3）避免因為人數過多而缺少實驗設備和實驗機房的問題。

（4）一切設備都是虛擬出來的，這會增加學生的好奇心，有利于培養學生的邏輯思維能力和計算思維能力。

（5）虛擬實驗可以跨時間和地區進行，學生的學習方式更加自由，有助于幫助學生合理利用時間。

（6）由于《大學計算機基礎》課面向全校學生授課，學生各方面的能力[5]參差不齊，通過虛擬實驗可以加深學生對理論內容的理解。

3 虛擬實驗在《大學計算機基礎》課中的應用

為了滿足應用型人才發展的需要，以及培養學生的計算思維能力[6]，我們在《大學計算機基礎》課中除了講Office 以外，還需要向學生介紹如下幾個方面的內容：計算機工作原理、計算機網絡的基礎知識、Internet應用、云計算、大數據、物聯網、信息安全、程序設計以及在條件允許的情況下引入圖像處理技術和動畫制作技術，等等，這些內容有很多都比較抽象，所以在授課過程中要輔以虛擬實驗，以加深學生對理論內容的理解。表1 所示為《大學計算機基礎》課程需要引入的實驗，根據實驗類型的不同可以分為：驗證型實驗、交互型實驗、演示型實驗、操作型實驗等類型，其中實驗1、2、3、4、8、9 需要采取虛擬實驗的方式來完成，實驗 10為編程實驗，實驗 5、6、7、11、12 為對具體應用軟件的使用，下面簡要介紹部分虛擬實驗能夠體現出的教學內容。

表1 相關實驗名稱

3.1 虛擬實驗在計算機工作原理中的應用

學生認識了計算機的硬件系統和軟件系統后，還需要對計算機的基本工作原

理有所認識和了解，計算機的工作過程其實就是運行程序指令的過程，在這個過程中CPU 要不斷地通過各種總線與內存進行信息的交換，為了讓大家清楚地認識這個過程，我們可以借助虛擬實驗[7]來進行，圖2所示的虛擬實驗完成了兩個數的加法運算，通過此實驗大家可以更加深刻地認識計算機內部是怎樣進行取指令、指令譯碼、取數據以及完成最終的運算的，而且也能夠深刻地認識CPU 的兩大部件的功能。此外還可以借助此虛擬實驗給大家解釋計算機內部的各種進制之間的轉換過程。

圖2 計算機工作原理

圖3 計算機內部的加減法運算

3.2 虛擬實驗在數制編碼及數制運算中的應用

對于進制之間的轉換以及運算問題，可以借助圖3的實驗進行，此虛擬實驗分別展示了十進制的正數和負數如何變成相應的二進制數，并且轉換為反碼、補碼進行加減法運算的。

圖4 設備之間的連接

3.3 虛擬實驗在計算機網絡中的應用

有關計算機網絡的基礎知識有很多，其中在網絡的拓撲結構方面、網絡傳輸介質方面、網絡中轉設備方面可以引入虛擬實驗，圖4 借助Cisco 組網軟件，可以給大家演示分別使用不同的連接設備組建的局域網的區別，圖4（1）采用集線器為連接設備連接四臺主機，連接線使用直通線；圖4（2）采用交換機作為連接設備，連接線為直通線；圖4（3）是兩臺主機直接相連，連接線為交叉線。分別為這三種網絡中的主機配置IP 地址，并且使用Ping 命令測試每種組網下的主機之間是否處于連通狀態，還可以使用Cisco 軟件中自帶的捕獲/轉發功能，觀察數據在線路上的傳輸過程。借助本實驗可以讓學生認識網絡拓撲結構，直通線和交叉線的區別，集線器和交換機的區別，IP 地址的使用，以及測試網絡是否連通的Ping 命令。

3.4 虛擬實驗在其他理論內容中的應用

介紹計算機系統組成這部分內容時，為了讓學生切身感受計算機的硬件設備，最好的方法還是采用虛擬實驗的方式，這樣極大地減少了時間和空間的浪費。介紹圖像在計算機內部的存儲時，一味地進行理論介紹會使得抽象的內容變得更復雜，輔以虛擬實驗，從最簡單的黑白圖像可以表示成一個0、1 矩陣開始，逐步讓學生輕松地領會各種圖像在計算機內部的存儲問題。在介紹郵件的收發這部分內容時，可以利用虛擬實驗，讓學生認識郵件服務器的概念，以及發送和接收郵件的協議等理論內容。

4 考核方式與教學效果分析

在考核方式上為了突顯學生在每個階段的學習情況，注重學習的過程而不是最終的考試成績，這里采用的考核方式為:階段測試+期末考試的形式，其中階段測試分為三次測試，分別測試每部分的教學效果以及學生的學習情況；期末考試采用無紙化機試的形式，題目類型有選擇題、Windows 基本操作題、打字題、Word、Excel、PowerPoint 六種題型，學生登錄系統后隨機抽取一套題進行測試，避免了抄襲現象的發生，同時也為教師減輕了批卷的負擔。

將本文中提出的課改思路和考核方式直接應用在法學專業的兩個班中（每班人數均為49 人），其中在法學一班的授課中引入虛擬實驗，在法學二班的授課中不引入虛擬實驗，通過一個學期的授課，在最終的期末考試結果中進行比較，通過表2 和圖5 發現引入虛擬實驗的班級的教學效果明顯優于沒有引入虛擬實驗的班級，說明本文提出的課改思路是有效的，并且可以在全校范圍內推廣實施。

表2 成績比較

圖5 法學一、二班成績比較

5 結語

本文提出的課改思路主要是借助虛擬實驗來幫助學生學習理論內容，從而達到理論與實踐的統一，這對培養學生的動手操作能力和計算思維能力是非常有幫助的，因此今后還要在虛擬實驗上多下功夫，爭取找到或設計出更多的虛擬實驗來輔助課堂教學。