翻轉課堂結合虛擬仿真推動大學計算機基礎教學改革

◆李艷玲 王文溥 杜麗美

翻轉課堂結合虛擬仿真推動大學計算機基礎教學改革

◆李艷玲 王文溥 杜麗美

（長治學院計算機系 山西 046011）

本文以仿真實驗為依托，提出了適合本校學生的翻轉課堂結合虛擬實驗的教學模式，推動虛擬仿真實驗教學實實在在地于我校落地，切實提升全校計算機公共基礎課的教學效果，培養學生智能時代的核心競爭力。虛擬實驗翻轉課堂徹底顛覆“老師講、學生聽”的教學模式，為人才培養改革提供了嶄新的思路。

虛擬實驗；翻轉課堂；計算機教學

隨著以互聯網、人工智能為代表的第四次工業革命的縱深發展，文化的傳播與體驗方式發生了前所未有的改變。在這樣的時代背景下，在培養創新創業型人才的迫切需求下，在國家花大力氣建設金課的挑戰下，高校的傳統教學模式受到了挑戰。如何激發學生的學習興趣，有效提高學生的學習效率，是擺在每位教師面前亟待解決的問題。我們應該采用什么模式，借助什么技術和環境達到建設金課的目的。我們如何在未來的教育中體現學生的自主學習，實現學習的個性化，是我們設計大學計算機基礎及應用課程遵循的理念。實際上早在先秦時期，我國的教育家孔子就已經踐行了“因材施教”的個性化教學理念。根據每個學生的資質和性格，對同一個問題作出不同的回答。朱熹評價孔子為“圣賢施教，各因其材。小以小成，大以大成，無棄人也。”而如今，在社會飛速發展的信息化時代，我們面對上百名學生的課堂如何凸顯個性化？難道依然是“老師在講，學生在聽”的一成不變的模式？教育模式必須要改，全新的教育模式不能只是干巴巴的理論，因此VR虛擬現實技術應順勢登上時代的舞臺。借助虛擬仿真實驗，提升教學效果，推動計算思維的培養，培養學生就業的核心競爭力[1]。本文以在線虛擬實驗平臺為基礎，綜合考慮“計算機基礎及應用”課程的特點，結合本校學生的實際水平，從教學活動的設計、虛擬實驗資源的使用及翻轉課堂的應用等方面入手，研究了計算機基礎課程教學模式的關鍵環節、可行性和有效性，為計算機基礎課程與“虛擬實驗+翻轉課堂”的融合進行了有益的探索和嘗試[2-4]。虛擬實驗使學生獲得親臨真實環境的感受和體驗，翻轉課堂提高學生的參與感，徹底改變“老師講、學生聽”的局面。

1 虛擬仿真實驗教學的教學設計

大學計算機基礎課程通常是大班授課，學生的知識結構參差不齊。授課過程中，學生沒有參與感，對冷冰冰的原理和概念也沒有太大的興趣。美國教育家蘇娜丹戴克曾說過：“告訴我，我會忘記，做給我看，我會記住，讓我參加，我就會完全理解。”讓學生從原理上升到感知，理解概念將會水到渠成，因為“紙上得來終覺淺，絕知學識要躬行”。學生學到的知識應該是動手做的，而不是老師教的。

傳統實驗步驟，只能通過老師的語言描述，其中涉及的理論、算法等內容非常抽象、不易理解。虛擬仿真實驗將枯燥的實驗數據可視化，用直觀的動畫演示幫助學生理解復雜的概念及原理，提升學生的學習參與感。當然教師要充分考慮哪些知識點適合虛擬，學生對模型、數據沒有感知，所以我們盡可能地將數據可視化。

比如在講計算機指令系統時，學生對枯燥的概念不感興趣，借助虛擬實驗跟蹤指令執行的全過程，不僅使學生對指令的概念一目了然，而且可以直觀地觀察指令執行過程中，CPU、存儲器內容的變化以及三大總線的信號流[5-6]。虛擬實驗通過一條加法指令的執行，展示存儲器、控制器和運算器等主要部件的工作原理，詳細理解取指令→分析指令→執行指令的自動化過程。

程序中第一條指令的地址被放置在程序計數器PC中，如圖1所示。這個寄存器具有自動加1的功能，用來生成下一條指令的地址，從而實現了程序的自動執行。人為指定兩個加數后，操作數被送入內存RAM中。

圖1 指令的執行過程

step1：取指令。根據PC到內存中取指令，并放到指令寄存器IR中，等待譯碼器分析指令。一條指令被取出后，程序計數器加1，指向下一條要執行的指令地址。

step2：指令譯碼。將指令寄存器中的操作碼放到控制單元CU中，由譯碼器對操作碼進行譯碼，然后送往控制器進行分析，產后執行指令的操作命令。CU對指令的執行過程進行控制。

圖2 指令譯碼完成狀態

step3：取數據。根據指令寄存器IR中兩個加數的地址分別到RAM中取數據，放入通用寄存器GR中。

Step4：執行加法計算。算術邏輯部件ALU對兩個加數進行加法計算，并將計算結果放到通用寄存器中。如圖3所示。

圖3 加法指令執行結束

虛擬實驗不受時間和空間的限制，類似真實環境，對不可演示的數據進行可視化，使學生在輕松的動手實驗中理解復雜的概念，引導學生主動思考從而獲得計算思維能力[7-10]。

2 翻轉課堂的教學設計

在高等教育信息化逐步深入的背景下，在線教學與課堂教學互補的混合式教學模式已經成為大家共同關注的問題。其中，翻轉課堂實現了以學生為中心的教與學，打破了傳統的授課方式，使所有的學生積極參與學習，能達到更好的教學效果。

我們采用基于問題導向的課程模式：“提出問題需求→展示案例→分析案例→知識點學習→案例實現→課后總結”。將知識與應用結合起來，不僅培養了學生主動探求的學習習慣，而且鍛煉學生的實踐技能。

例如講授計算機加法指令時，通過學生親自參與演出情景劇的形式，加深學生對“兩個數相加”實驗內容的理解。A同學扮演控制器，B同學扮演算術部件，C同學則扮演寄存器，D和E同學是兩個加數……通過表演，使學生了解指令執行的三個重要階段，執行過程中的數據轉換和內存信息的變化，同時體會計算機的計算思維。

在翻轉課堂模式下，可以通過設置問題，讓其他學生回答參與思考。

問題1 計算機只是電子設備，本身并不具備主動思維的能力，更沒有先天的“智能”，它如何自動完成復雜的信息處理功能？

問題2 PC的功能是什么？它的第一個數據是從哪里得到的？

問題3 如果加法只給出了一個操作數，加法指令是否可以執行？

通過翻轉課堂方式，學生不僅參與了整個教學設計，而且自己動手獲得了對問題的理解。陶行知先生提出：“行是知之始，知是行之成。”教師改變傳統的角色，從主導者轉變為輔助者，讓學生在體驗中獲得最大的收獲！

學生對新的課程模式的滿意度較高，并在學期結束后給予了極高的評價。外語系16級學生評價：“事實證明，翻轉課堂授課方式值得被研究推廣，十分適合我院的學生……”化學17級學生評價：“一個學期的學習，以及后來的展示，同學之間的相互交流、互相促進，優點的學習，缺點的互補，老師的糾正，讓我學到了很多……” 體育系17級學生評價：“我在學習的過程中，更多的感受到的是學習這個東西帶給我的感覺，并沒有那么煩躁，相反感覺很神奇，對計算機的興趣也提高了我的學習效率……”學前教育18級學生評價：“這學期老師的授課內容以及授課方式對我們來說幫助很大，不僅豐富了我們的生活，而且還增進了師生感情，對我們產生了很大的影響。”學生的高度評價證明我們的教學改革是適合本校的，是能夠在本校落地生根的。在此過程中，全校學生的計算機應用能力也得到了較大的提升。

3 結語

授人以魚，不如授人以漁，學生在虛擬實驗的過程中，獲得深度學習體驗和親臨現場的感受，配合翻轉課堂使知識點與實際相結合，培養學生的應用創新能力。老師在之后的課堂上對相關知識總結，達到事半功倍，虛實結合的效果。總之，虛擬+翻轉的教學模式，改變了傳統的授課方式，得到了學生的一致認可，為計算機基礎課程的學習提供了新的思路，是一種新型的“教、學、做”模式。

[1]教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會.大學計算機基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社， 2016.

[2]李艷玲.新工科背景下的混合教學模式探究—以大學“計算機基礎及應用”教學改革為例[J].長治學院學報，2018， 35（2）：82-84.

[3]張巖. “互聯網+教育”理念及模式探析[J].中國高教研究，2016（2）：70-73.

[4]郭福亮，周鋼，李永杰.大學計算機基礎課程的實驗體系研究[J].計算機教育，2018（2）：78-81.

[5]李鳳霞等.大學計算機[M].北京：高等教育出版社，2017.

[6]李鳳霞等.大學計算機實驗[M].北京：高等教育出版社，2017.

[7]李林，李鳳霞，蘭山，余月.基于MOOC的虛擬仿真實驗探究[J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：111-113.

[8] 李林，陳宇峰，李鳳霞，劉琦.虛擬實驗在大學計算機課程教學改革中的研究[J].中國教育信息化，2017（8）：61-63.

[9]孫遒，吳長青，鄭天翔. “互聯網+”高校計算機基礎教學新模式[J].計算機時代，2017（1）：66-68.

[10]喬莉，魏海波.基于翻轉課堂和虛擬仿真的單片機教學改革[J].實驗技術與管理，2018（3）：112-114.

[11]謝紹平，劉強，諶貽波.虛擬實驗：MOOC環境下實驗教學的重要發展方向[J].中國教育信息化，2018，23（4）： 74-79.

全國高等院校計算機基礎教育研究會基金資助項目（2018-AFCEC-042）;山西省基礎研究計劃資助項目（201601D011007）;長治學院優秀課程資助項目（zz2017018）。