高校計算機專業(yè)虛擬仿真實驗的研究與實踐

孫慧然 王紅梅

摘 ?要： 設(shè)計并實現(xiàn)了計算機專業(yè)程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺，提出“線上線下混合式”實驗教學模式和“虛實結(jié)合”的實驗教學模式，意圖通過創(chuàng)造“虛擬仿真環(huán)境（程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺）+實驗教學模式”的虛擬仿真實驗教學解決方案來彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，通過“傳統(tǒng)實驗教學+虛擬仿真實驗教學”，來達到提高實驗教學質(zhì)量的目的。文章從虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建和虛擬實驗教學模式的設(shè)計兩方面對計算機專業(yè)虛擬仿真實驗中心的建設(shè)進行闡述，并總結(jié)和反思了虛擬實驗教學的實踐意義和需要改進之處。

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真; 計算機專業(yè); 實驗教學模式; 實驗平臺

中圖分類號：TP393.05-4;G642.4 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1006-8228（2020）01-87-04

Abstract： A virtual simulation experiment platform for programming language courses of computer specialty is designed and implemented， and the "online and offline blended" experiment teaching mode and the experiment teaching mode of "the combination of the virtual and real" are put forward to make up for the deficiency of traditional experiment teaching by creating a virtual simulation experiment teaching solution of "virtual simulation environment （the virtual simulation experiment platform for programming language courses） + experiment teaching mode"， so as to achieve the purpose of improving the quality of experiment teaching. This paper expounds the construction of virtual simulation experiment center of computer specialty from two aspects of the construction of virtual simulation experiment platform and the design of virtual experiment teaching mode， and summarizes and reflects on the practical significance of virtual experiment teaching and the requirement for improvement.

Key words： virtual simulation; computer specialty; experiment teaching mode; experiment platform

0 引言

2018年5月30日，教育部為了貫徹黨的十九大精神，適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，深化信息技術(shù)與教育教學深度融合，經(jīng)研究，決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作[1]。 近年來，隨著現(xiàn)代化的多媒體技術(shù)、軟件仿真和虛擬現(xiàn)實（又稱VR）技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，越來越多的國內(nèi)外從事教育工作的學者認識到以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，從而將傳統(tǒng)的實驗教學模式、實驗教學方法發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)現(xiàn)代信息化實驗教學的需要，因此虛擬仿真實驗教學得以產(chǎn)生、發(fā)展并廣泛地應(yīng)用于日常的實驗教學。其實，隨著“虛擬仿真實驗教學”這個概念的的提出，目前很多高校成立了虛擬仿真實驗室，并在實驗教學中取得了良好效果。國外在虛擬仿真實驗這方面明顯領(lǐng)先于我國，國外高校相繼開發(fā)并使用了虛擬實驗教學系統(tǒng)。Clarkson University研發(fā)了虛擬電子教學實驗系統(tǒng)，該虛擬實驗教學系統(tǒng)供學生進行電路設(shè)計和習題練習，具有自動批改和指導等功能。德國魯爾大學開發(fā)了Virtual Controls Lab，其系統(tǒng)的設(shè)計以場景逼真和可操作性強為設(shè)計原則，包含了多個典型的工程控制類實驗。

為了響應(yīng)教育部的號召和學校自身發(fā)展的需要，我校計算機科學與工程學院的教研團隊結(jié)合自身的辦學定位和虛擬仿真實驗的現(xiàn)實需求，設(shè)計了程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺。并在研發(fā)了虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計了虛擬實驗教學模式。

1 程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺設(shè)計內(nèi)容

程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺設(shè)計目的主要是針對軟件程序設(shè)計語言類的實驗教學。該平臺能夠虛擬出一套與真實語言環(huán)境相當?shù)挠嬎銠C語言編譯和運行環(huán)境，從而能夠檢驗學生在虛擬仿真環(huán)境中已經(jīng)掌握的專業(yè)知識的程度。程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計主要包括三個功能模塊：登錄模塊、教學模塊、學生在線自測模塊。

⑴ 登錄模塊：登錄模塊主要包括登錄和注冊兩個子功能。首先是后臺管理員以班級為單位進行注冊用戶名并設(shè)置登密碼，然后學生即可進行登錄。

⑵ 學生在線自測模塊：學生在線自測模塊主要包括實驗練習和實驗測試兩個子功能。實驗練習模塊中含有大量的程序設(shè)計的練習題，供學生平時練習。實驗測試模塊中含在一定量程序測試題目，主要用來檢驗學生掌握程序設(shè)計語言的效果和能力。

⑶ 教學模塊：教學模塊主要包括題庫資源上傳、實驗報告下載、實驗進度查詢、實驗成績名次查詢和實驗相似度查重功能。首先由教師將要用于實驗測試的題庫資源上傳到后臺，學生一旦提交將測試題目提交后，教師能夠在后臺查詢到每個學生的實驗進度、實驗準確率，并根據(jù)實驗準確率和實驗進度得到一個綜合的成績排名。教師將學生提交的代碼在后臺進行一個簡單的相似度查重，可以大致判斷學生實驗的重復(fù)率。當學生完成所有的實驗測試題目后，教師可以在后臺將學生提交的代碼進行下載，以此作為學生實驗成績的評定標準之一。

1.2 程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的整體架構(gòu)與實現(xiàn)

程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建采用三層B/S結(jié)構(gòu)。第一層為表示層是用戶與整個平臺的接口，本層的功能主要是通過瀏覽器將平臺的內(nèi)容完整的展示在用戶面前。第二層也就是業(yè)務(wù)邏輯處理層，該層的主要功能是用服務(wù)器的調(diào)用第三層的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成用戶所需的虛擬實驗環(huán)境，同時將用戶的實驗程序和結(jié)果提交到后臺數(shù)據(jù)庫。第三層是數(shù)據(jù)處理層，存儲用戶所需的各種數(shù)據(jù)信息，為平臺提供需要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建該平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺的實現(xiàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2所展示的是在Web環(huán)境下虛擬仿真實驗，圖3所展示的是根據(jù)學生做題的速度和準確率的綜合排名。

2 基于虛擬仿真實驗的實驗教學模式設(shè)計

2.1 設(shè)計“線上線下混合式”的實驗教學模式

程序設(shè)計語言類的實驗教學目前主要是以學生以班級為單位在機房上機實驗為主。這里以C語言程序設(shè)計的實驗教學為例。C語言是計算機專業(yè)學生的入門語言，是學科“基礎(chǔ)的基礎(chǔ)”，C語言的作用和地位是位于所有計算機專業(yè)學科的根部。傳統(tǒng)的C語言的實驗教學模式是指在計算機上安裝vc++6.0的實驗環(huán)境，學生在機房按照實驗題目的要求進行程序設(shè)計，然后運行程序，得到結(jié)果。所謂“線上線下混合式”實驗教學模式是指在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增設(shè)一定量學時的利用虛擬仿真實驗平臺的程序設(shè)計類虛擬實驗，主要是利用虛擬仿真實驗平臺在web上模擬出真實的C語言程序設(shè)計的編譯和運行環(huán)境。而虛擬實驗的程序設(shè)計題目主要來自于ACM程序設(shè)計大賽的訓練題目。傳統(tǒng)的實驗教學模式主要是驗證類實驗和設(shè)計類實驗，而增設(shè)的虛擬實驗主要是以設(shè)計類實驗為主，并在一定程度上增加了實驗的難度和復(fù)雜度。增設(shè)虛擬實驗的目的主要是加強學生對C語言程序設(shè)計的綜合能力。“線上線下混合式”實驗教學模式的提出，能夠鞏固學生的基礎(chǔ)知識，擴展學生的程序設(shè)計能力，使學生完成從“基礎(chǔ)設(shè)計”到“綜合設(shè)計”能力的轉(zhuǎn)變。

2.2 設(shè)計“虛實結(jié)合”的實驗教學模式

“虛實結(jié)合”的實驗教學模式是指將虛擬仿真軟件與硬件設(shè)計與實踐相結(jié)合的的實驗教學模式。該實驗教學模式主要應(yīng)用在計算機硬件語言程序設(shè)計與實踐相結(jié)合的計算機實驗課程，例如數(shù)字系統(tǒng)、HDL課程等。這里以HDL課程為例。

“虛實結(jié)合”實驗教學模式的HDL實驗課程的第一階段，是利用軟件ModelSim進行仿真。在這個實驗教學過程中，學生在虛擬仿真軟件ModelSim上利用HDL語言進行硬件程序設(shè)計。“虛實結(jié)合”實驗教學模式的HDL實驗課程的第二階段，主要是學生根據(jù)在虛擬仿真軟件ModelSim上進行程序設(shè)計的內(nèi)容和結(jié)果來完成硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。

3 虛擬仿真實驗教學的創(chuàng)新點

我校虛擬仿真實驗教學的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

⑴ “線上線下混合式”和“虛實結(jié)合”實驗教學模式填補了虛擬仿真實驗教學模式的空白。

“線上線下混合式”和“虛實結(jié)合”的實驗教學模式的研究成果是經(jīng)過從計算機專業(yè)課設(shè)置的特點到實驗課需要學生具備的實踐能力所提出的，經(jīng)過深入調(diào)研、總結(jié)思考、全面規(guī)劃的研究成果具有創(chuàng)新性和可行性，填補了高校虛擬仿真實驗教學建設(shè)的實驗教學模式的空白。

⑵ 程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與推廣，國內(nèi)領(lǐng)先學生登錄虛擬仿真實驗平臺后可以根據(jù)自己的需要進行實驗練習和測試，平臺的設(shè)計與推廣主要針對高校計算機專業(yè)的學生，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

4 虛擬仿真實驗教學的實踐意義與反思

4.1 虛擬仿真實驗教學的實踐意義

程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺自2018年9月投入使用，截止至今，該實驗教學平臺主要支持大學計算機專業(yè)語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計等計算機專業(yè)課程的虛擬仿真實驗教學。虛擬仿真實驗教學的實踐意義主要體現(xiàn)大豐富了實驗內(nèi)容和實驗教學模式。“線上線下混合式”實驗教學模式是對平時基礎(chǔ)實驗的擴展和延伸。而設(shè)計“線上線下混合式”實驗教學模式和“虛實結(jié)合”的實驗教學模式，極大的改變和豐富了傳統(tǒng)的實驗教學模式。

4.2 虛擬仿真實驗教學的反思

我校虛擬仿真實驗教學的實施與推廣，雖然得到了在校師生的熱烈反響和高度評價，但反思虛擬仿真實驗教學存在的不足，主要從以下兩個方面改進。

⑴ 虛擬仿真實驗平臺需要“軟硬結(jié)合”，發(fā)揮虛擬仿真實驗課程的最大作用

有關(guān)硬件實驗課程的虛擬仿真實驗平臺仍需建設(shè)，如何將程序設(shè)計語言類與硬件類虛擬仿真實驗平臺有效的融合，以最大限度的發(fā)揮虛擬仿真實驗課程的最大效用仍是我們所面臨和需要解決的問題。

⑵ 要不斷加強實驗教師隊伍的建設(shè)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、慕課、微課和虛擬仿真實驗等概念的提出和實行，實驗教學已經(jīng)從傳統(tǒng)的“老師講、學生做”的授課模式而逐步向信息化教學轉(zhuǎn)變。因此需要實驗教師不斷地更新自己的現(xiàn)代教育理念，運用現(xiàn)代化、信息化的手段或工具來豐富自己的實驗課堂，滿足信息化實驗教學的多種需求。

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