高校計算機專業虛擬仿真實驗的研究與實踐

孫慧然 王紅梅

摘 ?要： 設計并實現了計算機專業程序設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“虛實結合”的實驗教學模式，意圖通過創造“虛擬仿真環境（程序設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實驗教學的不足，通過“傳統實驗教學+虛擬仿真實驗教學”，來達到提高實驗教學質量的目的。文章從虛擬仿真實驗平臺的構建和虛擬實驗教學模式的設計兩方面對計算機專業虛擬仿真實驗中心的建設進行闡述，并總結和反思了虛擬實驗教學的實踐意義和需要改進之處。

關鍵詞： 虛擬仿真; 計算機專業; 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，適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，深化信息技術與教育教學深度融合，經研究，決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作[1]。 近年來，隨著現代化的多媒體技術、軟件仿真和虛擬現實（又稱VR）技術的不斷發展和完善，越來越多的國內外從事教育工作的學者認識到以現代信息技術為依托，從而將傳統的實驗教學模式、實驗教學方法發生根本性的轉變，以適應現代信息化實驗教學的需要，因此虛擬仿真實驗教學得以產生、發展并廣泛地應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先于我國，國外高校相繼開發并使用了虛擬實驗教學系統。Clarkson University研發了虛擬電子教學實驗系統，該虛擬實驗教學系統供學生進行電路設計和習題練習，具有自動批改和指導等功能。德國魯爾大學開發了Virtual Controls Lab，其系統的設計以場景逼真和可操作性強為設計原則，包含了多個典型的工程控制類實驗。

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

1 程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺的設計與實現

1.1 程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺設計內容

程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺設計目的主要是針對軟件程序設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境相當的計算機語言編譯和運行環境，從而能夠檢驗學生在虛擬仿真環境中已經掌握的專業知識的程度。程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺的設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 程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺的整體架構與實現

程序設計語言類虛擬仿真實驗平臺的構建采用三層B/S結構。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容完整的展示在用戶面前。第二層也就是業務邏輯處理層，該層的主要功能是用服務器的調用第三層的數據庫中的數據生成用戶所需的虛擬實驗環境，同時將用戶的實驗程序和結果提交到后臺數據庫。第三層是數據處理層，存儲用戶所需的各種數據信息，為平臺提供需要的數據。構建該平臺的整體結構如圖1所示。平臺的實現結果如圖2和圖3所示。圖2所展示的是在Web環境下虛擬仿真實驗，圖3所展示的是根據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計

2.1 設計“線上線下混合式”的實驗教學模式

程序設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語言程序設計的實驗教學為例。C語言是計算機專業學生的入門語言，是學科“基礎的基礎”，C語言的作用和地位是位于所有計算機專業學科的根部。傳統的C語言的實驗教學模式是指在計算機上安裝vc++6.0的實驗環境，學生在機房按照實驗題目的要求進行程序設計，然后運行程序，得到結果。所謂“線上線下混合式”實驗教學模式是指在傳統實驗的基礎上增設一定量學時的利用虛擬仿真實驗平臺的程序設計類虛擬實驗，主要是利用虛擬仿真實驗平臺在web上模擬出真實的C語言程序設計的編譯和運行環境。而虛擬實驗的程序設計題目主要來自于ACM程序設計大賽的訓練題目。傳統的實驗教學模式主要是驗證類實驗和設計類實驗，而增設的虛擬實驗主要是以設計類實驗為主，并在一定程度上增加了實驗的難度和復雜度。增設虛擬實驗的目的主要是加強學生對C語言程序設計的綜合能力。“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知識，擴展學生的程序設計能力，使學生完成從“基礎設計”到“綜合設計”能力的轉變。

2.2 設計“虛實結合”的實驗教學模式

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

“虛實結合”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計。“虛實結合”實驗教學模式的HDL實驗課程的第二階段，主要是學生根據在虛擬仿真軟件ModelSim上進行程序設計的內容和結果來完成硬件的設計與實現。

3 虛擬仿真實驗教學的創新點

我校虛擬仿真實驗教學的創新點主要體現在以下兩個方面。

⑴ “線上線下混合式”和“虛實結合”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“虛實結合”的實驗教學模式的研究成果是經過從計算機專業課設置的特點到實驗課需要學生具備的實踐能力所提出的，經過深入調研、總結思考、全面規劃的研究成果具有創新性和可行性，填補了高校虛擬仿真實驗教學建設的實驗教學模式的空白。

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

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語言程序設計、數據結構程序設計等計算機專業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大豐富了實驗內容和實驗教學模式。“線上線下混合式”實驗教學模式是對平時基礎實驗的擴展和延伸。而設計“線上線下混合式”實驗教學模式和“虛實結合”的實驗教學模式，極大的改變和豐富了傳統的實驗教學模式。

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“軟硬結合”，發揮虛擬仿真實驗課程的最大作用

有關硬件實驗課程的虛擬仿真實驗平臺仍需建設，如何將程序設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

隨著“互聯網+教育”、慕課、微課和虛擬仿真實驗等概念的提出和實行，實驗教學已經從傳統的“老師講、學生做”的授課模式而逐步向信息化教學轉變。因此需要實驗教師不斷地更新自己的現代教育理念，運用現代化、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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