基于混合教學的計算機課程虛擬仿真綜合實驗平臺設計

陳剛，向華，李支成

摘要：隨著混合教學的興起，計算機課程的實驗體系必將發生根本變革。該文提出了一種基于虛擬仿真平臺構建的計算機課程混合教學實驗系統，通過虛擬技術，構建計算機課程理論的實驗;通過虛擬教師指導環境，將學生在真實操作平臺的數據融合實現計算機全自動評判和訓練引導;通過擴展實驗內容，實現學生個性化的高階實驗目標;通過采用游戲等要素，構建具有競技功能的實驗訓練平臺。整個系統采用積極向上的素材，構成了以訓練為手段的完整課程線上實驗體系。

關鍵詞：混合教學;虛擬仿真;實驗體系;大學計算機

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0113-03

混合教學模式使用互聯網技術，改變了傳統課堂的教學流程，學生通過教師配置的Mooc和Spooc資源線上自主學習，教師在線下課堂專注于教學目標[1]，實施個性化的教學。這種模式開始應用于計算機課程的教學中，并取得很好的教學效果。

計算機公共基礎課程是實踐性很強的課程，大班教學下，學生專業目標、自身水平等因素使混合教學中線上自主實驗個性化問題非常突出，傳統的計算機課程實驗體系面臨重大變革。江漢大學《大學計算機基礎》課程在混合教學中，通過設計開發“計算機課程虛擬仿真綜合實驗平臺”，將課程實驗設計為課程配套綜合一體的網上實驗系統，使教師通過設定實驗系統關鍵參數、強化系統交互等方式，構建一個學生網上實驗課堂環境，引導學生自主線上訓練，通過數據驅動，達成區別教學的目標。2020年《大學計算機基礎》獲批首批國家級線上線下混合式一流本科課程。

1 混合教學課程實驗體系的新需求

1.1 實驗內容體系需要豐富和完善，體現高階性目標

傳統實驗一般是在線下課堂教師直接監督下進行的，教師學生方便交互，但是全體學生只能在規定時間內統一完成基本內容訓練，內容比較單一。混合教學中學生利用碎片化時間學習，要求傳統孤立的各個實驗項目構成內在緊密聯系，能體現課程內容之間承接關系，而且學生之間學習能力的差異化要求不同的學生有個性化的實驗內容，既要有基本實驗內容，更需要高階高挑戰內容的實驗。混合教學實驗需要針對不同的學生提供不同的實驗內容，有必須完成的基礎內容，也要有選做的高難度內容。

1.2 實驗訓練時間必須靈活，由學生來主導

傳統實驗是教學計劃規定的學時，例如，計算機課程普遍按照48學時（32學時講授，16學時實驗），學生實際訓練時間有限且固定。混合教學下，學生是學習主體，自主學習，大部分實驗內容都應該安排在課下線上完成，教師上課的實驗環節具有督學導學監督功能，目標是解決課下不能解決的問題，這時要求混合教學實驗不能沿用原有體系，需要根據教學進度表合理安排學生線上訓練環節和課堂教師考察環節，因此實驗學時安排時間具有高度靈活性。

1.3 學生需要個性化的實時指導

計算機課程實驗目標是通過實踐和動手能力提升學生的計算思維即邏輯思考能力，混合教學中學生在實際自主實驗操作中出現的各種問題，需要教師及時引導和解決。互聯網教學中，學生面對問題大多依靠互聯網的百度等資源，而且一旦獲取了相關資源，大多學生缺乏獨立思考能力，而是選擇直接抄襲完成，缺乏獨立思考步驟。因此需要構建一個帶有指導功能的虛擬仿真平臺，教師將學生可能出現的問題，用PBL、分組討論、動畫驗證、問題解析等各種方式對學生進行個性化的引導。混合教學的虛仿平臺，不僅是要用計算機技術虛擬課程內容，更強調的是虛擬教師教學指導過程，這樣可以把整個實驗課程串接成一個有機整體，解決實驗孤島化問題，真正體現虛擬仿真系統的價值。

1.4 實驗趣味性、競技性需要提高

90后的學生對互聯網技術普遍比較感興趣而且對其中的游戲環節普遍接受，可以在虛擬仿真平臺將實驗內容做成一個帶有游戲競技功能的平臺，通過加入網絡互相比賽突出優秀學生、激勵差生，而且如果采用游戲團隊模式與學習分組模式也是高度契合。混合教學實驗平臺應該采用各種創新手段，達成實驗目標。

2 混合教學中計算機課程虛擬仿真平臺體系架構

2.1 實驗體系

“計算機課程虛擬仿真實驗綜合實訓平臺” 系統主界面如圖1。

平臺運行原理如圖2。

2.2 實驗重構

混合教學中的實驗需要從內容學時、教學模式、評價標準等各方面進行重構[2]。江漢大學“計算機課程虛擬仿真實驗綜合平臺”先期建設的“大學計算機基礎”課程實驗平臺，對實驗目標、實驗內容、教學模式、評價標準、實驗交互環境進行了重構。

2.2.1 實驗目標重構

實驗內容除基本教學資源外，還應增加更廣泛、有難度、有深度、可互動、形象逼真的拓展資源[3]。根據高階性、創新性、挑戰度的兩性一度原則，結合OBE的教學理念，針對不同學生的個性化的需求，制定不同的實驗目標。

基本思路是依據課程教學大綱要求設定實驗項目，每個項目設定多個教學級別，每個級別給出充足的題量。“大學計算機基礎”課程原有的實驗目標是16學時，8個實驗，主要是操作環節的訓練，內容以基礎部分為主。在新的實驗目標下，原有的8個實驗經過擴充升級內容質量，采用虛擬仿真技術和三維動畫技術包括進了原來難以實現的計算機理論部分，每個部分又根據內容難度設定基礎、進階和高階三層體系。

具體實驗目標如表1。

基礎實驗是課程的基本實驗目標，全體學生必須達到的基本目標，否則實驗不合格;進階是要求學生應該達成目標，對標課程大綱的高要求;高階實驗是供學有余力的同學選學的實驗目標，具有一定的綜合挑戰度。學生可以根據自身的需求，選擇學習全部或者部分，實現兩性一度的目標。

2.2.2 實驗內容重構

“大學計算機基礎”課程中基礎實驗8個，預設16實驗學時，為基礎驗證和設計性實驗;擴展進階實驗>=16個，為設計和綜合實驗;高階高難度挑戰實驗>=16，為綜合和創新實驗;其中VR視頻實驗>=5個，探索性實驗>=3個。

理論部分實驗，通過AI、VR、AR等技術手段支持構建實驗演示和考查步驟。操作部分的實驗環境一般要求為計算機真實環境，通過系統整合學生操作數據，實現計算機自動評分。探索性創新實驗為教師人工評分。每部分實驗都配置部分教師實驗突出問題講解視頻，同時提供討論、分組、通知等功能實現教師、學生之間交互。

“大學計算機基礎”課程中分8個實驗項目，每個項目教學目標定義為三層，每層設定多個實驗題目，目標和實驗對應關系如表2。

每個實驗模塊界面如圖3。

2.2.3 實驗教學模式重構

徹底改變傳統實驗思路，計算機課程實驗虛擬平臺系統根據教學進度表開放，課程結束關閉，教師課前設定實驗參數，課后系統自動給出每個學生的成績和評分細節[4]。

學生進入系統后，根據系統設定自主實驗，自由決定實驗內容、實驗時間和實驗進度，教師不需要干預學生實驗流程，但是可以通過參數設定控制實驗進度，對于創新探索實驗，教師也需要手動評定學生成績。

實驗過程中，所有學生操作數據將被系統自動記錄，并作為學生成績考評依據。實驗操作界面如圖4。

2.2.4 實驗評價標準重構

評價體系是保證實驗質量的核心。評價規則預先設定，基礎實驗必須完成，否則記為不及格，擴展、高階實驗學生根據個人能力選擇，每個學生根據系統完成情況獲取系統積分，根據積分轉變為實驗成績。學生實驗的每個步驟，系統都予以保存，并提供分析統計數據，學生可以獲知自己以及同學之間學習狀況，教師可以獲知本班及全體學生的學習狀況。

每次學生闖關數據實時提示，學生可以獲得評價數據。闖關數據如圖5。

2.2.5 良好的實驗交互

實驗交互是學生獲取幫助信息，實時解決問題的重要保證。系統構建的三級交互體系包括：

系統主動提示：每個實驗開始在實驗界面右下角自動出現提示，提示學生實驗注意事項。

系統被動提示：學生不能完成實驗可以去查看系統幫助，獲取進一步提示信息。如圖6。

系統外交互：如果仍然不能完成，可以通過互聯網求助教師和其他同學。

3 混合教學實驗平臺特色

3.1 教學方法創新

將互聯網技術與課程實驗深度融合，以課程為單位，構建全新適合混合教學的綜合實驗體系，實現對學生個性化訓練和評價[5]。具體包括，將課程原有的單個實驗體系，構造為具有縱深的梯度綜合仿真訓練平臺。擴展實驗內容，在原有基本難度實驗基礎上，增加擴展實驗和高難度高階實驗選做內容。將所有實驗用游戲模式組合形成一個綜合闖關模式，提升學生訓練的趣味性和競爭性。

3.2 評價體系創新

改變原有的單一實驗評價體系。原來的8個實驗變成了最基本的實驗，保證課程期末考試最低標準達成。加入各種高階評價元素，組成高階實驗評價體系，引入計算機系統實現全自動評分，形成對學生計算機能力的多元評價。學生最終成績從原有的合格不合格兩層變成多層次結構。實現了對學生計算機能力的真正提升和真實評價。

3.3 對傳統教學的延伸與拓展

內容擴展。傳統教學由于學時關系，只能保證課程的最低要求。混合教學模式下，需要增加具有挑戰性的高難度內容。學習時間擴展，傳統教學局限在課堂，混合教學拓展了課下線上自主練習。個性化評價客觀真實。學生水平得到真正體現，尤其是對優秀學生，可以增加課程含金量，使學生得到個性化的訓練。

基于混合教學的虛擬仿真系統，通過使用VR和三維動畫等虛仿技術支持實現了計算機理論部分的實驗內容，使原有的實驗碎片化問題得到根本解決，使計算機課程的實驗體系真正成為一體，更重要的是通過仿真教師指導學生進行實驗的環境，使計算機課程實驗質量得到極大提升，在混合教學模式下，學生可以自主在線上利用碎片化時間自主練習，極大解決教師指導的實時性問題，保證了計算機課程實驗質量，同時，可以通過擴展實驗內容，從根本解決學生個性化的學習需求，提升課程高階性、創新性和挑戰度。

參考文獻：

[1] Chen Gang，Xiang Hua，Li Zhicheng.Case study of hierarchical mixed teaching model based on data analysis[C]// 2018 International Conference on Education Reform and Management Science （ERMS2018），2018：82-86.

[2] Chen Gang. Research on Teaching Effectiveness Index System in Mixed Teaching Mode[C]//2018 3rd International Conference on Education， Management and Systems Engineering （EMSE2018）.2018：343-348.

[3] Chen Gang，Li Zhicheng，Xiang Hua.Research on the inspector system under the mixed teaching mode of online courses[C]// 2019 International Conference on Management Innovation， Education Reform and Applied Social Science （MIERASS2019），2019：223-227.

[4] Chen G，Li Zhicheng，Zhu Jiacheng.Research on hybrid online course supervision platform based on data analysis[C]//2020 International Conference on Advanced Education， Management and Social Science （AEMSS2020），2020：174-178.

[5] Xiang Hua，Chen Gang，Li ZhichengStudy on the interactive strategy of mixed teaching based on SPOC[C]// 2020 4th International Seminar on Education，Management and Social Sciences （ISEMSS 2020），2020：778-781.

【通聯編輯：謝媛媛】