基于混合教學(xué)的計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳剛，向華，李支成

摘要：隨著混合教學(xué)的興起，計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)體系必將發(fā)生根本變革。該文提出了一種基于虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)課程混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)虛擬技術(shù)，構(gòu)建計(jì)算機(jī)課程理論的實(shí)驗(yàn);通過(guò)虛擬教師指導(dǎo)環(huán)境，將學(xué)生在真實(shí)操作平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)評(píng)判和訓(xùn)練引導(dǎo);通過(guò)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化的高階實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo);通過(guò)采用游戲等要素，構(gòu)建具有競(jìng)技功能的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)采用積極向上的素材，構(gòu)成了以訓(xùn)練為手段的完整課程線上實(shí)驗(yàn)體系。

關(guān)鍵詞：混合教學(xué);虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)體系;大學(xué)計(jì)算機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）34-0113-03

混合教學(xué)模式使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，改變了傳統(tǒng)課堂的教學(xué)流程，學(xué)生通過(guò)教師配置的Mooc和Spooc資源線上自主學(xué)習(xí)，教師在線下課堂專(zhuān)注于教學(xué)目標(biāo)[1]，實(shí)施個(gè)性化的教學(xué)。這種模式開(kāi)始應(yīng)用于計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)中，并取得很好的教學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，大班教學(xué)下，學(xué)生專(zhuān)業(yè)目標(biāo)、自身水平等因素使混合教學(xué)中線上自主實(shí)驗(yàn)個(gè)性化問(wèn)題非常突出，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)體系面臨重大變革。江漢大學(xué)《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程在混合教學(xué)中，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)“計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，將課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為課程配套綜合一體的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使教師通過(guò)設(shè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)、強(qiáng)化系統(tǒng)交互等方式，構(gòu)建一個(gè)學(xué)生網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)課堂環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主線上訓(xùn)練，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，達(dá)成區(qū)別教學(xué)的目標(biāo)。2020年《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》獲批首批國(guó)家級(jí)線上線下混合式一流本科課程。

1 混合教學(xué)課程實(shí)驗(yàn)體系的新需求

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系需要豐富和完善，體現(xiàn)高階性目標(biāo)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般是在線下課堂教師直接監(jiān)督下進(jìn)行的，教師學(xué)生方便交互，但是全體學(xué)生只能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)一完成基本內(nèi)容訓(xùn)練，內(nèi)容比較單一?；旌辖虒W(xué)中學(xué)生利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)，要求傳統(tǒng)孤立的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成內(nèi)在緊密聯(lián)系，能體現(xiàn)課程內(nèi)容之間承接關(guān)系，而且學(xué)生之間學(xué)習(xí)能力的差異化要求不同的學(xué)生有個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既要有基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更需要高階高挑戰(zhàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要針對(duì)不同的學(xué)生提供不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有必須完成的基礎(chǔ)內(nèi)容，也要有選做的高難度內(nèi)容。

1.2 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練時(shí)間必須靈活，由學(xué)生來(lái)主導(dǎo)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的學(xué)時(shí)，例如，計(jì)算機(jī)課程普遍按照48學(xué)時(shí)（32學(xué)時(shí)講授，16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），學(xué)生實(shí)際訓(xùn)練時(shí)間有限且固定?；旌辖虒W(xué)下，學(xué)生是學(xué)習(xí)主體，自主學(xué)習(xí)，大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都應(yīng)該安排在課下線上完成，教師上課的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)具有督學(xué)導(dǎo)學(xué)監(jiān)督功能，目標(biāo)是解決課下不能解決的問(wèn)題，這時(shí)要求混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)不能沿用原有體系，需要根據(jù)教學(xué)進(jìn)度表合理安排學(xué)生線上訓(xùn)練環(huán)節(jié)和課堂教師考察環(huán)節(jié)，因此實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排時(shí)間具有高度靈活性。

1.3 學(xué)生需要個(gè)性化的實(shí)時(shí)指導(dǎo)

計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是通過(guò)實(shí)踐和動(dòng)手能力提升學(xué)生的計(jì)算思維即邏輯思考能力，混合教學(xué)中學(xué)生在實(shí)際自主實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，需要教師及時(shí)引導(dǎo)和解決?；ヂ?lián)網(wǎng)教學(xué)中，學(xué)生面對(duì)問(wèn)題大多依靠互聯(lián)網(wǎng)的百度等資源，而且一旦獲取了相關(guān)資源，大多學(xué)生缺乏獨(dú)立思考能力，而是選擇直接抄襲完成，缺乏獨(dú)立思考步驟。因此需要構(gòu)建一個(gè)帶有指導(dǎo)功能的虛擬仿真平臺(tái)，教師將學(xué)生可能出現(xiàn)的問(wèn)題，用PBL、分組討論、動(dòng)畫(huà)驗(yàn)證、問(wèn)題解析等各種方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的引導(dǎo)。混合教學(xué)的虛仿平臺(tái)，不僅是要用計(jì)算機(jī)技術(shù)虛擬課程內(nèi)容，更強(qiáng)調(diào)的是虛擬教師教學(xué)指導(dǎo)過(guò)程，這樣可以把整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程串接成一個(gè)有機(jī)整體，解決實(shí)驗(yàn)孤島化問(wèn)題，真正體現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的價(jià)值。

1.4 實(shí)驗(yàn)趣味性、競(jìng)技性需要提高

90后的學(xué)生對(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普遍比較感興趣而且對(duì)其中的游戲環(huán)節(jié)普遍接受，可以在虛擬仿真平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做成一個(gè)帶有游戲競(jìng)技功能的平臺(tái)，通過(guò)加入網(wǎng)絡(luò)互相比賽突出優(yōu)秀學(xué)生、激勵(lì)差生，而且如果采用游戲團(tuán)隊(duì)模式與學(xué)習(xí)分組模式也是高度契合?；旌辖虒W(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該采用各種創(chuàng)新手段，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

2 混合教學(xué)中計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真平臺(tái)體系架構(gòu)

2.1 實(shí)驗(yàn)體系

“計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)” 系統(tǒng)主界面如圖1。

平臺(tái)運(yùn)行原理如圖2。

2.2 實(shí)驗(yàn)重構(gòu)

混合教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)需要從內(nèi)容學(xué)時(shí)、教學(xué)模式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等各方面進(jìn)行重構(gòu)[2]。江漢大學(xué)“計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合平臺(tái)”先期建設(shè)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)模式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)交互環(huán)境進(jìn)行了重構(gòu)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)重構(gòu)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容除基本教學(xué)資源外，還應(yīng)增加更廣泛、有難度、有深度、可互動(dòng)、形象逼真的拓展資源[3]。根據(jù)高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的兩性一度原則，結(jié)合OBE的教學(xué)理念，針對(duì)不同學(xué)生的個(gè)性化的需求，制定不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

基本思路是依據(jù)課程教學(xué)大綱要求設(shè)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目設(shè)定多個(gè)教學(xué)級(jí)別，每個(gè)級(jí)別給出充足的題量?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程原有的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是16學(xué)時(shí)，8個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要是操作環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，內(nèi)容以基礎(chǔ)部分為主。在新的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)下，原有的8個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)擴(kuò)充升級(jí)內(nèi)容質(zhì)量，采用虛擬仿真技術(shù)和三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)包括進(jìn)了原來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)理論部分，每個(gè)部分又根據(jù)內(nèi)容難度設(shè)定基礎(chǔ)、進(jìn)階和高階三層體系。

具體實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如表1。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是課程的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，全體學(xué)生必須達(dá)到的基本目標(biāo)，否則實(shí)驗(yàn)不合格;進(jìn)階是要求學(xué)生應(yīng)該達(dá)成目標(biāo)，對(duì)標(biāo)課程大綱的高要求;高階實(shí)驗(yàn)是供學(xué)有余力的同學(xué)選學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，具有一定的綜合挑戰(zhàn)度。學(xué)生可以根據(jù)自身的需求，選擇學(xué)習(xí)全部或者部分，實(shí)現(xiàn)兩性一度的目標(biāo)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重構(gòu)

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)8個(gè)，預(yù)設(shè)16實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，為基礎(chǔ)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);擴(kuò)展進(jìn)階實(shí)驗(yàn)>=16個(gè)，為設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn);高階高難度挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)>=16，為綜合和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);其中VR視頻實(shí)驗(yàn)>=5個(gè)，探索性實(shí)驗(yàn)>=3個(gè)。

理論部分實(shí)驗(yàn)，通過(guò)AI、VR、AR等技術(shù)手段支持構(gòu)建實(shí)驗(yàn)演示和考查步驟。操作部分的實(shí)驗(yàn)環(huán)境一般要求為計(jì)算機(jī)真實(shí)環(huán)境，通過(guò)系統(tǒng)整合學(xué)生操作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)分。探索性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為教師人工評(píng)分。每部分實(shí)驗(yàn)都配置部分教師實(shí)驗(yàn)突出問(wèn)題講解視頻，同時(shí)提供討論、分組、通知等功能實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生之間交互。

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中分8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)定義為三層，每層設(shè)定多個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K界面如圖3。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式重構(gòu)

徹底改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思路，計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)教學(xué)進(jìn)度表開(kāi)放，課程結(jié)束關(guān)閉，教師課前設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，課后系統(tǒng)自動(dòng)給出每個(gè)學(xué)生的成績(jī)和評(píng)分細(xì)節(jié)[4]。

學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定自主實(shí)驗(yàn)，自由決定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，教師不需要干預(yù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)流程，但是可以通過(guò)參數(shù)設(shè)定控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，對(duì)于創(chuàng)新探索實(shí)驗(yàn)，教師也需要手動(dòng)評(píng)定學(xué)生成績(jī)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有學(xué)生操作數(shù)據(jù)將被系統(tǒng)自動(dòng)記錄，并作為學(xué)生成績(jī)考評(píng)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)重構(gòu)

評(píng)價(jià)體系是保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的核心。評(píng)價(jià)規(guī)則預(yù)先設(shè)定，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)必須完成，否則記為不及格，擴(kuò)展、高階實(shí)驗(yàn)學(xué)生根據(jù)個(gè)人能力選擇，每個(gè)學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)完成情況獲取系統(tǒng)積分，根據(jù)積分轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟，系統(tǒng)都予以保存，并提供分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以獲知自己以及同學(xué)之間學(xué)習(xí)狀況，教師可以獲知本班及全體學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

每次學(xué)生闖關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提示，學(xué)生可以獲得評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。闖關(guān)數(shù)據(jù)如圖5。

2.2.5 良好的實(shí)驗(yàn)交互

實(shí)驗(yàn)交互是學(xué)生獲取幫助信息，實(shí)時(shí)解決問(wèn)題的重要保證。系統(tǒng)構(gòu)建的三級(jí)交互體系包括：

系統(tǒng)主動(dòng)提示：每個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)界面右下角自動(dòng)出現(xiàn)提示，提示學(xué)生實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。

系統(tǒng)被動(dòng)提示：學(xué)生不能完成實(shí)驗(yàn)可以去查看系統(tǒng)幫助，獲取進(jìn)一步提示信息。如圖6。

系統(tǒng)外交互：如果仍然不能完成，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)求助教師和其他同學(xué)。

3 混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特色

3.1 教學(xué)方法創(chuàng)新

將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與課程實(shí)驗(yàn)深度融合，以課程為單位，構(gòu)建全新適合混合教學(xué)的綜合實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生個(gè)性化訓(xùn)練和評(píng)價(jià)[5]。具體包括，將課程原有的單個(gè)實(shí)驗(yàn)體系，構(gòu)造為具有縱深的梯度綜合仿真訓(xùn)練平臺(tái)。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在原有基本難度實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和高難度高階實(shí)驗(yàn)選做內(nèi)容。將所有實(shí)驗(yàn)用游戲模式組合形成一個(gè)綜合闖關(guān)模式，提升學(xué)生訓(xùn)練的趣味性和競(jìng)爭(zhēng)性。

3.2 評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

改變?cè)械膯我粚?shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系。原來(lái)的8個(gè)實(shí)驗(yàn)變成了最基本的實(shí)驗(yàn)，保證課程期末考試最低標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成。加入各種高階評(píng)價(jià)元素，組成高階實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)評(píng)分，形成對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力的多元評(píng)價(jià)。學(xué)生最終成績(jī)從原有的合格不合格兩層變成多層次結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力的真正提升和真實(shí)評(píng)價(jià)。

3.3 對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

內(nèi)容擴(kuò)展。傳統(tǒng)教學(xué)由于學(xué)時(shí)關(guān)系，只能保證課程的最低要求。混合教學(xué)模式下，需要增加具有挑戰(zhàn)性的高難度內(nèi)容。學(xué)習(xí)時(shí)間擴(kuò)展，傳統(tǒng)教學(xué)局限在課堂，混合教學(xué)拓展了課下線上自主練習(xí)。個(gè)性化評(píng)價(jià)客觀真實(shí)。學(xué)生水平得到真正體現(xiàn)，尤其是對(duì)優(yōu)秀學(xué)生，可以增加課程含金量，使學(xué)生得到個(gè)性化的訓(xùn)練。

基于混合教學(xué)的虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)使用VR和三維動(dòng)畫(huà)等虛仿技術(shù)支持實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)理論部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使原有的實(shí)驗(yàn)碎片化問(wèn)題得到根本解決，使計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)體系真正成為一體，更重要的是通過(guò)仿真教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，使計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)質(zhì)量得到極大提升，在混合教學(xué)模式下，學(xué)生可以自主在線上利用碎片化時(shí)間自主練習(xí)，極大解決教師指導(dǎo)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，保證了計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，同時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從根本解決學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，提升課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

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