虛擬仿真“金課”建設(shè)研究——以《計(jì)算機(jī)組成原理》為例

戴麗麗　朱惠娟

摘要：虛擬仿真“金課”的建設(shè)能夠帶動(dòng)高校教師更多的主動(dòng)思考，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革融入高等教育改革發(fā)展的主流中，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深化。以《計(jì)算機(jī)組成原理》課程為例，分析現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)情況以及存在的問(wèn)題，提出了課程建設(shè)的主要思路，并構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;金課;計(jì)算機(jī)組成原理;虛擬現(xiàn)實(shí);課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）26-0089-02

1 引言

2018年，教育部部長(zhǎng)陳寶生在新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議上第一次提出要“提升大學(xué)教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)著力狠抓課程教學(xué)質(zhì)量，將‘水課轉(zhuǎn)變?yōu)椤鹫n”，并強(qiáng)調(diào)“本科教育是大學(xué)的根和本”[1]。2019年，教育部啟動(dòng)一流課程“雙萬(wàn)計(jì)劃”（即金課建設(shè)計(jì)劃），建設(shè)五大“金課”目標(biāo)，虛擬仿真“金課”被列為其中之一[2]。在未來(lái)的教育中，虛擬仿真實(shí)踐類課程有可能是一種新的教育生產(chǎn)力。應(yīng)用型本科院校，應(yīng)注重實(shí)踐能力培養(yǎng)，抓好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)，開辟教育領(lǐng)域新途徑。然而，就目前而言，虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展還比較緩慢，在應(yīng)用型本科院校，能夠?qū)⑻摂M實(shí)驗(yàn)真正運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高校更是少之又少，學(xué)生可以做的實(shí)只有極少數(shù)，實(shí)驗(yàn)的仿真度也不是很高。大部分實(shí)驗(yàn)都只是演示性實(shí)驗(yàn)，其交互性能還無(wú)法滿足學(xué)生的需求。

因此，本輪教改將以《計(jì)算機(jī)組成原理》虛擬仿真課程建設(shè)為切入點(diǎn)，以培養(yǎng)深刻理解《計(jì)算機(jī)組成原理》相關(guān)實(shí)驗(yàn)為核心，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、三維動(dòng)畫、數(shù)據(jù)庫(kù)以及人機(jī)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高度仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)所面臨的高損耗、高成本等問(wèn)題，可以逐步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2 課程建設(shè)思路

《計(jì)算機(jī)組成原理》是本科期間非常重要的專業(yè)核心硬件基礎(chǔ)課，是第一門涉及計(jì)算機(jī)硬件的課程，該課程具有內(nèi)容多、難度大、抽象等特點(diǎn)[3]。與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，則是鞏固理論知識(shí)，提高創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)[4]。但大多數(shù)高校實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，實(shí)驗(yàn)局限性大，所以《計(jì)算機(jī)組成原理》成為大部分學(xué)生的一大難點(diǎn)。本次教學(xué)改革根據(jù)人才培養(yǎng)質(zhì)量與社會(huì)需求存在的差距問(wèn)題，遵循“以學(xué)生發(fā)展為中心、能力培養(yǎng)為導(dǎo)向、多元協(xié)同為抓手、虛實(shí)互動(dòng)創(chuàng)‘金課”的基本建設(shè)思路，打造從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生理解專業(yè)知識(shí)、提出創(chuàng)新性想法提供良好的平臺(tái)，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[5]。

（1） 以學(xué)生發(fā)展為中心，突顯應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色。努力將應(yīng)用型人才的培養(yǎng)融入教育教學(xué)之中，提出全新的教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，特別是可實(shí)現(xiàn)以往教學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)成效，鼓勵(lì)實(shí)踐創(chuàng)新、尊重個(gè)性化發(fā)展，以虛擬仿真金課建設(shè)為突破口培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新人才，探索應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)模式[6]。

（2） 以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力。將計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程按照“基礎(chǔ)技能->設(shè)計(jì)技能->綜合能力”的遞進(jìn)式模型為主線，實(shí)驗(yàn)課程安排上可以先從五大功能部件的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)開始，讓學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)技能，再通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，最后將以設(shè)計(jì)CPU的綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的綜合分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（3） 以多元協(xié)同為抓手，實(shí)現(xiàn)共研共建。運(yùn)用多元協(xié)同的模式，設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源整合、教學(xué)競(jìng)賽結(jié)合、校企聯(lián)合的“三合”理念，將所需實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一為一個(gè)虛擬仿真平臺(tái);同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)競(jìng)賽方式完成虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)，以賽促學(xué)、以賽促教、教學(xué)相長(zhǎng);聯(lián)合高校與企業(yè)，建立由學(xué)生、教師與工程師組成的專業(yè)化隊(duì)伍，融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容以及工程所需的優(yōu)質(zhì)資源，使得資源真正共享成為可能，進(jìn)而推進(jìn)資源的開放及推廣應(yīng)用。

（4） 以虛實(shí)互動(dòng)為技術(shù)手段，促進(jìn)虛擬仿真“金課”建設(shè)。結(jié)合遞進(jìn)式能力培養(yǎng)方式，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各自優(yōu)勢(shì)，虛實(shí)互補(bǔ)、線上線下有機(jī)結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為虛擬仿真“金課”建設(shè)提供有效保障。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

“計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”分為網(wǎng)絡(luò)版和單機(jī)版兩個(gè)版本，如圖1所示。主要開發(fā)工具包括Unity3D、3D Studio Max、Photoshop等，選取MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。學(xué)生可以不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)反饋。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)考核三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行融會(huì)貫通。如圖2所示：

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊主要是為了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，包括基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)箱以及擴(kuò)展知識(shí)。通過(guò)準(zhǔn)備階段的學(xué)習(xí)，為具體的仿真實(shí)驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備。如圖3所示：

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊針對(duì)以往學(xué)生困惑比較大的幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)完善。首先，計(jì)算機(jī)組成原理是一門硬件課程，主要學(xué)習(xí)的是計(jì)算機(jī)五大功能部件，但在課堂教學(xué)中，由于時(shí)間和教學(xué)條件的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)讓每一位同學(xué)親手進(jìn)行拆裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，不能很好地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于硬件設(shè)備極易損耗，成本也比較高，導(dǎo)致部分高校實(shí)驗(yàn)課多以軟件仿真來(lái)完成，因此，就失去了硬件課程本身的意義，使學(xué)生學(xué)完該門課程之后，從來(lái)都沒(méi)有接觸過(guò)硬件設(shè)備，也從未親手連接過(guò)線路。針對(duì)以上問(wèn)題，“計(jì)算機(jī)組成原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”主要包含兩部分：裝機(jī)實(shí)驗(yàn)以及五大功能部件的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)（包括運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、微程序控制器實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)等）。如圖4-圖6所示：

實(shí)驗(yàn)考核模塊主要針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)完成相應(yīng)的題目得到最終成績(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成績(jī)清楚可見，讓教師可以通過(guò)測(cè)試了解每一個(gè)學(xué)生，如圖7所示。

4 教學(xué)效果

為了對(duì)比教學(xué)效果，將18級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生選取兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行效果對(duì)比，一個(gè)班級(jí)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，另一個(gè)班級(jí)到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間、答疑次數(shù)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)班級(jí)有明顯差異，具體數(shù)據(jù)如表1所示：

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在這三個(gè)指標(biāo)上都優(yōu)于實(shí)體實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，首先平均實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短，學(xué)生可以根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)之后再動(dòng)手操作，操作過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題系統(tǒng)會(huì)及時(shí)反饋，減少硬件平臺(tái)的損耗;并且，實(shí)驗(yàn)不受場(chǎng)地和環(huán)境限制，隨時(shí)隨地可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和測(cè)試;同時(shí)，可以將教師的角色有所轉(zhuǎn)變，從以往忙碌于眾多學(xué)生中去解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題，轉(zhuǎn)變?yōu)橄驅(qū)W生提出更深層的問(wèn)題。在課后對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行滿意度調(diào)查，滿意度達(dá)98%以上。現(xiàn)階段正在將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不斷推廣到其他課程，希望實(shí)現(xiàn)多門課程交叉融合的綜合實(shí)驗(yàn)體系。

5 總結(jié)

以構(gòu)建虛擬仿真“金課”為目標(biāo)，培養(yǎng)具有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力和技能的應(yīng)用型人才[7-8]。緊扣這一目標(biāo)，本輪對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)踐課程進(jìn)行教學(xué)改革，旨在能夠在當(dāng)前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)硬件人才培養(yǎng)弱化的環(huán)境下，從培養(yǎng)應(yīng)用型人才出發(fā)，采用先進(jìn)的3D技術(shù)仿真硬件實(shí)驗(yàn)課程與實(shí)現(xiàn)真實(shí)流程，模擬計(jì)算機(jī)硬件的工作流程，利用生動(dòng)的虛擬資源，先進(jìn)的教學(xué)方法，創(chuàng)建以學(xué)生為中心的自主探究學(xué)習(xí)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手熱情，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)將教師的工作重點(diǎn)從解決問(wèn)題轉(zhuǎn)換到互動(dòng)提問(wèn)挖掘更深層的問(wèn)題之上。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2021-11-01

基金項(xiàng)目：南京理工大學(xué)紫金學(xué)院教育教學(xué)改革課題（編號(hào)：20200103007）

作者介紹：戴麗麗（1986—） ，女，江蘇南京人，講師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、數(shù)字圖像處理;朱惠娟（1985—） ，女，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、三維仿真。