大學(xué)計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用探析

王永真 張鈴麗

摘要：針對(duì)目前在機(jī)器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)方式等方面受限的問題，文章提出了一種大學(xué)計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施路徑。該設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)是符合學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動(dòng)和大學(xué)計(jì)算機(jī)課程特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)是以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。通過實(shí)踐操作，學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)中積累經(jīng)驗(yàn)，加深對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)理論的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)踐能力

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

文章編號(hào)：1009-3044（2023）36-0095-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

1 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)和學(xué)科專業(yè)高度交融的產(chǎn)物，借用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來模擬實(shí)物場(chǎng)景，用作計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①真實(shí)性：通過實(shí)例練習(xí)，將抽象的知識(shí)點(diǎn)和概念形象化、具體化，讓學(xué)生能夠切身體驗(yàn)真實(shí)場(chǎng)景，以便快速理解和掌握理論知識(shí)。②互動(dòng)性：相對(duì)于傳統(tǒng)的單向、垂直的教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了教與學(xué)的雙向互動(dòng)。學(xué)生和老師都可以隨時(shí)隨地表達(dá)自己的想法和建議。在教學(xué)過程中，師生之間以自主學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，并在教師的悉心引導(dǎo)下進(jìn)行。③成本低：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)能夠極大地降低物理實(shí)驗(yàn)室、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)耗材的投入，節(jié)約了人力、物力和財(cái)力成本。④可重復(fù)性：在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，若學(xué)生在代碼輸入或參數(shù)設(shè)置上出現(xiàn)錯(cuò)誤，不必?fù)?dān)心，可以隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，重新輸入代碼，以獲得所需的結(jié)論。

2 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施路徑

為了充分發(fā)揮大學(xué)計(jì)算機(jī)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，應(yīng)該建立創(chuàng)新教學(xué)管理機(jī)制，在教學(xué)內(nèi)容、方法、手段及范式等方面進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)搭建完整的公共基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。改革應(yīng)著重關(guān)注以下四個(gè)方面。

2.1 設(shè)計(jì)思路

1）基于大學(xué)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)，考慮到現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境和現(xiàn)行教學(xué)方法所面臨的挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確評(píng)估虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性以便科學(xué)地選擇適用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，避免脫離實(shí)際實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)。因此，可以采取“虛實(shí)互補(bǔ)”的方式，加以結(jié)合，以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)處，有效完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)和課堂教學(xué)。舉例來說，在需要進(jìn)行硬件拆裝維護(hù)等基本技能實(shí)操類實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地?zé)o法全員覆蓋，以及對(duì)于那些不能在高等教育機(jī)構(gòu)內(nèi)構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景或難以進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的信息設(shè)備和項(xiàng)目，應(yīng)采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法進(jìn)行有效教學(xué)，以實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)效果。

2）知識(shí)內(nèi)化。為了取得更深層次的課程理解，采用了一種針對(duì)特定學(xué)習(xí)任務(wù)的創(chuàng)新方法，即以“基于問題的引導(dǎo)、有針對(duì)性的知識(shí)注入、整化學(xué)習(xí)的增量設(shè)計(jì)、依需求選擇性排列組合課程內(nèi)容”為原則進(jìn)行，旨在幫助學(xué)生理解理論知識(shí)、熟悉各種信息化設(shè)備的基本原理、結(jié)構(gòu)與操作流程以及培養(yǎng)做出復(fù)雜應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的靈活運(yùn)用知識(shí)和技能的教學(xué)設(shè)計(jì)[2]。同時(shí)，學(xué)生也參與虛擬計(jì)算機(jī)博物館活動(dòng)，從而更加全面深入地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

3）以激發(fā)內(nèi)驅(qū)力為導(dǎo)向。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力，作為一種心理激勵(lì)和傾向，旨在喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并激發(fā)其潛能[3]。通過擴(kuò)大激勵(lì)措施，鼓勵(lì)學(xué)生克服困難，展現(xiàn)才能，融入并積極參與他們所認(rèn)為具備重要性和價(jià)值的使命，從而獲得最終的成功。學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力是促使其主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)的基本動(dòng)力。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力將帶來更加顯著的訓(xùn)練成效[4]。為此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提出了一系列創(chuàng)新的練習(xí)模式，如“逐級(jí)闖關(guān)”“多人比武”和“社區(qū)互助”，并且在實(shí)習(xí)過程中融入“競(jìng)爭(zhēng)”元素，指導(dǎo)學(xué)生完成課題，在紙面上談兵的傳統(tǒng)方式上增補(bǔ)了沙場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)的內(nèi)容。此外，這種具有創(chuàng)新及挑戰(zhàn)性的實(shí)習(xí)方法激發(fā)了學(xué)生參與本課程中的熱情，也增強(qiáng)了他們自身的解決問題的內(nèi)在動(dòng)力，為他們建立合理的全面把控技能。

4）培養(yǎng)“通用”計(jì)算思維能力。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的受眾群體包括多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)生。不同領(lǐng)域的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)在未來學(xué)習(xí)和工作中的重要性持有不同的觀點(diǎn)。鑒于學(xué)生的需求，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程把“計(jì)算思維”提出來作為解決問題的一種有效工具，此項(xiàng)研究致力于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，并尤其注重加強(qiáng)其相關(guān)思維技能的訓(xùn)練。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，采用了遞歸的方法來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握并應(yīng)用計(jì)算思維。從方法論的角度出發(fā)，最初階段需要設(shè)計(jì)一個(gè)具體而又簡(jiǎn)明扼要的應(yīng)用場(chǎng)景，以便學(xué)生能夠通過該場(chǎng)景實(shí)踐并掌握計(jì)算思維的關(guān)鍵要素，并深入理解計(jì)算思維的內(nèi)涵。一旦學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念形成深刻理解，便能夠展開對(duì)更為復(fù)雜場(chǎng)景的應(yīng)用構(gòu)建，來促使學(xué)生建立起有效的“計(jì)算思維”實(shí)力，從而能夠自行運(yùn)用這些思維來解決實(shí)際問題。

2.2 場(chǎng)景與模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過三維建模、云計(jì)算、自動(dòng)評(píng)測(cè)等技術(shù)構(gòu)建了四個(gè)實(shí)戰(zhàn)性的模塊：構(gòu)建計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、交換信息的字符編碼、執(zhí)行單個(gè)指令的流程以及網(wǎng)絡(luò)傳輸和郵件傳送等，皆包含在內(nèi)，這些實(shí)驗(yàn)課旨在利用虛擬仿真的優(yōu)勢(shì)，打造出更加實(shí)在的教學(xué)實(shí)踐。這個(gè)實(shí)驗(yàn)支撐體系項(xiàng)目在信息技術(shù)通識(shí)到信息系統(tǒng)軟硬件理論再到智能無人裝備應(yīng)用的過程中提供強(qiáng)有力的支持。它不僅適用于大學(xué)計(jì)算機(jī)課程，還能為計(jì)算機(jī)編譯原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等其他課程提供寶貴的實(shí)驗(yàn)支持。為便于老師挑選，組織實(shí)驗(yàn)操作步驟時(shí)照顧了相關(guān)性、階段性以及易于脫離原則，在實(shí)驗(yàn)過程中，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟都承載著相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，其在實(shí)驗(yàn)研究中擔(dān)任著至關(guān)重要的職責(zé)。

2.3 教學(xué)方法

本次虛擬實(shí)驗(yàn)采用“逐步增強(qiáng)、多關(guān)卡及差異化”的方式，重點(diǎn)在于讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)、自主操作及自動(dòng)評(píng)估的形式來增強(qiáng)操作能力及發(fā)展創(chuàng)新思維。

1）闖關(guān)式。借助突破創(chuàng)新的思維模式，采取了一種融合游戲化元素的闖關(guān)教學(xué)方式，通過將原本瑣碎的學(xué)科細(xì)分內(nèi)容融入一個(gè)具備縱向進(jìn)階特性的實(shí)驗(yàn)過程中，以迎合當(dāng)代年輕學(xué)子在信息技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中形成的思維模式。此外，通過將理論、實(shí)驗(yàn)和科學(xué)應(yīng)用等結(jié)合起來，這種新的教學(xué)模式不但能幫助激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能發(fā)揮他們的綜合實(shí)踐能力。階段性實(shí)驗(yàn)以分步驟的方式指導(dǎo)學(xué)生從初學(xué)基礎(chǔ)走向深入研究專業(yè)知識(shí)，而教學(xué)引導(dǎo)項(xiàng)目則通過逐級(jí)提高的方式培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，幫助提高學(xué)習(xí)效果和增加學(xué)習(xí)體驗(yàn)。以“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)及工作原理”為例，設(shè)計(jì)了三個(gè)難度層級(jí)，共設(shè)有十二個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)卡，包括“馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)軟件模擬”“基本指令模擬”和“完整指令集驗(yàn)證”。通過逐級(jí)闖關(guān)、不斷挑戰(zhàn)，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，并逐漸內(nèi)化為自己的能力。

2）多路徑。為了迎合學(xué)術(shù)領(lǐng)域的多樣性以及學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)特征的差異，教職人員有能力在線教學(xué)模式下，構(gòu)建多個(gè)教學(xué)班級(jí)，以滿足課程大綱的基本要求。在這些班級(jí)中，教師可以巧妙地設(shè)計(jì)和配置不同的實(shí)驗(yàn)入口，以滿足學(xué)生們個(gè)體化的學(xué)習(xí)需求。此外，還可以個(gè)性化地定制實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)要求，以適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力。

3）差異化。旨在強(qiáng)調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義，重點(diǎn)對(duì)學(xué)生個(gè)體差異性的重視，推崇個(gè)性發(fā)展和普及技能統(tǒng)一發(fā)展。同時(shí)提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在創(chuàng)新教育中擔(dān)負(fù)的重任，以助力個(gè)性發(fā)展。根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)施教，激勵(lì)具有特長(zhǎng)的學(xué)生脫穎而出，并培養(yǎng)出拔尖創(chuàng)新人才[5]。

2.4 應(yīng)用實(shí)踐

通過設(shè)備認(rèn)知、虛擬實(shí)操、原理進(jìn)階和問題求解這四個(gè)巧妙設(shè)計(jì)的層次，在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)旨在以高效的方式支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，并為用戶提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。首先，平臺(tái)通過設(shè)備認(rèn)知層次，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備進(jìn)行了解和認(rèn)知，使其能夠準(zhǔn)確地操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其次，通過虛擬實(shí)操層次，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，從而加強(qiáng)他們的實(shí)操能力和技能。在原理進(jìn)階階段，學(xué)生將加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的基本原理和相關(guān)理論的理解，從而提升他們對(duì)實(shí)驗(yàn)背后原理的認(rèn)識(shí)和靈活運(yùn)用的能力。而在問題求解階段，學(xué)生會(huì)被挑戰(zhàn)去解決一系列挑戰(zhàn)性的問題，運(yùn)用他們的分析和解答能力，以及創(chuàng)新的思維去解決這些問題，以培養(yǎng)他們的問題解決能力和創(chuàng)造力。在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的分層和遞進(jìn)性需求，采用分級(jí)設(shè)計(jì)和提供虛擬演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能，同時(shí)也可以培養(yǎng)出優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐技能。

1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和維保設(shè)備的認(rèn)知環(huán)節(jié)

通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以研究各類數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)維保設(shè)備與系統(tǒng)，有效掌握?qǐng)D示、架構(gòu)及零件參數(shù)等相關(guān)知識(shí)。在學(xué)術(shù)探究中，遵循全局認(rèn)知優(yōu)先、細(xì)節(jié)關(guān)注次之的認(rèn)知序列是被推崇的做法，因?yàn)樗兄趯W(xué)子更深入地理解和掌握知識(shí)要點(diǎn)。一種高效的方法是通過提供編程練習(xí)和試題，以實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的運(yùn)用能力。

2）虛擬設(shè)備實(shí)操驗(yàn)證環(huán)節(jié)

在虛擬數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景下，應(yīng)該設(shè)定任務(wù)目標(biāo)，并進(jìn)行闖關(guān)式快速硬件環(huán)境的組裝和搭建實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)將模擬通用計(jì)算機(jī)維保裝置、字符編碼等關(guān)鍵信息化裝備的使用。通過立體拆裝和多視角觀察，學(xué)生可以體驗(yàn)仿真實(shí)裝現(xiàn)場(chǎng)，并運(yùn)用代碼和提示進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。

3）微觀視角的原理學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

使用三維可視化軟件基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)可使用戶更直觀地洞悉信息系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)流及指令流的運(yùn)作過程，以及這一運(yùn)作的實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理；學(xué)生可以搭建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將宏觀知識(shí)與這種軟件模擬方法相結(jié)合，鍛煉計(jì)算思維，鞏固所學(xué)知識(shí)，達(dá)到將知識(shí)更加深入內(nèi)化。

4）實(shí)際想定任務(wù)的問題求解環(huán)節(jié)

通過運(yùn)用專業(yè)的編程技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行的目標(biāo)。同時(shí)，能夠根據(jù)傳感器獲取的實(shí)時(shí)信息以及實(shí)地任務(wù)執(zhí)行情況，做出相應(yīng)的反饋。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置了一系列可調(diào)整的參數(shù)，供學(xué)生使用。這些參數(shù)的調(diào)整是根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的組裝情況進(jìn)行的。反過來改進(jìn)參數(shù)、算法設(shè)計(jì)，終將實(shí)現(xiàn)原先的目標(biāo)。在這一階段，仍然可以積極參加比賽模式，以促進(jìn)它們的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。值得注意的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擁有自動(dòng)化評(píng)價(jià)能力，省去了復(fù)雜繁瑣的人工評(píng)估環(huán)節(jié)。同時(shí)，導(dǎo)師和助教可以通過平臺(tái)后臺(tái)的追蹤數(shù)據(jù)，有效提升實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)質(zhì)量。此門課程有助于有效地支持融合式教學(xué)模式，包括虛擬與實(shí)體相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式以及線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方法。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義與反思

3.1 實(shí)踐意義

目前，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)是在云服務(wù)支持下進(jìn)行的，目的是支持大規(guī)模的在線課程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，并與MOOC平臺(tái)進(jìn)行整合。為了滿足要求，學(xué)校正與眾誠(chéng)公司合作開發(fā)人機(jī)交互設(shè)備，包括電腦和手機(jī)，以確保虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瑫r(shí)在PC端和移動(dòng)端上進(jìn)行。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將抽象的問題具體化，讓學(xué)生通過實(shí)際體驗(yàn)來探索問題，并了解信息流的執(zhí)行過程、計(jì)算機(jī)病毒攻防過程、Excel數(shù)據(jù)分析流程、網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)等難以觸及和感知的問題。這樣的設(shè)計(jì)豐富了授課過程中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的體系。與其他的PPT和動(dòng)畫演示方法不一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)可以增加人與計(jì)算機(jī)之間的交互功能，以此來更深刻地掌握易碎且復(fù)雜的知識(shí)。目前，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了部分大學(xué)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的題目。相信在信息化背景下，“線上+線下”混合式教學(xué)中，這種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)模式將發(fā)揮重要的作用，并豐富教育教學(xué)的內(nèi)容。

3.2 教學(xué)反思

許昌學(xué)院是一所地方應(yīng)用型高校，其基于教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境和師資力量等多種因素而達(dá)到的教學(xué)質(zhì)量是可圈可點(diǎn)的。但鑒于學(xué)校普遍采用的大班教學(xué)方式反思中未充分關(guān)注學(xué)生個(gè)體情況，因而存在課堂分心問題，注意力無法全身心地投入，從而難以引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。教育過分關(guān)注直接的物質(zhì)收益，忽視了社會(huì)和學(xué)生更大的需求；學(xué)校過度側(cè)重于軟件應(yīng)用能力的增強(qiáng)，卻疏忽了思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生的思維模式陷入了固定的范式中，對(duì)于推動(dòng)全面深化的教育改革缺乏積極助推的作用。

4 結(jié)束語

在信息化的背景下，越來越多的課程開始引入虛擬仿真技術(shù)。該先進(jìn)的技術(shù)具備令人著迷的全身投入式體驗(yàn)效果，具有極大地增強(qiáng)課堂教學(xué)效能的潛力。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)可激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維并拓展他們的思維能力，作為塑造學(xué)生成長(zhǎng)的重要助推因素。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】