基于虛擬仿真的大學(xué)計算機全英教學(xué)改革

劉欣欣，徐紅云

（華南理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

大學(xué)計算機全英課程是面向非計算機專業(yè)大學(xué)一年級全英班學(xué)生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課，該課程介紹計算機基礎(chǔ)理論知識，讓學(xué)生全面了解計算機系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。全英教學(xué)一方面以英語作為知識傳播媒介，另一方面倡導(dǎo)采用國際先進的教學(xué)理念和方法，培養(yǎng)國際化人才［1］。大學(xué)計算機是一門概論性課程，內(nèi)容覆蓋面廣，涵蓋計算機學(xué)科各個領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，給學(xué)生一個入門性引導(dǎo)，但課時有限，專業(yè)知識介紹難度不能太深［2］。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師講授為主，學(xué)生的收獲往往停留在知識表面，學(xué)習(xí)熱情不高。為了更好地激發(fā)學(xué)生潛力和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新能力，本文通過引入虛擬仿真環(huán)境，開展以學(xué)生為中心的教學(xué)，在實踐中加深對理論知識的理解，在探究中提高知識運用能力和計算思維能力［3-4］。

近年虛擬實驗成為大學(xué)計算機課程教學(xué)改革熱點，虛擬實驗?zāi)軐⒗碚撝R具體化、可視化，幫助學(xué)生理解并運用于實踐。各高校相繼構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，如程序設(shè)計語言類實驗平臺、計算機硬件實驗平臺以及計算機專業(yè)課程實驗平臺等［5-7］。大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程最有代表性的虛擬實驗平臺是北京理工大學(xué)的虛擬實驗工場［8-9］。但這些實驗資源主要針對中文教學(xué)，而且一些資源并非免費開放。本文針對大學(xué)計算機全英教學(xué)，引入免費開源的虛擬仿真軟件，與教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，提升教學(xué)效果。

本文設(shè)計基于虛擬仿真環(huán)境的大學(xué)計算機全英教學(xué)改革實施方案，介紹虛擬仿真使用環(huán)境，并對課程改革實踐結(jié)果進行分析。

1 課程改革實施方案

大學(xué)計算機全英課程系統(tǒng)介紹計算機科學(xué)基礎(chǔ)知識，包括：計算機系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)表示與運算、計算機硬件及體系結(jié)構(gòu)、計算機軟件及操作系統(tǒng)、算法、計算機網(wǎng)絡(luò)及安全等［10］。基于虛擬仿真環(huán)境的課程改革，針對課程主要內(nèi)容引入若干虛擬仿真軟件，學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過實踐理解并掌握知識內(nèi)容，在虛擬仿真環(huán)境中完成實驗項目，提高運用計算思維解決問題的能力。

課程總學(xué)時40 學(xué)時，其中課堂教學(xué)24 學(xué)時，實驗16學(xué)時。課程教學(xué)12 周完成，每周2 學(xué)時，結(jié)合虛擬仿真軟件開展講授、實踐和研討相結(jié)合的教學(xué)。16 學(xué)時實驗結(jié)合虛擬仿真軟件設(shè)計實驗內(nèi)容，學(xué)生可進一步完善和擴展課堂實例，也可以在虛擬環(huán)境中探索實現(xiàn)自己的想法，實驗項目有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和運用計算思維解決問題的能力。

課程考核關(guān)注學(xué)習(xí)全過程，采用多樣化考核形式，包括期末考試、課堂表現(xiàn)、作業(yè)和實驗4 個部分。期末考試考察學(xué)生對計算機基礎(chǔ)知識的掌握情況，占總成績的50%；課堂討論考察學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力和探究能力，占總成績的15%；作業(yè)考察學(xué)生對重點知識點的掌握程度，占總成績的10%；上機實驗考察學(xué)生的動手能力和解決問題能力，占總成績的25%。

2 虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

課程結(jié)合虛擬仿真環(huán)境對教學(xué)內(nèi)容進行重新組織，包括理論知識介紹、虛擬仿真操作和實驗3 部分，以教學(xué)周為單位，課程內(nèi)容組織及采用的虛擬仿真軟件如表1 所示。

第1 周概述主要介紹什么是計算機科學(xué)以及計算思維，探討非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)計算機的目的。為使學(xué)生理解計算機科學(xué)是如何解決問題的，引入掃地機器人模擬器Picobot［11-12］。Picobot 是美國哈維穆德學(xué)院（Harvey Mudd College）提供的一款免費教學(xué)用軟件，能模擬掃地機器人完成清理房間任務(wù)。在模擬器中，機器人工作由用戶編寫的規(guī)則控制，規(guī)則是一種簡化的程序設(shè)計語言。為完成清理房間任務(wù)，學(xué)生要先設(shè)計清掃方案，再將方案轉(zhuǎn)化為規(guī)則，最后執(zhí)行規(guī)則控制機器人行動。在此過程中，學(xué)生運用計算思維方法解決實際問題。在使用Picobot模擬器時，先從最簡單的任務(wù)入手，即完成一個空房間的清掃，當學(xué)生熟悉了規(guī)則定義后，再提高任務(wù)難度，探究不規(guī)則的房間、有障礙物房間以及迷宮的清掃。在此過程中，不斷激發(fā)學(xué)生潛力，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造力。課后，學(xué)生完成4 學(xué)時實驗，設(shè)計規(guī)則控制機器人清掃不規(guī)則房間。

表1 教學(xué)內(nèi)容組織

第2-3 周介紹數(shù)據(jù)的表示與運算，主要包括計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換、數(shù)值型及非數(shù)值型數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)的邏輯運算、算術(shù)運算及移位運算等。電路仿真模擬器Logisim［13-14］是一款用來設(shè)計和模擬數(shù)字邏輯電路的開源免費教學(xué)軟件，使用Logisim 從搭建一個簡單的與門、或門、非門電路，到通過組合基本邏輯運算構(gòu)造與非、或非、異或等電路，幫助學(xué)生理解邏輯運算含義，用邏輯電路搭建實現(xiàn)算術(shù)運算。通過使用該模擬器，學(xué)生能更好理解二進制如何將加減乘除運算轉(zhuǎn)換成加法運算，加法運算又是如何由邏輯運算實現(xiàn)。4 學(xué)時實驗構(gòu)造實現(xiàn)加法運算的邏輯電路，有興趣的學(xué)生可以繼續(xù)探究，用Logisim 搭建一個簡單的CPU算術(shù)邏輯單元。

第4 周介紹計算機硬件，引入思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院提供的虛擬臺式機模擬器（Virtual Activity Desktop）和虛擬筆記本電腦模擬器（Virtual Activity Laptop）［15］。學(xué)生在虛擬環(huán)境中全方位多角度地查看某個硬件設(shè)備，獨立完成一臺計算機或筆記本電腦組裝，加深對計算機硬件的理解。課后完成2 學(xué)時的實驗，組裝臺式機和筆記本電腦。

第5 周介紹馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。為幫助學(xué)生理解計算機工作過程，引入美國三一學(xué)院（trinity college）提供的教學(xué)用4-bit 計算機模擬器，展示機器指令的執(zhí)行過程［16］。為便于理解，模擬器對計算機進行了簡化，指令集只有9條基本指令，地址長度只有4bit，內(nèi)存只有16 個單元。該模擬器雖小，卻擁有計算機的基本組成部件，包括CPU、內(nèi)存、輸入、輸出等。通過模擬器向?qū)W生演示一個簡單的加法運算執(zhí)行過程，展示機器循環(huán)取指令、解析指令、執(zhí)行指令過程中內(nèi)存及寄存器變化，幫助學(xué)生理解馮·諾依曼計算機工作原理。課后2 學(xué)時實驗用4-bit 計算機模擬器編寫一個計算平方的程序并單步執(zhí)行。

第6-7 周介紹計算機軟件及操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)是一個相當龐大復(fù)雜的程序，即使為操作系統(tǒng)課程教學(xué)提供的模擬器如Ucore 也較復(fù)雜，而課程針對非計算機專業(yè)學(xué)生且學(xué)時有限，因此引入虛擬機VMware Workstation軟件，使計算機同時運行多個不同操作系統(tǒng)，幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)及虛擬機含義。

第8-9 周主要以排序和查找問題為例介紹算法。為更好地理解算法，引入Python 程序設(shè)計語言。Python 語言簡潔高效，易于上手。通過Python 程序?qū)嵗芨庇^闡述算法相關(guān)知識，如遞歸和迭代的區(qū)別和聯(lián)系、確定性和非確定算法區(qū)別等。通過Python 程序?qū)嵗宄庇^地介紹計算思維方法，如窮舉法、分而治之法、動態(tài)規(guī)劃方法等。

第10-12 周介紹計算機網(wǎng)絡(luò)及安全基本知識。引入思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器Packet Tracer，該模擬器可實現(xiàn)各種類型網(wǎng)絡(luò)搭建、配置，對學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)非常有幫助［17-18］。課后，學(xué)生完成4 學(xué)時實驗，包括搭建一個有線網(wǎng)絡(luò)和一個無線網(wǎng)絡(luò)（2 學(xué)時）、網(wǎng)絡(luò)安全配置（2 學(xué)時）。在網(wǎng)絡(luò)安全配置實驗中，完成無線網(wǎng)絡(luò)密碼設(shè)置、MAC 地址過濾及單端口轉(zhuǎn)發(fā)等。Packet Tracer 是一個強大的網(wǎng)絡(luò)模擬器，對網(wǎng)絡(luò)知識感興趣的學(xué)生可以繼續(xù)探究，模擬更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

在計算機基礎(chǔ)理論知識全英教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，使學(xué)生在動手操作過程中更好地理解知識內(nèi)容，通過設(shè)計基于虛擬仿真軟件實驗，進一步增強知識運用能力。學(xué)生在興趣的驅(qū)動下主動探索更多的知識內(nèi)容，并將產(chǎn)生的創(chuàng)新性想法在虛擬仿真環(huán)境中進行實驗和驗證。

3 教學(xué)組織方式

在課堂教學(xué)組織上，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，課前教師向?qū)W生發(fā)布本周要使用的虛擬仿真工具，學(xué)生提前查閱相關(guān)資料，了解軟件的基本使用方法。課堂上學(xué)生按6～8人進行分組，主要開展講授、演示、討論和實操4 個環(huán)節(jié)教學(xué)。課堂教學(xué)使用清華大學(xué)開發(fā)的雨課堂工具，開展課前預(yù)習(xí)、課堂簽到、隨機點名提問、實時答題等教學(xué)活動［19-20］。

課堂教學(xué)組織包括4 個環(huán)節(jié)：①基礎(chǔ)知識講授，教師講授本周知識內(nèi)容，借助雨課堂的實時答題功能在課堂上即時查看學(xué)生答題正確率，了解知識掌握情況；②演示，教師在虛擬仿真環(huán)境中對講授的主要知識進行演示，將理論與實際相結(jié)合；③結(jié)合知識內(nèi)容和虛擬環(huán)境，教師提出問題，學(xué)生分組討論，形成初步解決方案，學(xué)生在研討和設(shè)計過程中更好地理解知識內(nèi)容；④實操訓(xùn)練，在虛擬仿真環(huán)境中實現(xiàn)設(shè)計方案。教師挑選1～2 組進行展示。

課堂教學(xué)4 個環(huán)節(jié)往往交替進行，教師講解一部分知識內(nèi)容，演示一部分知識運用的效果，然后向?qū)W生提問，學(xué)生討論解決，并在虛擬環(huán)境中仿真實現(xiàn)。

4 實踐結(jié)果分析

本文從傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境教學(xué)的成績對比以及調(diào)查問卷兩方面分析教學(xué)改革實施效果。

全英大學(xué)計算機授課對象是非計算機專業(yè)全英創(chuàng)新班學(xué)生，包括電氣工程、土木工程、環(huán)境工程等專業(yè)。為了使成績更具可比性，選取同一專業(yè)學(xué)生對比傳統(tǒng)教學(xué)和采用虛擬仿真環(huán)境教學(xué)兩個學(xué)年的課程成績進行對比。兩個學(xué)年使用相同教材，考試范圍和難度相當，成績對比結(jié)果如圖1 所示，平均分對比結(jié)果如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)成績分布對比

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境教學(xué)平均分對比

兩個學(xué)年課程成績普遍較高，因為全英班學(xué)生是經(jīng)過選拔錄取的優(yōu)秀學(xué)生，學(xué)習(xí)能力較強，每年全英班有嚴格的淘汰制，因此學(xué)生普遍學(xué)習(xí)態(tài)度認真。由圖1 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)成績優(yōu)秀的比例明顯較高，比傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)秀比例高52.5%，不及格比例比傳統(tǒng)教學(xué)低7.5%。由圖2 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)平均分比傳統(tǒng)教學(xué)提升8.7 分，最低分也有所提高。

對學(xué)生進行教學(xué)改革問卷調(diào)查，從問卷結(jié)果可知，85.7% 的學(xué)生認為使用虛擬仿真軟件對課程內(nèi)容理解有較大幫助，只有67.2% 的學(xué)生能在課前完成軟件安裝并查閱一些資料，只有75% 的學(xué)生能獨立完成課程實驗內(nèi)容。部分同學(xué)雖然能理解教師課堂演示的案例，但要獨立完成實驗仍有困難，因為部分實驗是探究性的，沒有固定答案，也不局限于課本知識內(nèi)容，需要學(xué)生課后花費時間自行查閱資料。

由實踐結(jié)果可知，在大學(xué)計算機全英教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，對學(xué)生理解知識內(nèi)容有幫助，課程成績有所提高，但學(xué)生還需進一步轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)觀念，不局限于課本內(nèi)容，主動完成課前知識調(diào)研和課后擴展學(xué)習(xí)，以適應(yīng)以學(xué)生為中心的教學(xué)。

5 結(jié)語

基于虛擬仿真環(huán)境的大學(xué)計算機全英教學(xué)改革，一方面通過理論與實踐結(jié)合，幫助學(xué)生在全英教學(xué)中更好地理解計算機科學(xué)基礎(chǔ)知識，另一方面，通過在虛擬仿真環(huán)境中的探索實踐，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，為計算機公共基礎(chǔ)課程全英教學(xué)提供新的方法和思路。本文設(shè)計了課程改革實施方案和組織方式，教學(xué)改革實踐表明，基于虛擬仿真環(huán)境的全英大學(xué)計算機教學(xué)改革取得了較好效果。下一步研究工作是將這些虛擬仿真工具集成到一個平臺，以減輕學(xué)生配置環(huán)境的負擔(dān)，更專注于利用工具理解知識。