面向計(jì)算思維的啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

陳宇峰， 劉 琦， 李鳳霞

(1. 北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 北京 100081；2. 北京理工大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 北京 100081)

面向計(jì)算思維的啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

陳宇峰1， 劉 琦2， 李鳳霞1

(1. 北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 北京 100081；2. 北京理工大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處， 北京 100081)

探討了面向計(jì)算思維的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，利用虛擬實(shí)驗(yàn)，將抽象的理論具體化，將復(fù)雜的系統(tǒng)簡單化，以實(shí)踐應(yīng)用為向?qū)В瑔l(fā)學(xué)生在探索中總結(jié)規(guī)律或提出新方法，進(jìn)而真正讓學(xué)生習(xí)慣并會應(yīng)用這種思維方式來解決問題。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為例，介紹了北京理工大學(xué)開發(fā)的一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺軟件，該平臺已經(jīng)在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)應(yīng)用中取得了良好的效果。

計(jì)算機(jī)思維； 啟發(fā)式教學(xué)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

近年來，隨著計(jì)算思維[1]概念的提出與興起，眾多大學(xué)開始重新審視和研究計(jì)算機(jī)教學(xué)面臨的新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)。陳國良院士等人倡議開展以計(jì)算思維培養(yǎng)為重點(diǎn)的教學(xué)改革[2]；一些學(xué)者從課程內(nèi)容的設(shè)置、對教學(xué)現(xiàn)狀的分析、方案改革等角度進(jìn)行了總體改革設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)之中[3]；另有學(xué)者則探索改革現(xiàn)有教學(xué)形式、加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維[4]。

計(jì)算思維既不是一種教學(xué)形式，也不是一種知識內(nèi)容，而是一種能力素質(zhì)[5]，它必然要通過學(xué)生的主動學(xué)習(xí)而獲得。教師可以很容易地教會學(xué)生計(jì)算機(jī)的使用方法，但是卻難以直接傳授計(jì)算思維能力。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)教育更重要的是為學(xué)生提供一種環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生去思考而主動獲得計(jì)算思維的能力。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是這樣一種高效的實(shí)驗(yàn)形式[6]，它可以通過一種直觀的體驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生開展自主的思考，從而達(dá)到培養(yǎng)思維的目的[7]。目前相關(guān)的學(xué)者在虛擬實(shí)驗(yàn)方面開展了眾多的探索[8-9]，涉及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[10-11]、技術(shù)手段[12]和應(yīng)用[13-15]等多個(gè)方面。本文在基于自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺軟件的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為例，從培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的角度出發(fā)，探討啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的若干問題。

1 現(xiàn)狀分析

計(jì)算思維的核心是構(gòu)造。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常只是將構(gòu)造的結(jié)果告訴學(xué)生，而很少考慮到怎樣讓學(xué)生學(xué)會構(gòu)造。本文以網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教學(xué)為例，分析傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教學(xué)過程及其存在的典型問題。

1.1 內(nèi)容的模塊化分類

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教材是將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所涉及的知識點(diǎn)按照相關(guān)性拆分為一些基本模塊，包括通信基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全等，進(jìn)而又細(xì)分為傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、傳統(tǒng)服務(wù)等子模塊。這種教學(xué)方法的優(yōu)勢是能夠完整、全面、系統(tǒng)地將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識傳授給學(xué)生。

但是這種教學(xué)方式很難得到學(xué)生的認(rèn)同，也不符合人們對事物的認(rèn)知過程。對于學(xué)生來說，他們更希望能夠弄明白網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基本原理，并通過這種理解指導(dǎo)自己在網(wǎng)絡(luò)方面進(jìn)行探索，而不是面面俱到地羅列和記憶知識，面對實(shí)際問題卻無從入手。

從實(shí)際教學(xué)的效果來看，有些學(xué)生反映沒有學(xué)到非常有用的新知識，而另一些學(xué)生則表示對平時(shí)用不到的知識不感興趣，而自己感興趣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用問題往往不會解決，例如：為什么計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)速度慢，怎么樣才能保證重要文件的安全性等。

1.2 知識傳授的被動性

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程。從最開始的計(jì)算機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)通信到現(xiàn)在無所不在的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)理論也在不斷地發(fā)展和完善，其每一個(gè)知識點(diǎn)的完善都經(jīng)歷了大量的科研和工程技術(shù)人員的研究實(shí)踐。

將這樣一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)演化去掉歷史的思考，僅僅留下目前最新技術(shù)的“快照”，并將這些靜態(tài)的“快照”形式化后灌輸給學(xué)生，學(xué)生完全被動地接受，而沒有獨(dú)立的思考和理解。一方面，這些知識可能已經(jīng)或者很快將過時(shí)，使這一知識傳授過程失去意義；另一方面，它阻礙了對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索能力的培養(yǎng)，難以形成知識自動更新和擴(kuò)展能力。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)生所學(xué)到的知識往往在畢業(yè)時(shí)已經(jīng)過時(shí)了，難怪學(xué)生對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識的評價(jià)是“沒有用”。

1.3 應(yīng)用的表面化

從應(yīng)用的角度去學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，一直是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)所考慮的問題之一，從最早的基本使用能力，到后來Office辦公軟件的學(xué)習(xí)和使用，都反映了這一要求。但是僅僅將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)定位在這些應(yīng)用上，不能滿足計(jì)算機(jī)應(yīng)用趨勢的需求。因此，關(guān)于學(xué)以致用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討也在同步進(jìn)行，但是這種應(yīng)用還停留在解決常見問題的層次，例如如何配置計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如何配置本機(jī)的防火墻，然后給出一步一步的操作說明，最終達(dá)到成功應(yīng)用的目的。

但是這一探索還停留在將基礎(chǔ)知識進(jìn)行簡單應(yīng)用的層次，這些應(yīng)用本身被程序化為一系列基本的操作，而學(xué)生卻不是具有計(jì)算思維的程序的主人。雖然學(xué)生對這樣的應(yīng)用教學(xué)表現(xiàn)出了積極的態(tài)度，獲得了較好的教學(xué)效果，但是這樣的應(yīng)用教學(xué)對于計(jì)算機(jī)世界面臨的眾多問題以及學(xué)生將來面臨的專業(yè)化問題所能取得的效果是有限的。

2 啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

筆者針對目前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中存在的問題，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算思維的啟發(fā)式教學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了以下幾方面的探索。

2.1 內(nèi)容的連貫性

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的互聯(lián)互通，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容是告訴學(xué)生計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間是怎么通信的，而最典型的網(wǎng)絡(luò)通信方式是郵件。因此，筆者設(shè)計(jì)了基于電子郵件發(fā)送過程的網(wǎng)絡(luò)通信過程剖析虛擬實(shí)驗(yàn)(見圖1)。在這一剖析過程中，基本涉及了廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)環(huán)節(jié)的知識，通過原理的演示、交互操作以及結(jié)果展示，啟發(fā)學(xué)生的思考，實(shí)現(xiàn)了各知識點(diǎn)貫通的應(yīng)用和擴(kuò)展。

圖1 郵件發(fā)送與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶摂M實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M從電腦發(fā)送郵件到郵件服務(wù)器的過程，其中涉及兩部分。首先是在域名解析服務(wù)器獲取郵件服務(wù)器域名所對應(yīng)的IP地址，然后通過IP路由的方法將郵件發(fā)送到對應(yīng)的服務(wù)器。其中覆蓋的知識包括域名解析、IP地址及其子網(wǎng)掩碼、郵件服務(wù)系統(tǒng)、點(diǎn)到點(diǎn)的通信、網(wǎng)卡及其數(shù)據(jù)鏈路層、端到端的通信、路由器及其網(wǎng)絡(luò)層等多方面的知識。實(shí)驗(yàn)的目的不是強(qiáng)調(diào)某一個(gè)知識點(diǎn)的基礎(chǔ)知識，而是從系統(tǒng)的角度，讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)是怎么工作的，各部分起到什么作用。

這樣就能以典型的應(yīng)用背景將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中的主要知識串聯(lián)起來，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不僅能夠理解相應(yīng)知識點(diǎn)，而且能夠知道該知識點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的作用和意義，提高學(xué)生對該知識的應(yīng)用能力。

2.2 知識學(xué)習(xí)的啟發(fā)性

在對學(xué)習(xí)內(nèi)容有效整理的基礎(chǔ)上，如何引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維能力，是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的關(guān)鍵問題。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識不是一蹴而就獲得的，而是一個(gè)不斷演化發(fā)展的過程。從這個(gè)角度上來說，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識不一定要介紹最新的成果，而最關(guān)鍵的是演化過程，而且將這一過程通過引導(dǎo)學(xué)生的主動思考來復(fù)現(xiàn)，對于該問題的透徹理解和培養(yǎng)學(xué)生在該問題上的計(jì)算思維能力具有重要的作用。

為了啟發(fā)學(xué)生的思考，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)小型虛擬局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(見圖2)，模擬2臺電腦之間的通信過程，讓學(xué)生假想不認(rèn)識的人們在黑暗中使用同一個(gè)擴(kuò)音器進(jìn)行語音交流的困境，并通過以下一些問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：

圖2 局域網(wǎng)通信的虛擬實(shí)驗(yàn)

(1) 如何保證不同的通信相互不干擾；

(2) 如何知道發(fā)送方是誰，接收方是誰；

(3) 如何知道是發(fā)送本地計(jì)算機(jī)，還是遠(yuǎn)程計(jì)算。

學(xué)生在了解了基本的通信原理和特點(diǎn)后，組織學(xué)生進(jìn)行討論，通過引導(dǎo)的方式介紹以下相關(guān)的知識點(diǎn)并理解其基本原理：

(1) 載波監(jiān)聽沖突檢測以太網(wǎng)通信原理；

(2) 基于報(bào)文的信息封裝格式；

(3) IP地址及其子網(wǎng)掩碼。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過自己的理解和思考，歸納出部分局域網(wǎng)通信的特點(diǎn)，從而獲得對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)更加深刻的理解。

2.3 理解基礎(chǔ)上的應(yīng)用擴(kuò)展

通過虛擬實(shí)驗(yàn)中計(jì)算思維的培養(yǎng)，不僅加深了學(xué)生對知識的理解和記憶，更重要的是通過這種啟發(fā)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維能力，起到了“授人以漁”的效果，為學(xué)生提供在飛速發(fā)展的信息世界翱翔的翅膀。

筆者在虛擬實(shí)驗(yàn)課后的思考題中，組織學(xué)生進(jìn)行了較為深入的應(yīng)用擴(kuò)展探討，例如以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)速度問題為背景，用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式模擬網(wǎng)絡(luò)蠕蟲病毒攻擊的情況，理解網(wǎng)絡(luò)的共享資源，就可以進(jìn)一步理解蠕蟲病毒以及防范的要點(diǎn)，甚至可以追根究底獲得如下一系列問題的答案：如何查找?guī)Р《镜臋C(jī)器，如何提高網(wǎng)絡(luò)的效率和減少共享瓶頸的影響，以及如何提高網(wǎng)絡(luò)安全性。

3 實(shí)驗(yàn)效果分析

筆者在某學(xué)期的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中引入了虛擬實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)方式，并就實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果在2個(gè)專業(yè)的8個(gè)自然班200余名學(xué)生中進(jìn)行了問卷調(diào)查，回收有效調(diào)查問卷162份。

對調(diào)查結(jié)果的分析表明，學(xué)生并不喜歡純理論的知識教學(xué)，而更愿意以應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)的方式來學(xué)習(xí)(見圖3)，在完成虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的作用(見圖4)。

圖3 教學(xué)方式選擇

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)的作用調(diào)查

4 結(jié)束語

基于計(jì)算思維的啟發(fā)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法受到了大部分學(xué)生的肯定，通過這種虛擬實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)，解決了龐大的基礎(chǔ)知識體系的教學(xué)問題和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)的問題，更重要的是通過學(xué)生的計(jì)算思維的培養(yǎng)，使他們能夠自主思考，為將來學(xué)習(xí)和工作中解決更復(fù)雜的問題打好了基礎(chǔ)。

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Exploration on computational thinking oriented heuristic virtual experimental teaching

Chen Yufeng1, Liu Qi2, Li Fengxia1

(1. Virtual Reality and Simulation Teaching Center, School of Computer Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2.Laboratory & Equipment Management Department,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The proposed heuristic experimental teaching is different from that of the traditional methods, it can visualize the computer world, specify abstract theories, simplify complex systems and lead students to search the principles and methods in the experiments, and let them solve problems with computational thinking. At last, taking the computer network experiment as an example, the experimental teaching platform is introduced, which has been used in the university computer teaching practice effectively.

computational thinking; heuristic teaching; experimental teaching

2015- 02- 14

陳宇峰(1977—)，男，湖北十堰，博士后，講師，研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)與仿真.

E-mail：robin_yfchen@163.com

G642.4

A

1002-4956(2015)9- 0116- 04