構建計算機虛擬實驗教學質量保障體系

陳 潤, 孫界平, 琚生根, 師 維, 李 勤

(四川大學 計算機學院, 四川 成都 610065)

構建計算機虛擬實驗教學質量保障體系

陳 潤, 孫界平, 琚生根, 師 維, 李 勤

(四川大學 計算機學院, 四川 成都 610065)

為提高計算機專業虛擬仿真實驗教學的質量,根據計算機學科的特點,從虛擬實驗內容保障、虛擬實驗條件保障、虛擬實驗教學監控與督導、虛擬實驗教學考核、虛擬實驗教學隊伍保障等5方面構建了計算機虛擬實驗教學質量保障體系,并分別進行了較詳細的說明,給出了計算機虛擬實驗室拓撲架構圖。

虛擬實驗； 計算機實驗教學； 教學質量保障

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容,是學科專業與信息技術深度融合的產物，是對傳統實驗教學的有效補充。虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術,構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,達到教學大綱的要求[1]。虛擬實驗不受時間和空間的限制,資金投入少、損耗小、教學資源共享度高,而且更安全[2-4]。教育部根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》在“十二五”期間開展了首批國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，批準了清華大學數字化制造系統虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

計算機科學技術是實踐性很強的學科,實驗教學在計算機專業教育教學中占有重要地位。隨著虛擬仿真實驗在實驗教學中所占比例逐漸增加,其對整體教學質量的影響也越來越大。因此,進行計算機專業虛擬仿真實驗教學的教學質量保障研究很有必要,構建系統、科學的計算機專業虛擬仿真實驗教學質量保障體系,有助于提高計算機專業實驗教學的總體水平。

1 計算機虛擬實驗教學質量保障體系結構

20世紀90年代,西方高等教育借鑒工商企業質量管理的成功經驗,形成了系統的教育質量保障思想和模式。我國學者始終跟蹤國際教育質量保障研究進展。目前,大多數高校已建立了完善、規范的本科教學質量監控與評估體系。隨著實驗教學在本科教學中被重視程度的提高,不少高校將實驗教學和理論教學分離,建立獨立、系統、科學的實驗教學質量保障體系[5-7],從而提高了人才培養的質量,提高了學生的專業綜合能力。

計算機虛擬實驗教學質量保障體系的建設在主體和宏觀層面可以部分借鑒傳統實驗教學質量保障的經驗和成果,可以從虛擬實驗的內容保障、條件保障、教學監控與督導、教學考核、教學隊伍保障等5方面進行構建。在具體措施上,需要符合虛擬實驗的特點和計算機科學技術學科的特點。

2 虛擬實驗內容保障

目前,已經有很多成熟的計算機專業主干課程虛擬仿真實驗產品,涵蓋計算機網絡、數據結構、計算機組成原理、微機接口、Linux操作系統等多門課程。很多高校已經在使用這些虛擬仿真實驗產品,開出的課程和安排的課時也在增加。因此,應該在原有教學計劃、教學大綱、實驗項目、實驗教學指導書內容等方面針對虛擬實驗的特點制定細則,從內容上保障虛擬實驗教學的質量。

2.1 虛擬仿真實驗教學計劃

根據計算機專業培養目標,系統地設置虛擬仿真實驗課程,優化現有的實驗教學體系。以虛實結合、能實不虛為原則,合理安排虛擬仿真實驗在整個實驗教學體系中的比重。不盲目開設虛擬仿真實驗項目,要讓虛擬仿真實驗既能成為傳統實驗的有效補充,又不會因為虛擬化而弱化了學生對真實應用場景的感性認識。虛擬仿真實驗課程要列入課程目錄,明確開課學期、實驗學時及學分,未獨立設置的實驗課程要規定實驗學時數,便于科學、系統地修訂專業教學計劃。

2.2 虛擬仿真實驗教學大綱

專門制定虛擬仿真實驗課程的教學大綱,明確虛擬實驗課程在培養學生能力方面的具體任務；確定虛擬仿真實驗項目、課堂學時數和課后學時數,以及對每個虛擬仿真實驗項目的具體要求；確定虛擬仿真實驗教學的考核方式及評分標準。

虛擬仿真實驗教學大綱的編制,應根據不同課程虛擬實驗的特點,揚長避短。例如數據結構、Linux操作系統等軟件方向的課程,虛擬仿真實驗實際是對原有軟件環境的模擬、集成和擴展,該類課程的實驗可以直接采用虛擬仿真實驗,故教學大綱的具體內容變化不大；而計算機組成原理、微機接口等硬件方向的課程,則需明確虛擬仿真實驗和實際操作實驗的分工,處理好兩者實驗內容的銜接與配合。

2.3 虛擬實驗項目

要根據虛擬仿真實驗教學大綱，合理選取虛擬仿真實驗項目。目前,一般虛擬仿真實驗軟件中都配備有經典實驗,但由于各高校的專業培養目標不盡相同,軟件開發水平也有差距,不應全盤照搬軟件自帶的實驗項目,而應該有所選擇。選擇時,虛擬仿真實驗項目應服從計算機專業培養目標,以學生基本技能的訓練和創新實踐能力的培養為目的,項目內容和知識點應全面且具有典型性,能應反映新技術、新知識。

除了科學選擇虛擬仿真實驗軟件自帶的實驗項目,還應鼓勵教師開展教學研究,緊跟學科發展動態,優化和擴展原有實驗項目、設計和創建新的實驗項目。

2.4 虛擬仿真實驗指導書

目前,尚無國家統編的虛擬仿真實驗教程,大多高校以虛擬仿真實驗軟件供應商所提供的設備手冊作為實驗指導書。然而,設備手冊不能完全滿足實驗教學的需求,學校應根據所設專業的特點,組織編寫更實用的虛擬仿真實驗指導書。指導書中,對于軟件供應商提供的實驗項目,也要根據實際應用情況予以修改和優化,并加入改進、擴展和自主設計的實驗項目,在實驗原理、實驗步驟、實驗方法、主要設備的結構原理和使用方法上予以詳細闡述。虛擬仿真實驗指導書的編寫應列入學校的教材建設范疇,學校在資金上予以支持并統一管理。

3 虛擬實驗條件保障

虛擬實驗條件包括計算機專業虛擬仿真實驗室、計算機虛擬實驗資源和虛擬實驗室管理工作。

3.1 建設計算機專業虛擬仿真實驗室,為虛擬仿真實驗教學創造條件

利用虛擬化技術和云技術,從物理上分離客戶終端與用戶操作平臺,并將客戶終端都部署在云端,即傳統的服務器機房,從而使所有資源都透明地運行在物理平臺上。系統的升級維護都在服務器端進行,在云端即可對整個系統進行集中管理,從而實現資源的自動分配,增加硬件的利用率、提高系統的可用性。教師和學生可以使用任一終端通過網絡隨時隨地接入虛擬實驗室進行學習或實驗,還可以為每位學生創建專屬的虛擬實驗機,從而保證學生實驗過程的連續性,幫助學生進行主動探索式學習[8]。計算機虛擬實驗室的拓撲架構如圖1所示。

3.2 加強計算機類虛擬仿真實驗資源的建設

目前,可用的虛擬仿真實驗資源還不夠多,學校應利用已有的基礎和成果,建設計算機類虛擬仿真實驗教學資源庫,完善經典、優秀的虛擬仿真實驗項目,系統地詮釋實驗課程以及實驗單元、技能點的內涵,使之成為教學的得力工具,為訓練學生創新思維提供支持。

圖1 計算機虛擬實驗室拓撲架構圖

在虛擬仿真實驗資源的建設中應加強校企合作,積極利用企業的開發和服務能力,搭建虛擬仿真實驗教學管理平臺,從而高效管理實驗教學資源,實現院級、校級甚至地區級的實驗教學資源共享[9]。

3.3 虛擬實驗室管理工作

制定虛擬仿真實驗教學開放共享、實驗室建設和運行保障經費、虛擬仿真實驗教學中心機房開放、實驗技術人員崗位職責、實驗教學隊伍和實驗技術隊伍培訓等方面的管理制度,使虛擬仿真實驗室的管理工作更加規范、有序,保證虛擬仿真實驗教學的順利進行。

4 虛擬仿真實驗教學監控與督導

建立計算機虛擬仿真實驗教學教師考評制度、學生評教制度、實驗教學督導制度以及實驗課觀摩制度等一系列虛擬實驗教學督導制度,對虛擬仿真實驗教學過程進行全程督導監控。

4.1 合理選聘督導教師

大部分高校都會選聘即將退休或已經退休的老教師作為督導教師,因為老教師經驗豐富、工作時間有保證。但是計算機虛擬仿真實驗涉及很多新理念、新技術和新知識,在虛擬仿真實驗的教育教學觀念和督導方式上,有些老教師與青年教師可能會有所不同,所以督導隊伍應該是在職專職教師和退休教師相結合、青年教師和老教師相結合,使虛擬仿真實驗教學督導隊伍既經驗豐富,又富有改革精神[10]。

4.2 虛擬仿真實驗教學督導的內容

設計合理的虛擬仿真實驗教學質量評價表作為督導組教學檢查的依據,大多數虛擬仿真實驗課堂教學的檢查內容可以參照傳統實驗教學的檢查內容,包括實驗教學大綱、實驗教材、教師和學生的課堂情況、報告的撰寫和批改情況等。但是,因為虛擬仿真實驗還包括遠程操作和學生課外實驗,因此督導組還應關注實驗教師是否合理配置課內和課外實驗的學時和內容,是否能有效地監督、檢查學生的課外實驗完成情況。同時,還應關注虛擬仿真實驗室建設、實驗室管理、實驗室開放、實驗室安全和實驗室教學改革等方面的問題,推廣好的思路方法,為虛擬仿真實驗的大綱制訂、實驗教材編寫和虛擬實驗室的建設與發展提供依據。

4.3 虛擬實驗教學評價

根據院/系虛擬仿真實驗教學的情況和計算機專業特色,設置合理的評價指標體系。對虛擬仿真實驗教學的評價應包括督導組教學檢查評教、學生的評教和虛擬仿真實驗平臺的數據。前兩者可以大致沿用傳統實驗教學的評價指標和評價方法,但應增加虛擬仿真實驗所特有的指標；而虛擬仿真實驗平臺的數據則是利用數據挖掘和大數據技術取得,包括教師在平臺上的開課科目、授課班級數、授課時長、上傳原創教學課件數量、原創實驗數量、原創試題數量、手動批改在線實驗報告次數、離線和在線答疑數、在線總時長、授課班級期末的通過率、優秀率等方面的數據,以及學生的登錄次數與在線總時長、學習資源的瀏覽與下載次數、實驗的參與率、每次實驗的用時、成績和請求指導的次數、在線提問與回答的次數以及期末成績等數據。

從虛擬仿真實驗平臺的數據中可以挖掘出許多有用信息,用以評價和指導虛擬仿真實驗教學。

5 虛擬仿真實驗教學考核

加強實驗教學管理,必須嚴格實驗教學考核制度。傳統的實驗教學考核主要依據實驗操作水平、實驗報告、書面試題和實驗課出勤率。采用這種實驗教學考核辦法,實驗教師的工作量大,很難兼顧每個學生,也無法對學生的每個操作過程都做出精準評價；而實驗報告更是容易出現照抄書本或實驗指導書上的實驗原理、實驗目的、實驗操作步驟,實驗分析與實驗結果雷同的情況[11]。因此,計算機虛擬仿真實驗教學的考核應利用平臺的優勢,彌補傳統考核方法的不足。

5.1 利用虛擬仿真實驗平臺進行實驗報告的管理

虛擬仿真實驗平臺允許學生在線提交實驗報告,教師可以選擇批改方式——系統自動批改或手動批改,不但減輕了教師的工作量,也便于教師掌握每個學生對虛擬仿真實驗的操作情況與理解程度。此外,系統還提供教師與學生實時答疑、在線留言等功能,學生可通過系統主動請求教師幫助,與教師交流討論,使教師能更好地掌握學生的學習情況。

5.2 利用虛擬平臺的評估考核功能

虛擬實驗平臺提供了在線評估功能,學生提交實驗結果后系統可以自動評判,給出分數和評分點,便于學生對自己的學習效果進行評估。系統還有在線考核功能,能對學生在仿真實驗操作過程中的熟練程度和正確率進行辨別,根據實驗操作時長和出錯頻率等指標進行評分,實現對實驗過程的動態管理與過程評分,從而使學生的真實水平得到有效反映。

5.3 利用虛擬平臺的數據分析功能

虛擬實驗平臺可以對考試成績進行統計匯總,方便教師了解學生實驗的整體情況。進一步,教師可以利用數據挖掘技術,通過對平臺上的各種操作數據和學生提交的數據進行分析,獲得更多有效信息,從多方面了解學生的實驗操作能力和水平。

6 虛擬實驗教學隊伍的保障

高素質的實驗教學隊伍是開展虛擬仿真實驗教學的主力軍。學校應以現有計算機專業教師隊伍和實驗教學隊伍為基礎,根據虛擬仿真實驗課程的開設情況,促進教師的知識結構和授課方法的創新,對虛擬仿真實驗教學和科研予以扶持,組建年齡、職稱、知識和能力結構合理，教學科研水平高，創新能力強的虛擬仿真實驗教學團隊[1]。具體措施主要包括以下幾點。

(1) 鼓勵教師參與虛擬實驗教學。制定教師虛擬仿真實驗教學工作量計算方法,鼓勵教師參加虛擬仿真實驗教學工作；制定優惠和激勵政策,將教師從事虛擬仿真實驗教學、開發虛擬仿真實驗教學項目的工作量與課堂教學、科研工作量等同起來,從而調動高水平教師、實驗技術人員參與虛擬仿真實驗教學的積極性。

(2) 提升教師和管理人員水平。定期開展虛擬仿真實驗教學的專業技術培訓、學術交流活動,舉辦新技術專題講座,提高教師虛擬仿真實驗教學水平；促進實驗室工作人員的觀念更新,鼓勵在職人員繼續學歷學習；建立管理業務培訓制度,提高工作人員管理能力；創新考評及年終評優制度,鼓勵工作人員積極參與虛擬仿真實驗室建設和管理工作。

(3) 資金支持虛擬仿真實驗創新。設立虛擬仿真實驗教學創新專項基金,鼓勵和支持院/系教師和實驗室人員進行虛擬實驗項目創新和虛擬實驗教學方法創新，支持科研人員進行虛擬仿真實驗平臺的軟件開發,設計具有自主知識產權的虛擬仿真實驗產品。

7 結語

構建科學、有效的實驗教學質量保障體系,是提高實驗教學質量的重要措施。虛擬仿真實驗作為傳統實驗的有效補充,其教學質量保障體系與傳統實物實驗既有共性，也有特性。針對虛擬仿真實驗教學的特點而構建的計算機虛擬仿真實驗教學質量保障體系具有的實用性和可操作性,也可以為其他學科的虛擬仿真實驗教學質量保障提供參考。虛擬仿真實驗教學在不斷發展,應以科學的發展觀不斷地創新和完善其質量保障機制,使其發揮更大的效能。

References)

[1] 教育部辦公廳.關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2015-06-04)[2017-03-25].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設 提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[3] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[4] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020)[EB/OL].(2010-07-29)[2017-03-25].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[5] 王曉迪.關于開展實驗教學質量監控的探索與實踐[J].實驗室科學,2015,18(3):231-234.

[6] 陳國輝,劉有才,劉士軍,等.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):169-172.

[7] 朱湘萍,熊文元,包本剛.高校實驗教學質量保障及監控的探討[J].實驗技術與管理,2011,28(6):185-187.

[8] 師維,陳潤,琚生根,等.高校計算機專業虛擬實驗室建設研究[C]//2016年高等學校國家級實驗教學示范中心建設研討會論文集.2016:373-378.

[9] 周釧,陳鵬,吳才軒.淺析教學資源共享平臺建設[J].決策與信息,2011(6):160.

[10] 彭春麗.教學督導在實驗教學中的運用[J].實驗室研究與探索,2011,30(7):304-307.

[11] 歐瑜,朱琦.虛擬實驗室在生理學實驗教學及考核中的應用研究[J].科技教育,2016(4):94-96.

Construction on quality assurance system of computer virtual experimental teaching

Chen Run, Sun Jieping, Ju Shenggen, Shi Wei, Li Qin

(School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to improve the teaching quality of virtual simulation experimental teaching for Computer Science major, and according to the discipline characteristics of the computer science, a quality assurance system of computer virtual experimental teaching is constructed from the following five aspects: the virtual experimental content assurance, the virtual experimental condition assurance, the virtual experimental teaching monitoring and supervision, the virtual experimental teaching examination and the virtual experimental teaching team assurance. The details of these five aspects are illustrated, and a topological diagram of the computer virtual laboratory is presented.

virtual experiment; computer experimental teaching; teaching quality assurance

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.026

2017-03-21

陳潤(1980—),女,四川成都,博士,高級實驗師,主要研究方向為智能系統,信息安全E-mail：cr_run@scu.edu.cn

琚生根(1970—),男,四川成都，博士,教授,研究方向為智能信息處理,實驗室建設與實驗教學研究.E-mail：jsg@scu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2017)08-0107-04