“大學計算機基礎”仿真教學模式探索與實踐

張瑾 孫晉非 顧軍

摘要：“大學計算機基礎”是高校非計算機專業的通識必修課程，是培養復合型創新人才的重要環節。本文分析了當前計算機基礎教學的現狀與不足，提出基于仿真技術的教學模式改革，強調知識內容的可視化和可交互，有助于學生理解計算機軟硬件系統，更好地培養學生的計算思維能力和計算機應用能力。

關鍵詞：仿真教學；大學計算機基礎；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0161-02

“大學計算機基礎”是面向高校非計算機專業的通識必修課程，給學生開展關于計算機知識、能力與素質方面的教育，使學生對基于計算機的信息學科有一個整體的認識，能夠掌握計算機軟硬件的一些基礎知識，熟悉典型的計算機操作環境、工作平臺和軟件工具，為將來利用計算思維[1]和計算機技術解決本專業的實際問題打下堅實基礎。

一、現有教學模式分析

“大學計算機基礎”課程涉及到計算機組織結構、計算機網絡與通信、數據庫、程序設計、軟件開發、多媒體、信息安全等方面的基礎概念與原理知識，不但內容繁雜，而且抽象難懂，想要在課堂上用有限的學時把相關問題都講解清楚并不是件容易的事。究其原因，主要是“教師講—學生聽”的傳統模式并不適合“大學計算機基礎”課程的內容特點，很容易造成教師講解方式和學生接受能力之間的偏差。比如，當前以幻燈片為主的多媒體教學方法，雖然可以提供大量的文本、圖片和視頻等學習資料，增強了教學內容的生動性，但是對很多抽象復雜的計算機基礎理論知識缺乏直觀的解釋和描述，無法幫助學生增強感性認識，激發起他們的學習興趣。此外，由于受限于學時、師資、場地、設備等眾多因素，很難滿足學生在真實環境中動手實踐的學習需求，不利于學生理解抽象難懂的理論知識。這種情況在各大高校的計算機基礎教學中是普遍存在的。為此，有必要從計算機基礎知識的“可學性”和“可授性”這兩個方面思考現有教學模式的不足，提出有針對性的教學模式改革方案，并開展教學實踐。

二、仿真教學模式的引入

仿真（Simulation）技術就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術，可用于構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象[2]，讓學生在虛擬仿真環境中直觀感性學習和掌握計算機軟硬件系統的理論和實踐知識，以便達到教學大綱所要求的教學效果。為此，在已有教學成果基礎上，圍繞實現原理可視化和實踐過程虛擬化兩個基本目標，將仿真技術引入“大學計算機基礎”課程的內容組織，把計算機組成部件的工作狀態和程序運行狀態、計算機網絡與通信的工作過程、數據庫的三級模式結構和映射關系、信息安全防護的基本流程等抽象晦澀的知識點轉變成直觀的具有動態可變和邏輯演化能力的虛擬仿真演示和互動方式，使抽象難懂的知識對于學生是“看得見，摸得著”，不僅便于學生理解和接受，更有助于學生學習興趣和動手能力的培養。

三、仿真教學模式的實施

1.整理教學內容，形象化難點知識。“大學計算機基礎”課程包含的內容繁雜，需要根據不同知識的特點，參照知識的類別，按照“可視化”和“可交互”兩種技術路線，制定相應的仿真教學模式。相關教學難點[3]和仿真教學模式對照情況總結如下。①所謂可視化教學，即在仿真環境中將理論知識直觀化和形象化。適用于可視化模式的知識點包括：馮·諾依曼體系結構、計算機系統的基本組成、計算機硬件組裝、指令執行過程、數據庫的三層模式兩級映像、E-R圖、數據庫設計、音視頻數字化、圖像數字化等。②所謂可交互教學，即在仿真環境中為學習者提供人機接口，以介入方式更好地理解原理知識，可以隨時中斷、重復和調整執行過程。適用于可交互模式的知識點包括：二—八—十—十六進制轉換、原碼—反碼—補碼求解、進程管理、內存管理、設備管理等。③計算機網絡相關知識比較抽象，非常適合可視化和可交互兩種教學模式，包括：協議報文封裝、子網掩碼計算、網絡規劃設計等。

2.建設仿真資源，具體化抽象知識。借助虛擬仿真技術將“大學計算機基礎”中抽象隱晦的知識內容開發成可視化、可交互的仿真教學資源，不但可以直觀展示知識的內部原理，而且可以提供外部可操控性。如果能夠在各個知識點的探索實踐過程中形成虛擬仿真教學資源庫，那對課程教學的意義不言而喻。例如，在講解CPU工作原理時，可以構建一個虛擬的CPU實體，形象地將控制器、運算器、寄存器、數據總線、地址總線、控制總線和主存儲器用虛擬仿真的方式體現出來，借助指令的執行過程展示CPU的工作原理。再如，計算機網絡強調理論與實踐的有機結合，但各種主觀和客觀原因使得理論教學抽象難懂，實踐教學流于形式。eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）是一款由華為提供的免費的、可擴展的、圖形化操作的網絡仿真工具平臺，主要對企業網絡路由器、交換機進行軟件仿真，完美呈現真實設備實景，讓廣大用戶有機會在沒有真實設備的情況下能夠模擬演練，學習網絡技術[4]。引入eNSP軟件作為教學工具進行計算機網絡教學的仿真演示，既節省了可觀的儀器設備購置費用，也使理論概念變得通俗易懂。圖1所示是對一個網絡拓撲結構的模擬實現，包含了主機、集線器、交換機、路由器等常見網絡設備。在此基礎上，可以向學生展示IP地址配置、交換機連接和路由器轉發等工作過程，并可以借助Wireshark抓包軟件分析協議報文格式，把抽象的分層的計算機網絡體系結構直觀的展示給學生。

3.開展教學實踐，仿真化理論知識。在課堂教學中，教師可以將制作好的虛擬仿真資源單獨用于幻燈片中，在講授的過程中穿插展示虛擬仿真資源，以加強學生對復雜抽象問題的理解和掌握。教師還可以使用交互性的虛擬仿真設計輕便展開教學，大大促進教學互動。學生也可以通過個人電腦上裝載的教師提供的虛擬仿真教學資源展開互動學習，不僅便于學生理解和接受計算機系統的原理知識，更有助于培養學生的學習興趣和動手能力。

四、結語

教學實踐表明，將仿真技術應用到“大學計算機基礎”教學中，強調知識內容的“可視化”和“可交互”，可以在教學過程中起到事半功倍的作用。“大學計算機基礎”仿真教學模式的探索與實踐，不僅能夠提高課程的教學質量和學生的學習效果，也可為進一步打造高層次的精品課程奠定基礎。

參考文獻：

[1]林旺.基于計算思維的大學計算機教學研究.中國大學教學，2015年第9期，55-58

[2]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真教學資源開放共享策略探索.實驗技術與管理，2016年第33卷，第12期，137-141，145.

[3]張艷，姜薇.大學計算機基礎（第3版）.清華大學出版社，2016.8.1

[4]華為eNSP.

http：//support.huawei.com/enterprise/zh/tool/ensp-TL100000

0015

Exploration and Practice of Simulation Teaching Mode of University Computer Basis

ZHANG Jin，SUN Jin-fei，GU Jun

（School of Computer Science & Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract："University Computer Basis" is a compulsory course for non-computer majors. It is also an important link to train compound innovative talents. This paper analyzes the current situation and shortcomings of the computer basis teaching，puts forward the teaching mode reform based on simulation technology. The new teaching mode emphasizes the visualization and interaction of content knowledge. This reform achievement is helpful for students to better understand the computer software and hardware system，and better cultivate the computational thinking ability and computer application ability.

Key words：simulation teaching；university computer basis；teaching mode