計算機虛擬仿真實驗教學中心的建設研究與教學實踐

趙婧 李思嘉

關鍵詞 資源共享 虛擬仿真 實驗教學

1引言

2018年，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作，以適應信息化條件下知識獲取和傳授方式等要求。近年來，計算機虛擬仿真技術在計算機專業類[1] 、醫學類[2] 和土木工程類[3] 等諸多領域得到廣泛應用。尤其在大中專高校中，計算機虛擬仿真技術被應用于實驗教學領域[4?6] ，在原有實驗教學的模式下，開創了新的教學模式，滿足了學生學習的需求，擴充了大中專高校的教學資源，有效提高了大中專高校實驗教學質量。

在大中專高校的計算機專業類課程中，除了理論教學外，大多數都需要進行實驗教學。計算機基礎類和程序開發類等計算機課程只需要配置計算機實驗室，但是網絡工程、物聯網工程以及通信工程等專業需要配置專門的實驗室，這些實驗室的很多實驗器材較為昂貴，因大中專高校經費不足，很多課程無法開設。自本校建設計算機虛擬仿真實驗教學以來，不僅滿足了學生實驗的需求，還節省了高昂的器材費用。

2開放式虛擬仿真實驗平臺的研究

大中專高校普遍存在辦學資金緊張現象。由于本校計算機實驗教學示范中心經費和設備不足，因此目前多門計算機類專業課程無法進行實驗教學，甚至多門課程無法正常開設。為增加實驗教學資源，滿足實驗教學需求，本校引進了開放式虛擬仿真實驗教學平臺。

該平臺的各個模塊相對獨立，可擴展性好，方便集成多種實驗教學系統。目前，該平臺提供了全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括中心門戶網站、實驗教務管理、實驗教學管理、實驗前理論知識學習、實驗過程智能指導、實驗結果自動批改、實驗報告提交、實驗室開放預約管理、互動交流通知系統、系統管理等功能。如圖1 所示。

2.1系統登錄

在使用開放式虛擬仿真實驗平臺時登錄對應的網址，其首頁頁面正中間提供了登錄功能，供用戶使用自己的用戶名及密碼登錄系統。當前，該系統有六類角色，分別是教務、實驗室管理員、學生、老師、內容管理員及系統管理員。

2.2教務管理

教務負責人根據本學期教學任務書，對計劃開設虛擬仿真實驗的課程進行教務管理。教務管理主要包括學期配置管理、課程管理、培養計劃管理、開課管理和課表管理。

2.3實驗教學管理

教師用戶登錄系統可見教師向導圖，按教學課程分類，選擇課程后繼續進行下一步操作。教師用戶可以設置實驗庫、布置實驗，并進行考勤管理、實驗批改和成績到處等。

2.4學生選課及實驗

學生用戶進入系統可見一張向導圖，學生可以進行選課、理論測試、虛擬實驗和實物實驗等。

2.5實驗室開放預約管理

實驗室管理指的是實驗室負責人高效地管理和分配實驗室資源，包含添加實驗室、實驗儀器管理、考勤管理、預約工位和預約實驗室審核、設備借出與收回等功能。

該平臺采用模塊化設計，易于擴展，可集成多種計算機類專業課程實驗教學系統，從而滿足多課程的教學實驗，方便計算機虛擬仿真實驗教學中心負責人對所有計算機類虛擬實驗教學系統的統一管理，提高了計算機虛擬仿真實驗中心負責人的工作效率。

3開放式虛擬仿真實驗平臺的教學實踐

目前，該平臺集成了計算機組成原理、通信原理、單片機應用技術系統、高頻電子電路和模擬電路等14門計算機類專業課程的實驗教學軟件，這在很大程度上擴充了本校實驗教學資源，促進了大中專高校實驗教學的深入發展。這里以計算機組成原理課程為例，簡單描述該課程的實驗教學軟件。

計算機組成原理虛擬實驗系統是針對大中專院校開設的“計算機組成原理”實驗課程配套開發的虛擬實驗環境，系統提供了與計算機組成原理實驗教學實驗箱中同等功能的元件、芯片和導線等，模擬真實實驗環境，并提供了在線實驗教學管理模塊。

實驗操作平臺界面包括實驗平臺、器材庫、實驗庫、菜單欄和工具欄等部分。其中，器材庫主要由芯片庫、平臺器件、導線連接等組成，學生根據教師布置的實驗任務在實驗平臺添加平臺器件等，然后進行布線，最后驗證方案。這里以經典的組間串行進位16位運算器實驗為例，展示最終的實驗結果。如圖2所示。

學生在完成實驗的過程中，需要按照教師布置的實驗要求記錄幾組運算數據，并將實驗數據以及實驗結果截圖寫入實驗報告中，通過學生端提交實驗報告到教師端。截止時間一到，任課教師可以通過教師端批改實驗報告并給出實驗成績。實驗室實物實驗與虛擬仿真平臺虛擬實驗的這種虛實結合的教學模式，拓寬了課程的實驗范圍，增加了學生對專業知識的理解能力，提高了學生的學習興趣。

4結束語

本校建設的計算機虛擬仿真實驗教學中心，打破了原有實驗室在空間、時間、地點上的局限性，節省了實驗室設備開支，擴充了大中專高校實驗教學資源，創設了“線上+線下”虛實相結合的實驗教學模式，實現了多課程和多地區的實驗資源共享，為大中專高校培養人才提供了參考。但是，該虛擬仿真實驗教學平臺也有不足：第一，平臺集成的很多實驗教學軟件在正常運行之前需要下載各種插件，并且插件還需要更新升級，給師生使用該軟件帶來了很大的障礙;第二，非校內網用戶登錄該平臺需要登錄VPN 賬號，因為本校VPN 賬號容量有限，這在一定程度上限制了實驗教學資源的共享。今后，我們需要改善平臺使用環境，進一步提高師生的學習效率。