大學計算機課程虛擬仿真實驗設計與應用探析

王永真 張鈴麗

摘要：針對目前在機器設備、實驗場地、教學方式等方面受限的問題，文章提出了一種大學計算機課程虛擬仿真實驗設計實施路徑。該設計的核心要點是符合學生內在驅動和大學計算機課程特點。該設計是以學生為中心的教學方法，激發學生的學習興趣和積極性。通過實踐操作，學生能夠在實驗中積累經驗，加深對計算機技術理論的理解和掌握。

關鍵詞：大學計算機；虛擬仿真實驗設計；實踐能力

中圖分類號：G642? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0095-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

1 大學計算機課程虛擬仿真實驗設計的特點

虛擬仿真實驗是信息技術和學科專業高度交融的產物，借用3D虛擬現實技術來模擬實物場景，用作計算機輔助教學軟件[1]。虛擬仿真實驗具有以下四個特點：①真實性：通過實例練習，將抽象的知識點和概念形象化、具體化，讓學生能夠切身體驗真實場景，以便快速理解和掌握理論知識。②互動性：相對于傳統的單向、垂直的教學模式，虛擬仿真實驗提供了教與學的雙向互動。學生和老師都可以隨時隨地表達自己的想法和建議。在教學過程中，師生之間以自主學習為主導，并在教師的悉心引導下進行。③成本低：虛擬仿真實驗教學設計能夠極大地降低物理實驗室、物理實驗設備和實驗耗材的投入，節約了人力、物力和財力成本。④可重復性：在虛擬仿真實驗教學平臺上，若學生在代碼輸入或參數設置上出現錯誤，不必擔心，可以隨時調整參數，重新輸入代碼，以獲得所需的結論。

2 大學計算機課程虛擬仿真實驗設計實施路徑

為了充分發揮大學計算機課程虛擬仿真實驗教學的作用，應該建立創新教學管理機制，在教學內容、方法、手段及范式等方面進行創新，同時搭建完整的公共基礎虛擬仿真實驗教學體系。改革應著重關注以下四個方面。

2.1 設計思路

1）基于大學計算機課程實驗內容的特點，考慮到現實教學環境和現行教學方法所面臨的挑戰，準確評估虛擬仿真實驗的可行性以便科學地選擇適用的實驗項目，避免脫離實際實驗的實質。因此，可以采取“虛實互補”的方式，加以結合，以充分發揮實驗和仿真實驗的長處，有效完成實驗任務和課堂教學。舉例來說，在需要進行硬件拆裝維護等基本技能實操類實驗時，由于實驗設備和場地無法全員覆蓋，以及對于那些不能在高等教育機構內構建真實場景或難以進行實際實驗的信息設備和項目，應采用虛擬仿真實驗教學的方法進行有效教學，以實現虛擬與真實內容的有機結合，充分發揮實驗教學的價值和優勢，從而實現高質量的教學效果。

2）知識內化。為了取得更深層次的課程理解，采用了一種針對特定學習任務的創新方法，即以“基于問題的引導、有針對性的知識注入、整化學習的增量設計、依需求選擇性排列組合課程內容”為原則進行，旨在幫助學生理解理論知識、熟悉各種信息化設備的基本原理、結構與操作流程以及培養做出復雜應用實現的靈活運用知識和技能的教學設計[2]。同時，學生也參與虛擬計算機博物館活動，從而更加全面深入地理解計算機硬件系統的體系結構。

3）以激發內驅力為導向。內部驅動力，作為一種心理激勵和傾向，旨在喚醒學生的學習積極性并激發其潛能[3]。通過擴大激勵措施，鼓勵學生克服困難，展現才能，融入并積極參與他們所認為具備重要性和價值的使命，從而獲得最終的成功。學生的內驅力是促使其主動進行學習的基本動力。因此，在實驗過程中激發學生的內驅力將帶來更加顯著的訓練成效[4]。為此，在虛擬仿真實驗中提出了一系列創新的練習模式，如“逐級闖關”“多人比武”和“社區互助”，并且在實習過程中融入“競爭”元素，指導學生完成課題，在紙面上談兵的傳統方式上增補了沙場實戰的內容。此外，這種具有創新及挑戰性的實習方法激發了學生參與本課程中的熱情，也增強了他們自身的解決問題的內在動力，為他們建立合理的全面把控技能。

4）培養“通用”計算思維能力。大學計算機課程的受眾群體包括多個學科領域的學生。不同領域的學生對計算機知識在未來學習和工作中的重要性持有不同的觀點。鑒于學生的需求，大學計算機課程把“計算思維”提出來作為解決問題的一種有效工具，此項研究致力于培養學生的計算思維能力，并尤其注重加強其相關思維技能的訓練。在進行虛擬仿真實驗設計方面，采用了遞歸的方法來幫助學生學習、掌握并應用計算思維。從方法論的角度出發，最初階段需要設計一個具體而又簡明扼要的應用場景，以便學生能夠通過該場景實踐并掌握計算思維的關鍵要素，并深入理解計算思維的內涵。一旦學生對基礎概念形成深刻理解，便能夠展開對更為復雜場景的應用構建，來促使學生建立起有效的“計算思維”實力，從而能夠自行運用這些思維來解決實際問題。

2.2 場景與模塊設計

根據大學計算機課程實驗教學的要求，本虛擬仿真實驗通過三維建模、云計算、自動評測等技術構建了四個實戰性的模塊：構建計算機硬件系統、交換信息的字符編碼、執行單個指令的流程以及網絡傳輸和郵件傳送等，皆包含在內，這些實驗課旨在利用虛擬仿真的優勢，打造出更加實在的教學實踐。這個實驗支撐體系項目在信息技術通識到信息系統軟硬件理論再到智能無人裝備應用的過程中提供強有力的支持。它不僅適用于大學計算機課程，還能為計算機編譯原理、計算機網絡、人工智能等其他課程提供寶貴的實驗支持。為便于老師挑選，組織實驗操作步驟時照顧了相關性、階段性以及易于脫離原則，在實驗過程中，每一個實驗步驟都承載著相應的實驗操作步驟，其在實驗研究中擔任著至關重要的職責。

2.3 教學方法

本次虛擬實驗采用“逐步增強、多關卡及差異化”的方式，重點在于讓學生通過設計、自主操作及自動評估的形式來增強操作能力及發展創新思維。

1）闖關式。借助突破創新的思維模式，采取了一種融合游戲化元素的闖關教學方式，通過將原本瑣碎的學科細分內容融入一個具備縱向進階特性的實驗過程中，以迎合當代年輕學子在信息技術實踐經驗中形成的思維模式。此外，通過將理論、實驗和科學應用等結合起來，這種新的教學模式不但能幫助激發學生學習興趣，同時也能發揮他們的綜合實踐能力。階段性實驗以分步驟的方式指導學生從初學基礎走向深入研究專業知識，而教學引導項目則通過逐級提高的方式培養學生的學習動力，幫助提高學習效果和增加學習體驗。以“馮·諾依曼體系結構及工作原理”為例，設計了三個難度層級，共設有十二個實驗關卡，包括“馮·諾伊曼體系結構軟件模擬”“基本指令模擬”和“完整指令集驗證”。通過逐級闖關、不斷挑戰，學生能夠將所學知識運用到實踐中，并逐漸內化為自己的能力。

2）多路徑。為了迎合學術領域的多樣性以及學生個體學習特征的差異，教職人員有能力在線教學模式下，構建多個教學班級，以滿足課程大綱的基本要求。在這些班級中，教師可以巧妙地設計和配置不同的實驗入口，以滿足學生們個體化的學習需求。此外，還可以個性化地定制實驗教學進度和教學要求，以適應不同學生的學習進度和能力。

3）差異化。旨在強調虛擬仿真實驗教學的意義，重點對學生個體差異性的重視，推崇個性發展和普及技能統一發展。同時提出了虛擬仿真實驗技術在創新教育中擔負的重任，以助力個性發展。根據學生特點施教，激勵具有特長的學生脫穎而出，并培養出拔尖創新人才[5]。

2.4 應用實踐

通過設備認知、虛擬實操、原理進階和問題求解這四個巧妙設計的層次，在線實驗平臺旨在以高效的方式支持實驗教學活動，并為用戶提供虛擬仿真實驗的設計。首先，平臺通過設備認知層次，讓學生對實驗所需的設備進行了解和認知，使其能夠準確地操作實驗設備。其次，通過虛擬實操層次，學生可以在虛擬環境中進行實際的實驗操作，從而加強他們的實操能力和技能。在原理進階階段，學生將加深對實驗的基本原理和相關理論的理解，從而提升他們對實驗背后原理的認識和靈活運用的能力。而在問題求解階段，學生會被挑戰去解決一系列挑戰性的問題，運用他們的分析和解答能力，以及創新的思維去解決這些問題，以培養他們的問題解決能力和創造力。在線實驗平臺的設計目的是滿足實驗教學過程中的分層和遞進性需求，采用分級設計和提供虛擬演示實驗，讓學生深入了解實驗知識和技能，同時也可以培養出優秀的實驗實踐技能。

1）計算機系統組成和維保設備的認知環節

通過虛擬仿真系統，學生可以研究各類數據中心計算機維保設備與系統，有效掌握圖示、架構及零件參數等相關知識。在學術探究中，遵循全局認知優先、細節關注次之的認知序列是被推崇的做法，因為它有助于學子更深入地理解和掌握知識要點。一種高效的方法是通過提供編程練習和試題，以實時測評學生對核心知識的運用能力。

2）虛擬設備實操驗證環節

在虛擬數據中心場景下，應該設定任務目標，并進行闖關式快速硬件環境的組裝和搭建實驗。這些實驗將模擬通用計算機維保裝置、字符編碼等關鍵信息化裝備的使用。通過立體拆裝和多視角觀察，學生可以體驗仿真實裝現場，并運用代碼和提示進行反復練習。

3）微觀視角的原理學習和設計環節

使用三維可視化軟件基于數據驅動，本系統可使用戶更直觀地洞悉信息系統里的數據流及指令流的運作過程，以及這一運作的實現技術原理；學生可以搭建計算機系統，將宏觀知識與這種軟件模擬方法相結合，鍛煉計算思維，鞏固所學知識，達到將知識更加深入內化。

4）實際想定任務的問題求解環節

通過運用專業的編程技術、數據結構和人工智能算法，實現對匯聚系統中任務執行的目標。同時，能夠根據傳感器獲取的實時信息以及實地任務執行情況，做出相應的反饋。在實驗過程中，設置了一系列可調整的參數，供學生使用。這些參數的調整是根據計算機硬件設備的組裝情況進行的。反過來改進參數、算法設計，終將實現原先的目標。在這一階段，仍然可以積極參加比賽模式，以促進它們的優化設計能力。值得注意的是，這個實驗平臺擁有自動化評價能力，省去了復雜繁瑣的人工評估環節。同時，導師和助教可以通過平臺后臺的追蹤數據，有效提升實驗指導質量。此門課程有助于有效地支持融合式教學模式，包括虛擬與實體相結合的學習方式以及線上與線下相結合的教學方法。

3 虛擬仿真實驗教學的實踐意義與反思

3.1 實踐意義

目前，大學計算機課程的虛擬實驗是在云服務支持下進行的，目的是支持大規模的在線課程實驗應用，并與MOOC平臺進行整合。為了滿足要求，學校正與眾誠公司合作開發人機交互設備，包括電腦和手機，以確保虛擬實驗能夠同時在PC端和移動端上進行。因此，大學計算機課程的虛擬實驗設計將抽象的問題具體化，讓學生通過實際體驗來探索問題，并了解信息流的執行過程、計算機病毒攻防過程、Excel數據分析流程、網絡接口技術等難以觸及和感知的問題。這樣的設計豐富了授課過程中實驗內容的體系。與其他的PPT和動畫演示方法不一樣，虛擬實驗可以增加人與計算機之間的交互功能，以此來更深刻地掌握易碎且復雜的知識。目前，已經初步實現了部分大學計算機課程實驗設計的題目。相信在信息化背景下，“線上+線下”混合式教學中，這種虛擬仿真實驗教育教學模式將發揮重要的作用，并豐富教育教學的內容。

3.2 教學反思

許昌學院是一所地方應用型高校，其基于教學資源、教學環境和師資力量等多種因素而達到的教學質量是可圈可點的。但鑒于學校普遍采用的大班教學方式反思中未充分關注學生個體情況，因而存在課堂分心問題，注意力無法全身心地投入，從而難以引發學習興趣。教育過分關注直接的物質收益，忽視了社會和學生更大的需求；學校過度側重于軟件應用能力的增強，卻疏忽了思維與創新能力的培養，導致學生的思維模式陷入了固定的范式中，對于推動全面深化的教育改革缺乏積極助推的作用。

4 結束語

在信息化的背景下，越來越多的課程開始引入虛擬仿真技術。該先進的技術具備令人著迷的全身投入式體驗效果，具有極大地增強課堂教學效能的潛力。同時，虛擬仿真技術可激發學生創新思維并拓展他們的思維能力，作為塑造學生成長的重要助推因素。

參考文獻：

[1] 徐衛，陳琦，葉陽，等.計算機虛擬仿真實驗教學資源建設[J].計算機教育，2020（5）：118-122.

[2] 苗露，馬麗.混合式教學模式在大學計算機基礎實驗課程改革中的應用[J].科學與信息化，2021（26）：132-134.

[3] 周圍，許宏麗，王移芝，等.智能·賦能：大學計算機基礎實驗教學研究與踐行[J].計算機教育，2022（4）：65-69.

[4] 梁潔.面向問題解決能力培養的大學計算機基礎實驗教學改革探索[J].現代計算機，2020（31）：88-91.

[5] 陳健，姜紀沂，于曉輝，等.基于虛擬仿真技術的防震減災基礎實踐教學資源建設的探索[J].實驗室研究與探索，2018，37（9）：224-226，281.

【通聯編輯：梁書】