計算機應用基礎 課程中虛擬實驗環境建設與應用研究

中圖分類號：G43;TP39

文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）05-0221-06

Abstract：This paper studies the construction and application of the virtual experiment environment in the course of \"Fundamentals of Computer Applications\"， explores the application of virtual simulation and AR （Augmented Reality）technologies in the course，constructs avirtual simulation experiment platformand developsAR software to improve thequality and efciency of experiments.Research shows that the construction of the virtual experiment environment can enhance students' interest， participation and computational thinking ability.

Keywords： fundamentals of computer applications; virtual environment; virtual technology; simulatior experiment; environment construction

0 引言

在當今數字化飛速發展的時代，計算機技術已然成為各個領域不可或缺的核心要素，而“計算機應用基礎”這門課程作為培養學生計算機素養與實操能力的重要基石，其教學方式和實踐環境的優化顯得尤為關鍵。傳統的實驗教學模式往往受限于硬件資源、時空局限等諸多因素，難以充分滿足學生多樣化、個性化的學習需求，也不利于全面激發學生對計算機知識探索的熱情與創新思維。在此背景下，虛擬實驗環境的建設與應用為“計算機應用基礎”課程帶來了新的曙光。它借助先進的虛擬技術、仿真手段，打破了現實條件的束縛，能夠模擬豐富多樣的計算機應用場景，讓學生仿若身臨其境般進行操作練習。同時，合理的應用還可有效提升學生的參與度，增強他們解決實際問題的計算思維能力，進而推動整個課程教學質量邁上新的臺階。因此，深入開展“計算機應用基礎”虛擬實驗環境建設與應用研究具有重要的現實意義。

1 “計算機應用基礎 課程與虛擬實驗環境概述

1.1“計算機應用基礎”課程介紹

“計算機應用基礎”課程是一門旨在培養學生計算機基本素養與實用技能的入門課程。該課程全面涵蓋了計算機領域的基礎知識與核心技能，為學生后續的專業學習和職業發展奠定堅實基礎[1]。該課程內容豐富多樣，首先，介紹了計算機的發展歷程、系統組成及工作原理，使學生從宏觀上把握計算機的整體框架。其次，深入講解了操作系統的基本功能與操作方法，包括文件管理、程序運行等日常操作技巧。再次，重點教授了辦公軟件的應用，如文字處理、表格制作、演示文稿設計等，這些技能在現代辦公環境中至關重要。最后，本課程涉及計算機網絡與互聯網的基礎知識，包括網絡構成、IP地址、瀏覽器使用等，使學生能夠適應信息化社會的發展需求。通過本課程的學習，學生能夠掌握計算機的基本操作與使用技巧，為未來的學習與工作打下堅實的基礎。

1.2虛擬實驗環境的概念和特點

虛擬實驗環境是一種基于計算機技術和仿真軟件構建的數字化實驗平臺，它模擬了真實實驗場景和操作過程，為學習者提供了全新的實驗學習方式。其核心特點在于其高度仿真性和靈活性[2]。通過圖形渲染技術和物理引擎，它能夠逼真地再現實驗設備的外觀、操作界面以及實驗過程中的各種現象和變化。學習者可以在虛擬環境中進行實驗操作，就像置身于真實的實驗室一樣。同時，虛擬實驗環境具有極高的靈活性。學習者可以根據自己的需求和興趣，隨時調整實驗參數，改變實驗條件，甚至設計全新的實驗方案。這種靈活性提高了實驗的效率和準確性，激發了學習者的創新思維和探索精神，為學習者提供了一個安全、高效、便捷的實驗學習平臺。

2 “計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境建設與應用意義

2.1提升教學質量與效率

“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的建設與應用，對提升教學質量與效率具有顯著效果。一方面，虛擬實驗環境以其高度仿真的特性，能夠精準模擬真實的計算機應用場景，為學生提供了一個近乎實戰的練習平臺。學生在這個虛擬環境中能自由地進行各種實踐操作，如系統配置、軟件安裝與調試等，從而更深入地理解和掌握計算機基礎知識。另一方面，教師可借助虛擬實驗環境進行演示和講解，使得教學內容更加直觀易懂，增強了教學的互動性。這激發了學生的學習興趣，提高了他們的課堂參與度，使他們在輕松愉快的氛圍中掌握計算機應用的核心技能。

2.2增強實踐操作能力

“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的建設與應用，增強了學生的實踐操作能力。學生能夠在虛擬實驗環境中進行反復的計算機操作練習，涵蓋文件處理、軟件應用等多個方面。這種不受時間和次數限制的練習方式，使學生能夠熟練掌握各項操作技能，提高操作的準確性和熟練度。同時，虛擬實驗環境為學生提供了豐富多樣的實驗案例和場景，這些案例既貼近實際又富有挑戰性。通過在這些案例中進行實踐和探索，學生能夠鍛煉問題解決能力，激發出新的思維火花，培養創新思維和實踐能力。

2.3突破時空限制，實現資源共享

“計算機應用基礎”虛擬實驗環境的建設與應用，突破了時空限制，實現了教育資源的共享。一方面，虛擬實驗環境徹底打破了傳統實驗室在時間和空間上的束縛。學生無須受限于實驗室的開放時間或地理位置，可以隨時隨地通過網絡接入虛擬實驗環境，進行實驗操作和學習。這種高度的靈活性和便捷性，提高了學習的效率和自由度，使學習更加符合現代生活的節奏。另一方面，虛擬實驗環境通過網絡平臺，實現了跨地區、跨學校的教育資源共享。不同地區的學生都可以訪問到這些優質的虛擬實驗資源，享受到均衡的教育機會，促進了教育公平和資源的優化配置。

2.4降低實驗成本，提高安全性

“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的建設與應用，能夠降低實驗成本和提高安全性。首先，虛擬實驗環境完全基于計算機技術構建，無須購置真實的實驗設備和材料，大大節省了實驗成本。由于省去了實體設備的維護和更新費用，教育機構的資金壓力得到了有效緩解。其次，虛擬實驗環境為學生提供了一個安全無虞的實驗平臺。在虛擬環境中進行實驗操作，學生可以盡情嘗試和探索，無須擔心因操作不當而對真實設備造成損壞或引發安全隱患。這種安全、無憂的實驗環境，激發了學生的創新精神和實踐勇氣，為他們的計算機學習之路提供了有力的支持。

2.5促進個性化學習

“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的建設與應用，為促進學生個性化學習提供了有力支持。虛擬實驗環境以其豐富多樣的學習路徑和實驗內容，滿足了不同學生的個性化需求。學生可以根據自己的興趣、愛好以及學習進度，自由選擇適合的實驗項目進行深入學習，這種自主選擇的學習方式極大地激發了學生的學習動力和探索熱情。同時，教師通過虛擬實驗環境，可以實時了解學生的學習情況和反饋，從而為他們提供更加精準、個性化的指導和支持。這種個性化的教學模式有助于提升學生的學習效果，幫助他們在計算機應用基礎的學習中找到屬于自己的成長路徑。

3 “計算機應用基礎” 課程虛擬實驗環境建設策略

3.1硬件設施建設

為了搭建“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境，我們需從硬件設施建設入手，進行了全面加強和優化（如圖1所示）。首先，配備高性能計算機設備。這些設備擁有強大的處理能力，配備有充足的內存和存儲容量，確保能夠輕松應對各類虛擬實驗軟件的運行需求，并準確模擬出復雜多變的計算機應用場景。其次，全面優化網絡設施，構建一個既穩定又高速的網絡環境。通過采用高性能的路由器、交換機等核心網絡設備，配備充足的網絡帶寬，確保大量虛擬實驗數據的實時傳輸和在線交互的順暢進行。即便在多人同時在線進行虛擬實驗的情況下，也能有效避免網絡延遲或中斷，確保實驗的順利進行和數據的完整安全。最后，根據實際需求，配備相應的虛擬現實與交互設備，如虛擬現實頭盔、交互式觸控屏幕等。這些設備為學生提供了更加直觀、沉浸式的虛擬實驗體驗，使他們在實踐中更加深入地理解和掌握計算機應用基礎知識。

3.2軟件平臺建設

為了構建“計算機應用基礎”課程的虛擬實驗環境，我們要精心挑選功能完備、兼容性強且易于操作的軟件工具，諸如VMwareWorkstation、VirtualBox等，它們能夠模擬多樣化的操作系統及常用軟件運行場景，全面契合課程中各類實驗項目的實際需求。而在本文中，我們采用了自主研發的實驗軟件系統，并結合增強現實（AR）技術進行實驗設計與構建，以期達到更佳的教學效果。

3.2.1AR軟件設計概述

本文以“計算機應用基礎”課程中的“計算機硬件系統”和“微型計算機”兩節內容為例，開發了一款基于增強現實（AR）技術的實驗軟件。該軟件主要面向大學一年級選修該課程的學生，旨在通過創新技術提升學習體驗，增強學生對計算機基礎知識的理解和應用能力。在用戶界面交互設計上，我們充分利用了智能手機的普及性和學生對攝影鏡頭、觸摸屏操作的熟悉度，融合了AR技術，使軟件能夠掃描并識別信息技術裝置的二維圖像。用戶只需簡單掃描，即可獲取三維立體模型，并通過縮放、拖動、旋轉等觸屏手勢進行互動操作，加深對模型的感性認識。同時，軟件還提供了與三維模型相關聯的多媒體內容，用戶可輕松切換文本和語音信息，使界面既可互動又易用。在內容設計上，我們針對硬件資源分配不均的問題，將常見硬件設備知識整合進軟件。特別為主板、處理器、內存等核心組件設計了詳細的三維模型并介紹了其功能、發展及演變。通過虛擬化方式，有效彌補了硬件資源的不足。在教學策略上，我們秉承實踐教育理念，利用AR技術融合虛構與實境，依托移動設備的沉浸式體驗，讓學生通過感知、直覺和親身體驗來領會知識，構建個人知識框架，活躍了課堂氛圍，加強了師生互動。見圖1。

3.2.2AR軟件架構概述

本程序架構主要由兩大核心模塊構成：虛擬增強現實（AR）場景的圖像識別模塊與Unity引擎的交互響應模塊[3]，其工作流程如圖2所示。用戶啟動應用程序后，視頻捕獲設備即刻被激活，AR攝像機模塊隨即開始運作，對視野內的二維平面場景進行連續、實時的掃描檢測。一旦識別系統檢測到與預設特征圖像相匹配的場景，程序便會在預定區域內迅速生成對應的三維模型。這些三維模型不僅栩栩如生，而且用戶可以通過觸摸屏對其進行移動、縮放、旋轉等多種操作，自由調整視角，以獲取最佳的觀賞和學習角度，從而極大地增強了沉浸式體驗。在互動展示和探索媒體內容的過程中，用戶只需輕輕點擊界面中的平面UI元素，如按鈕等，即可查閱與三維模型相關的豐富圖文資料，并聽取詳細的解說，這進一步豐富了三維視覺體驗的內容，使得學習過程更加生動有趣。值得一提的是，程序內置的三維模型均嚴格遵循真實儀器的尺寸比例和精細結構，特別為“計算機應用基礎”課程的第一章第二節“計算機硬件系統”及第四節“微型計算機”的教學內容量身定制。用于識別的側視圖圖紙與對應的三維模擬模型之間保持高度一致性，且模型選取均依據最新的數字設備資料，以確保教學素材的前沿性、實用性和準確性，幫助學生更深入地理解和掌握現代技術裝備的知識。

3.2.3“計算機應用基礎”課程AR軟件構建該軟件的構建過程主要涵蓋三維模型構建和編程開發兩大核心環節。在三維模型構建環節，我們選擇了業界知名的Maya軟件作為專業工具。在具體構建過程中，首先將設備的平視圖精準導入Maya，作為模型構建的基礎框架。其次，在點的層次上，充分發揮Maya的自定義曲線屬性功能，結合選擇器、多面切分器等高級工具，對模型細節進行精細打磨，確保每一個細節都準確無誤，逼真度極高。在面的層次上，利用Maya強大的幾何工具，勾勒出模型的直線特征，并通過巧妙的融合技巧，形成完整且流暢的模型外觀。最后，應用Maya的材質編輯器，為模型賦予真實的材質效果，并進行位圖貼合處理，使得模型更加生動、逼真。在模型構建完成后，將其以Fbx格式導出，為后續的編程開發做好充分準備。在編程開發階段，我們選擇Unity引擎作為開發平臺。第一，將Fbx模型文件導入Unity，構建設備模型預制構件。第二，利用Unity編輯器工具對模型比例和定位進行微調，將其轉變為適合2D視角的展示方式，添加必要的界面組件并組裝成用戶友好的操作平臺。第三，訪問Vuforia平臺，導入其增強現實開發包并提交識別圖像以獲取AR信息，將其整合至Unity環境中。第四，將Unity預設相機替換為AR攝像頭，利用AR攝像頭的地形跟蹤與圖像追蹤功能完成智能地形的創建，確保模型在增強現實環境中的穩定呈現。第五，通過VisualStudio編寫C#腳本，為用戶界面的各種互動行為（如觸摸、拉動、縮放等）編寫程序，并與AR攝像頭對象緊密結合。搭建好AndroidSDK和JavaJDK環境后，將應用打包成APK格式，安裝至Android移動設備。用戶只需用手機相機掃描，即可生動呈現微型計算機硬件部件的增強現實效果，與“計算機應用基礎”教材內容完美契合[4]。

3.3教學內容設計

3.3.1虛擬仿真實驗教學設計思路

第一，在采用虛擬與現實相融合的教育手段時，充分考慮計算機基礎實驗的特殊情況及現有環境和資源的限制。合理評估哪些實驗適合采用虛擬仿真技術進行并進行科學選擇，同時不能完全摒棄實物操作實踐。例如，對于計算機架構、工作原理、程序存儲等深奧理論的講解，或是硬件搭建與維修基本技能的培養，由于實驗室設備和空間的限制，難以讓所有學生同時參與實操。針對校方難以重現的實際操作環境，如信息技術設備的實操等，應適當引入虛擬仿真實驗方式，既能融合虛擬與現實的優勢，又能提升實驗的質量和效果。

第二，教育實踐重視知識內化的策略運用。本實驗采用“啟發式提問、知識內嵌、循序漸進、靈活運用”的教學方針，旨在加深學生對教材理論的理解，并增強他們對信息設備的基礎理論、構造與操作流程的熟練掌握。通過練習過程，使學生能夠將所學知識綜合應用于解決實際復雜情境下的軟件及硬件技術難題。以“計算機應用基礎”課程中第一章第二節的計算機硬件系統為例，課程設計分為三大步驟：首先回顧計算機理論基礎，學生通過虛擬計算機博物館的互動體驗，了解計算機架構發展的關鍵歷程；其次是“微型計算機構造設備拆裝”階段，學生在三維模擬環境下動手拆解和重組計算機設備，通過反復試驗熟悉整個流程；最后深入探究“微型計算機構造的存儲程序控制原理”，借助模擬技術展示計算機內部在指令驅動下數據的變動情況，幫助學生深刻理解存儲編程控制的原理。

第三，教育過程強調激發學生的自我激勵。自我激勵是推動學習者向設定目標穩步前進的內在心理動力和傾向。在模擬實驗中，融入“分級挑戰”“群體競技”“社群協作”等一系列創新策略，通過比賽機制激勵學生完成實驗任務。這種方式將傳統的“理論講授”轉變為“現場實操”，增強了學生的參與感，激發了他們的自我激勵，同時鍛煉了他們解決具體問題和進行全面優化的能力。

第四，確立通用的算法思維訓練目標。鑒于計算機基礎課程涉及廣泛的學科領域，不同學生對計算機技術的依賴程度各不相同。因此，在計算機入門實操中，我們強調以算法思維作為解決問題的關鍵手段，注重培養普遍適用的算法思考技能，并聚焦于思維能力的鍛煉。在設計模擬仿真實驗時，融入遞歸概念，旨在引導學生領悟并運用算法思維策略。首先構建基本的應用案例，使學生深入理解算法思維的內涵；隨后創建更復雜的實驗環境，鼓勵學生自主應用算法思維，從而提高他們解決問題的實際能力。

3.3.2模擬實驗環境課程設計案例

在教育實踐中，我們編排并開展了虛構作戰模擬的實驗課程。該課程利用三維模型構建、云端處理及自動化測評等先進技術手段，打造出具有高度沉浸感的虛構任務場景，模擬了師級、旅級指揮部以及營級、連級指揮所的信息處理中心環境。本實驗課程分為四個部分，循序漸進，深入展開。內容涵蓋了信息技術環境和系統的識別學習、計算工具的快速部署以及保養維護等關鍵環節，構成了一個完整且系統的實驗體系。實驗的各部分均遵循逐步累積的設計理念，劃分了清晰的實踐環節，并設置了互動式的操作步驟。每一步操作都充分考慮了知識層次的關聯性、層級性以及獨立性，確保每個實驗關卡都配有詳盡且明確的操作指導步驟，以便學生能夠順利完成任務，掌握相關知識技能。

“計算機應用基礎' 課程虛擬實驗環境的應用實踐

4.1應用準備階段

在“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的應用準備階段，我們設計了一套虛擬仿真實驗的創新方案。該方案秉承“層級遞進、多元選擇、個性化發展”的教育理念，力求在實踐中培養學生的獨立操作能力和探究思維。首先，采取游戲闖級式教學法。將課程內容融入游戲式級別挑戰，將習題改造成實踐活動，激發學生學習熱情和實踐技能。實驗內容覆蓋從基礎到高級的各層次，設計不同難度的階段測試。以“計算機硬件系統構架與工作原理”為例，設置三個等級、12個實驗流程，學生連續挑戰，逐步實現知識應用和能力內化。其次，采取多路徑課程研究策略。教師根據課程內容在線組建多樣化小組，為每組配置不同實驗通道，量身定制實驗進度與任務。虛擬現實場景支持異地多人同時參與，云技術降低學生硬件成本，非計算機專業學生可選擇初級階段課題探索。最后，注重課程學習的個性化應用。實驗活動以學生為中心，結合普適性與個性化學習。鼓勵特殊天賦學生展現潛力，采取有針對性策略培養創造力。教師構建多變地圖和競技模式，增強學生學習動力和工程技術實踐能力。系統提供自主選擇和隨機產生任務目標模式，確保任務差異化，促進學生自我引導、協同合作及探究式學習。

4.2應用實施階段

在“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的應用實踐中，我們采用了引導式教學模式，構建了基于分級設計理念的在線模擬實驗系統[5]。該系統精心規劃了三個階段的實驗流程：設備認知、操作模擬與原理探究（如圖3所示）。首先，在設備認知階段。利用虛擬仿真系統，使學生從宏觀至微觀深入認知數據中心計算設備及自動化系統的實物、架構和配件。通過問題定位和考核，評估學生對關鍵知識的理解。其次，在操作模擬階段。在數字化數據中心的模擬場景中，讓學生體驗通用計算設施及核心信息技術裝備的操作。他們需完成預定任務，并在挑戰式活動中快速構建和配置硬件。導向系統和指導信息幫助學生加深操作流程的理解和技能掌握，立體拆卸和多角度觀察功能則提升了學生的操作技能和問題解決能力。最后，在原理探究階段。我們運用三維視覺效果的數據導向模擬程序，直觀展現信息系統內數據與指令的流動原理。學生基于整體概念，創建并運行計算模型，完成計算任務，使計算思維得以表達，對底層理論有更深刻領悟。實驗平臺具備自動評估功能，教師可在后臺訪問學生實驗數據，提高指導效率。該平臺支持課堂實驗和自主學習，實驗內容靈活可調。教師采用多種方法組織課程，支持虛實結合和線上線下混合式教學。在此過程中，理論講解與親身操作相結合，實踐與理論相輔相成，共同促進學生的全面發展。

基礎知識 實操技能 設計與編程能環境與設備認知 裝備快速搭建 運行原理仿真戰略數據中心 戰場數據裝備 計算機體系結構信息化環境 快速拆裝 工作原理理解計算機設備認知 傳感器安裝測試 測試場試車T 金 金虛擬實景 數據仿真 可視化驗證 自動評測 協同設計 云端競賽實驗技術支撐

4.3應用評價階段

4.3.1綜合性評價

我們以網頁制作實驗應用為例，依據虛擬實驗平臺所全面記錄的學生操作過程數據，對學生的學習過程進行了深入而綜合性的評價。這些數據涵蓋操作步驟的精確度、完成實驗任務的時長，以及學生嘗試解決問題的頻次等多個維度。通過細致查看學生在頁面布局設計時的創意與規范性，元素添加操作的熟練度與準確性，以及代碼編寫的邏輯性與效率，全面評估了學生的操作流程遵循情況。同時，我們還特別觀察了學生在遇到難題時的應對策略和解決問題的能力，這些數據為我們衡量學生的學習態度、知識掌握程度及技能運用水平提供了有力的依據。

4.3.2應用成果評價

租用哈密職業技術學院的虛擬仿真平臺，為一年級專科和本科生開設計算機應用基礎課程，旨在培養約600名學生的系統技能。虛擬仿真實驗的融入，深受師生好評，有效填補了實驗課程體系的空白，實現了全員參與和全程監控。首先，虛擬與現實融合，教學成效顯著提升。以往受場地和設備限制，僅部分課堂能進行直接實驗操作，學習效果參差不齊。如今，通過“快速構建及維護計算設備”虛擬模擬實驗方案，實驗參與率幾乎全員覆蓋，促進了學生對計算機知識的深入理解和實操技能的提升，教學效益和學生成績均得到顯著提高。其次，強化課程研究效果，學生成績穩步上升。2023年秋季學期起，計算機硬件架構課程增設“計算機硬件體系及操作原理洞察”宏觀虛擬模擬實驗環節。教師根據班級情況，運用多樣化教學方法，幫助學生深刻理解理論知識。考試結果顯示，學生成績較2022年提高了約 30% ，2024年又進一步提升了 10% 。最后，深化知識點理解，實驗成效顯著。2024年春季學期，計算機專業學生通過“迅速組裝與保養計算機硬件”等虛擬模擬實驗活動，采用線上線下相結合的混合式教學法，在線虛擬操作提升技能，親身體驗實體設備拆卸與組裝，并通過競賽方式實踐。此教學方式加快了學生對硬件和操作程序的掌握，降低了設備損壞風險，增進了對關鍵知識點的理解，實驗課教學效果顯著提升。

5 結束語

經過探索與實踐，“計算機應用基礎”課程虛擬實驗環境的建設與應用已取得顯著成效。我們成功構建了一個功能全面、操作便捷、高度仿真的虛擬實驗平臺，為計算機教學提供了全新的實踐途徑。該平臺不僅有效解決了傳統實驗教學中資源分配不均、實驗時間受限等問題，還極大地激發了學生的學習興趣和創新思維。通過實際應用驗證，虛擬實驗環境在提升學生實踐能力、增強教學效果方面表現出色。因此，我們要繼續優化平臺功能，拓展實驗項目，加強師生互動，確保虛擬實驗環境能夠更好地服務于計算機教學工作，為培養更多具備實踐能力的計算機人才貢獻力量。

參考文獻

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