“大学计算机基础”仿真教学模式探索与实践

张瑾 孙晋非 顾军

摘要：“大学计算机基础”是高校非计算机专业的通识必修课程，是培养复合型创新人才的重要环节。本文分析了当前计算机基础教学的现状与不足，提出基于仿真技术的教学模式改革，强调知识内容的可视化和可交互，有助于学生理解计算机软硬件系统，更好地培养学生的计算思维能力和计算机应用能力。

关键词：仿真教学；大学计算机基础；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）12-0161-02

“大学计算机基础”是面向高校非计算机专业的通识必修课程，给学生开展关于计算机知识、能力与素质方面的教育，使学生对基于计算机的信息学科有一个整体的认识，能够掌握计算机软硬件的一些基础知识，熟悉典型的计算机操作环境、工作平台和软件工具，为将来利用计算思维[1]和计算机技术解决本专业的实际问题打下坚实基础。

一、现有教学模式分析

“大学计算机基础”课程涉及到计算机组织结构、计算机网络与通信、数据库、程序设计、软件开发、多媒体、信息安全等方面的基础概念与原理知识，不但内容繁杂，而且抽象难懂，想要在课堂上用有限的学时把相关问题都讲解清楚并不是件容易的事。究其原因，主要是“教师讲—学生听”的传统模式并不适合“大学计算机基础”课程的内容特点，很容易造成教师讲解方式和学生接受能力之间的偏差。比如，当前以幻灯片为主的多媒体教学方法，虽然可以提供大量的文本、圖片和视频等学习资料，增强了教学内容的生动性，但是对很多抽象复杂的计算机基础理论知识缺乏直观的解释和描述，无法帮助学生增强感性认识，激发起他们的学习兴趣。此外，由于受限于学时、师资、场地、设备等众多因素，很难满足学生在真实环境中动手实践的学习需求，不利于学生理解抽象难懂的理论知识。这种情况在各大高校的计算机基础教学中是普遍存在的。为此，有必要从计算机基础知识的“可学性”和“可授性”这两个方面思考现有教学模式的不足，提出有针对性的教学模式改革方案，并开展教学实践。

二、仿真教学模式的引入

仿真（Simulation）技术就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术，可用于构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象[2]，让学生在虚拟仿真环境中直观感性学习和掌握计算机软硬件系统的理论和实践知识，以便达到教学大纲所要求的教学效果。为此，在已有教学成果基础上，围绕实现原理可视化和实践过程虚拟化两个基本目标，将仿真技术引入“大学计算机基础”课程的内容组织，把计算机组成部件的工作状态和程序运行状态、计算机网络与通信的工作过程、数据库的三级模式结构和映射关系、信息安全防护的基本流程等抽象晦涩的知识点转变成直观的具有动态可变和逻辑演化能力的虚拟仿真演示和互动方式，使抽象难懂的知识对于学生是“看得见，摸得着”，不仅便于学生理解和接受，更有助于学生学习兴趣和动手能力的培养。

三、仿真教学模式的实施

1.整理教学内容，形象化难点知识。“大学计算机基础”课程包含的内容繁杂，需要根据不同知识的特点，参照知识的类别，按照“可视化”和“可交互”两种技术路线，制定相应的仿真教学模式。相关教学难点[3]和仿真教学模式对照情况总结如下。①所谓可视化教学，即在仿真环境中将理论知识直观化和形象化。适用于可视化模式的知识点包括：冯·诺依曼体系结构、计算机系统的基本组成、计算机硬件组装、指令执行过程、数据库的三层模式两级映像、E-R图、数据库设计、音视频数字化、图像数字化等。②所谓可交互教学，即在仿真环境中为学习者提供人机接口，以介入方式更好地理解原理知识，可以随时中断、重复和调整执行过程。适用于可交互模式的知识点包括：二—八—十—十六进制转换、原码—反码—补码求解、进程管理、内存管理、设备管理等。③计算机网络相关知识比较抽象，非常适合可视化和可交互两种教学模式，包括：协议报文封装、子网掩码计算、网络规划设计等。

2.建设仿真资源，具体化抽象知识。借助虚拟仿真技术将“大学计算机基础”中抽象隐晦的知识内容开发成可视化、可交互的仿真教学资源，不但可以直观展示知识的内部原理，而且可以提供外部可操控性。如果能够在各个知识点的探索实践过程中形成虚拟仿真教学资源库，那对课程教学的意义不言而喻。例如，在讲解CPU工作原理时，可以构建一个虚拟的CPU实体，形象地将控制器、运算器、寄存器、数据总线、地址总线、控制总线和主存储器用虚拟仿真的方式体现出来，借助指令的执行过程展示CPU的工作原理。再如，计算机网络强调理论与实践的有机结合，但各种主观和客观原因使得理论教学抽象难懂，实践教学流于形式。eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）是一款由华为提供的免费的、可扩展的、图形化操作的网络仿真工具平台，主要对企业网络路由器、交换机进行软件仿真，完美呈现真实设备实景，让广大用户有机会在没有真实设备的情况下能够模拟演练，学习网络技术[4]。引入eNSP软件作为教学工具进行计算机网络教学的仿真演示，既节省了可观的仪器设备购置费用，也使理论概念变得通俗易懂。图1所示是对一个网络拓扑结构的模拟实现，包含了主机、集线器、交换机、路由器等常见网络设备。在此基础上，可以向学生展示IP地址配置、交换机连接和路由器转发等工作过程，并可以借助Wireshark抓包软件分析协议报文格式，把抽象的分层的计算机网络体系结构直观的展示给学生。

3.开展教学实践，仿真化理论知识。在课堂教学中，教师可以将制作好的虚拟仿真资源单独用于幻灯片中，在讲授的过程中穿插展示虚拟仿真资源，以加强学生对复杂抽象问题的理解和掌握。教师还可以使用交互性的虚拟仿真设计轻便展开教学，大大促进教学互动。学生也可以通过个人电脑上装载的教师提供的虚拟仿真教学资源展开互动学习，不仅便于学生理解和接受计算机系统的原理知识，更有助于培养学生的学习兴趣和动手能力。

四、结语

教学实践表明，将仿真技术应用到“大学计算机基础”教学中，强调知识内容的“可视化”和“可交互”，可以在教学过程中起到事半功倍的作用。“大学计算机基础”仿真教学模式的探索与实践，不仅能够提高课程的教学质量和学生的学习效果，也可为进一步打造高层次的精品课程奠定基础。

参考文献：

[1]林旺.基于计算思维的大学计算机教学研究.中国大学教学，2015年第9期，55-58

[2]刘亚丰，苏莉，吴元喜，等.虚拟仿真教学资源开放共享策略探索.实验技术与管理，2016年第33卷，第12期，137-141，145.

[3]张艳，姜薇.大学计算机基础（第3版）.清华大学出版社，2016.8.1

[4]華为eNSP.

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

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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