大学计算机课程虚拟仿真实验设计与应用探析

王永真 张铃丽

摘要：针对目前在机器设备、实验场地、教学方式等方面受限的问题，文章提出了一种大学计算机课程虚拟仿真实验设计实施路径。该设计的核心要点是符合学生内在驱动和大学计算机课程特点。该设计是以学生为中心的教学方法，激发学生的学习兴趣和积极性。通过实践操作，学生能够在实验中积累经验，加深对计算机技术理论的理解和掌握。

关键词：大学计算机；虚拟仿真实验设计；实践能力

中图分类号：G642     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0095-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

1 大学计算机课程虚拟仿真实验设计的特点

虚拟仿真实验是信息技术和学科专业高度交融的产物，借用3D虚拟现实技术来模拟实物场景，用作计算机辅助教学软件[1]。虚拟仿真实验具有以下四个特点：①真实性：通过实例练习，将抽象的知识点和概念形象化、具体化，让学生能够切身体验真实场景，以便快速理解和掌握理论知识。②互动性：相对于传统的单向、垂直的教学模式，虚拟仿真实验提供了教与学的双向互动。学生和老师都可以随时随地表达自己的想法和建议。在教学过程中，师生之间以自主学习为主导，并在教师的悉心引导下进行。③成本低：虚拟仿真实验教学设计能够极大地降低物理实验室、物理实验设备和实验耗材的投入，节约了人力、物力和财力成本。④可重复性：在虚拟仿真实验教学平台上，若学生在代码输入或参数设置上出现错误，不必担心，可以随时调整参数，重新输入代码，以获得所需的结论。

2 大学计算机课程虚拟仿真实验设计实施路径

为了充分发挥大学计算机课程虚拟仿真实验教学的作用，应该建立创新教学管理机制，在教学内容、方法、手段及范式等方面进行创新，同时搭建完整的公共基础虚拟仿真实验教学体系。改革应着重关注以下四个方面。

2.1 设计思路

1）基于大学计算机课程实验内容的特点，考虑到现实教学环境和现行教学方法所面临的挑战，准确评估虚拟仿真实验的可行性以便科学地选择适用的实验项目，避免脱离实际实验的实质。因此，可以采取“虚实互补”的方式，加以结合，以充分发挥实验和仿真实验的长处，有效完成实验任务和课堂教学。举例来说，在需要进行硬件拆装维护等基本技能实操类实验时，由于实验设备和场地无法全员覆盖，以及对于那些不能在高等教育机构内构建真实场景或难以进行实际实验的信息设备和项目，应采用虚拟仿真实验教学的方法进行有效教学，以实现虚拟与真实内容的有机结合，充分发挥实验教学的价值和优势，从而实现高质量的教学效果。

2）知识内化。为了取得更深层次的课程理解，采用了一种针对特定学习任务的创新方法，即以“基于问题的引导、有针对性的知识注入、整化学习的增量设计、依需求选择性排列组合课程内容”为原则进行，旨在帮助学生理解理论知识、熟悉各种信息化设备的基本原理、结构与操作流程以及培养做出复杂应用实现的灵活运用知识和技能的教学设计[2]。同时，学生也参与虚拟计算机博物馆活动，从而更加全面深入地理解计算机硬件系统的体系结构。

3）以激发内驱力为导向。内部驱动力，作为一种心理激励和倾向，旨在唤醒学生的学习积极性并激发其潜能[3]。通过扩大激励措施，鼓励学生克服困难，展现才能，融入并积极参与他们所认为具备重要性和价值的使命，从而获得最终的成功。学生的内驱力是促使其主动进行学习的基本动力。因此，在实验过程中激发学生的内驱力将带来更加显著的训练成效[4]。为此，在虚拟仿真实验中提出了一系列创新的练习模式，如“逐级闯关”“多人比武”和“社区互助”，并且在实习过程中融入“竞争”元素，指导学生完成课题，在纸面上谈兵的传统方式上增补了沙场实战的内容。此外，这种具有创新及挑战性的实习方法激发了学生参与本课程中的热情，也增强了他们自身的解决问题的内在动力，为他们建立合理的全面把控技能。

4）培养“通用”计算思维能力。大学计算机课程的受众群体包括多个学科领域的学生。不同领域的学生对计算机知识在未来学习和工作中的重要性持有不同的观点。鉴于学生的需求，大学计算机课程把“计算思维”提出来作为解决问题的一种有效工具，此项研究致力于培养学生的计算思维能力，并尤其注重加强其相关思维技能的训练。在进行虚拟仿真实验设计方面，采用了递归的方法来帮助学生学习、掌握并应用计算思维。从方法论的角度出发，最初阶段需要设计一个具体而又简明扼要的应用场景，以便学生能够通过该场景实践并掌握计算思维的关键要素，并深入理解计算思维的内涵。一旦学生对基础概念形成深刻理解，便能够展开对更为复杂场景的应用构建，来促使学生建立起有效的“计算思维”实力，从而能够自行运用这些思维来解决实际问题。

2.2 场景与模块设计

根据大学计算机课程实验教学的要求，本虚拟仿真实验通过三维建模、云计算、自动评测等技术构建了四个实战性的模块：构建计算机硬件系统、交换信息的字符编码、执行单个指令的流程以及网络传输和邮件传送等，皆包含在内，这些实验课旨在利用虚拟仿真的优势，打造出更加实在的教学实践。这个实验支撑体系项目在信息技术通识到信息系统软硬件理论再到智能无人装备应用的过程中提供强有力的支持。它不仅适用于大学计算机课程，还能为计算机编译原理、计算机网络、人工智能等其他课程提供宝贵的实验支持。为便于老师挑选，组织实验操作步骤时照顾了相关性、阶段性以及易于脱离原则，在实验过程中，每一個实验步骤都承载着相应的实验操作步骤，其在实验研究中担任着至关重要的职责。

2.3 教学方法

本次虚拟实验采用“逐步增强、多关卡及差异化”的方式，重点在于让学生通过设计、自主操作及自动评估的形式来增强操作能力及发展创新思维。

1）闯关式。借助突破创新的思维模式，采取了一种融合游戏化元素的闯关教学方式，通过将原本琐碎的学科细分内容融入一个具备纵向进阶特性的实验过程中，以迎合当代年轻学子在信息技术实践经验中形成的思维模式。此外，通过将理论、实验和科学应用等结合起来，这种新的教学模式不但能帮助激发学生学习兴趣，同时也能发挥他们的综合实践能力。阶段性实验以分步骤的方式指导学生从初学基础走向深入研究专业知识，而教学引导项目则通过逐级提高的方式培养学生的学习动力，帮助提高学习效果和增加学习体验。以“冯·诺依曼体系结构及工作原理”为例，设计了三个难度层级，共设有十二个实验关卡，包括“冯·诺伊曼体系结构软件模拟”“基本指令模拟”和“完整指令集验证”。通过逐级闯关、不断挑战，学生能够将所学知识运用到实践中，并逐渐内化为自己的能力。

2）多路径。为了迎合学术领域的多样性以及学生个体学习特征的差异，教职人员有能力在线教学模式下，构建多个教学班级，以满足课程大纲的基本要求。在这些班级中，教师可以巧妙地设计和配置不同的实验入口，以满足学生们个体化的学习需求。此外，还可以个性化地定制实验教学进度和教学要求，以适应不同学生的学习进度和能力。

3）差异化。旨在强调虚拟仿真实验教学的意义，重点对学生个体差异性的重视，推崇个性发展和普及技能统一发展。同时提出了虚拟仿真实验技术在创新教育中担负的重任，以助力个性发展。根据学生特点施教，激励具有特长的学生脱颖而出，并培养出拔尖创新人才[5]。

2.4 应用实践

通过设备认知、虚拟实操、原理进阶和问题求解这四个巧妙设计的层次，在线实验平台旨在以高效的方式支持实验教学活动，并为用户提供虚拟仿真实验的设计。首先，平台通过设备认知层次，让学生对实验所需的设备进行了解和认知，使其能够准确地操作实验设备。其次，通过虚拟实操层次，学生可以在虚拟环境中进行实际的实验操作，从而加强他们的实操能力和技能。在原理进阶阶段，学生将加深对实验的基本原理和相关理论的理解，从而提升他们对实验背后原理的认识和灵活运用的能力。而在问题求解阶段，学生会被挑战去解决一系列挑战性的问题，运用他们的分析和解答能力，以及创新的思维去解决这些问题，以培养他们的问题解决能力和创造力。在线实验平台的设计目的是满足实验教学过程中的分层和递进性需求，采用分级设计和提供虚拟演示实验，让学生深入了解实验知识和技能，同时也可以培养出优秀的实验实践技能。

1）计算机系统组成和维保设备的认知环节

通过虚拟仿真系统，学生可以研究各类数据中心计算机维保设备与系统，有效掌握图示、架构及零件参数等相关知识。在学术探究中，遵循全局认知优先、细节关注次之的认知序列是被推崇的做法，因为它有助于学子更深入地理解和掌握知识要点。一种高效的方法是通过提供编程练习和试题，以实时测评学生对核心知识的运用能力。

2）虚拟设备实操验证环节

在虚拟数据中心场景下，应该设定任务目标，并进行闯关式快速硬件环境的组装和搭建实验。这些实验将模拟通用计算机维保装置、字符编码等关键信息化装备的使用。通过立体拆装和多视角观察，学生可以体验仿真实装现场，并运用代码和提示进行反复练习。

3）微观视角的原理学习和设计环节

使用三维可视化软件基于数据驱动，本系统可使用户更直观地洞悉信息系统里的数据流及指令流的运作过程，以及这一运作的实现技术原理；学生可以搭建计算机系统，将宏观知识与这种软件模拟方法相结合，锻炼计算思维，巩固所学知识，达到将知识更加深入内化。

4）实际想定任务的问题求解环节

通过运用专业的编程技术、数据结构和人工智能算法，实现对汇聚系统中任务执行的目标。同时，能够根据传感器获取的实时信息以及实地任务执行情况，做出相应的反馈。在实验过程中，设置了一系列可调整的参数，供学生使用。这些参数的调整是根据计算机硬件设备的组装情况进行的。反过来改进参数、算法设计，终将实现原先的目标。在这一阶段，仍然可以积极参加比赛模式，以促进它们的优化设计能力。值得注意的是，这个实验平台拥有自动化评价能力，省去了复杂繁琐的人工评估环节。同时，导师和助教可以通过平台后台的追踪数据，有效提升实验指导质量。此门课程有助于有效地支持融合式教学模式，包括虚拟与实体相结合的学习方式以及线上与线下相结合的教学方法。

3 虚拟仿真实验教学的实践意义与反思

3.1 实践意义

目前，大学计算机课程的虚拟实验是在云服务支持下进行的，目的是支持大规模的在线课程实验应用，并与MOOC平台进行整合。为了满足要求，学校正与众诚公司合作开发人机交互设备，包括电脑和手机，以确保虚拟实验能够同时在PC端和移动端上进行。因此，大学计算机课程的虚拟实验设计将抽象的问题具体化，让学生通过实际体验来探索问题，并了解信息流的执行过程、计算机病毒攻防过程、Excel数据分析流程、网络接口技术等难以触及和感知的问题。这样的设计丰富了授课过程中实验内容的体系。与其他的PPT和動画演示方法不一样，虚拟实验可以增加人与计算机之间的交互功能，以此来更深刻地掌握易碎且复杂的知识。目前，已经初步实现了部分大学计算机课程实验设计的题目。相信在信息化背景下，“线上+线下”混合式教学中，这种虚拟仿真实验教育教学模式将发挥重要的作用，并丰富教育教学的内容。

3.2 教学反思

许昌学院是一所地方应用型高校，其基于教学资源、教学环境和师资力量等多种因素而达到的教学质量是可圈可点的。但鉴于学校普遍采用的大班教学方式反思中未充分关注学生个体情况，因而存在课堂分心问题，注意力无法全身心地投入，从而难以引发学习兴趣。教育过分关注直接的物质收益，忽视了社会和学生更大的需求；学校过度侧重于软件应用能力的增强，却疏忽了思维与创新能力的培养，导致学生的思维模式陷入了固定的范式中，对于推动全面深化的教育改革缺乏积极助推的作用。

4 结束语

在信息化的背景下，越来越多的课程开始引入虚拟仿真技术。该先进的技术具备令人着迷的全身投入式体验效果，具有极大地增强课堂教学效能的潜力。同时，虚拟仿真技术可激发学生创新思维并拓展他们的思维能力，作为塑造学生成长的重要助推因素。

参考文献：

[1] 徐卫，陈琦，叶阳，等.计算机虚拟仿真实验教学资源建设[J].计算机教育，2020（5）：118-122.

[2] 苗露，马丽.混合式教学模式在大学计算机基础实验课程改革中的应用[J].科学与信息化，2021（26）：132-134.

[3] 周围，许宏丽，王移芝，等.智能·赋能：大学计算机基础实验教学研究与践行[J].计算机教育，2022（4）：65-69.

[4] 梁洁.面向问题解决能力培养的大学计算机基础实验教学改革探索[J].现代计算机，2020（31）：88-91.

[5] 陈健，姜纪沂，于晓辉，等.基于虚拟仿真技术的防震减灾基础实践教学资源建设的探索[J].实验室研究与探索，2018，37（9）：224-226，281.

【通联编辑：梁书】