基于MOOC的虚拟仿真实验方法探究

李 林， 李凤霞， 兰 山， 余 月

(北京理工大学 a. 计算机学院; b. 实验与设备管理处, 北京 100081)

基于MOOC的虚拟仿真实验方法探究

李 林a， 李凤霞a， 兰 山b， 余 月a

(北京理工大学 a. 计算机学院; b. 实验与设备管理处, 北京 100081)

应用虚拟仿真实验教学手段，对MOOC课程缺失实验教学环节的问题进行了研究。针对计算机公共基础课程，设计开发了3个系列虚拟实验，解决了计算机教学过程中信息演化不可视、计算机微观结构不可及和计算机病毒不可逆等问题。在实际教学中，构建了一套完整的基于MOOC的理论教学与虚拟仿真实验相结合的教学体系，教学实践表明虚拟仿真实验是学生真正理解理论知识并运用于实践的重要保证，达到了良好的教学效果。

虚拟仿真； 实验教学； 慕课； 计算机教学

0 引 言

近年来，大规模开放式在线课程，即MOOC(Massive Open Online Course)，凭借其工具资源多元化、课程易于使用、受众面广、自主参与性强等优势在教育界以破竹之势兴起[1-3]。与课堂教学和传统的网络课程相比较，MOOC具有以下优势：课程公开免费，使学生可以通过电脑、手机等各种媒介资源随时随地进行在线学习，提供了更广泛的教育服务；实现优秀教师资源的高度共享，并进行推广，提升了整体教育水平；讨论区、线上测验与作业、在线考试等互动方式，构建了良好的自我学习、测试平台，有利于培养学生的自主学习性。

然而，就在MOOC集诸多优势于一身，课程愈来愈丰富，选课人数越来越多，几乎得到所有高校竞相呼应的同时，有一个实际问题却日益突出，这就是MOOC无法完成实验教学。对于计算机、物理、电子工程等实践性较强的学科，单纯的理论教学无法满足授课需要。因此，本文通过研究如何用虚拟实验方法支持大规模在线课程，来阐述在新一轮的教育教学改革中，实验教学应该如何设计和配合。

1 大规模在线课程中的实验需求

对于计算机、物理、电子工程等实践性很强的学科，实验教学是整个教学过程中不可或缺的一部分，占有重要地位。在高校实施的教学计划中，实验教学都占据较大比重。例如，我校大学计算机课程，总学时为32学时，其中理论学时为23学时，实验学时为9学时，实验学时占比28%；C语言程序设计和数据结构与算法课程实验学时占比分别为31%和34%。

由于MOOC课程参与人数众多，人员地域分散，如果采用传统实验手段，势必会受到实验场地、实验时间和实验辅导师资等限制。因此如何在MOOC课程中进行实验教学是摆在我们面前的难题。

虚拟仿真实验借助于虚拟现实、计算机仿真、多媒体和人机交互等现代技术手段，通过构建高度仿真的实验操作环境和实验对象，使实验者在虚拟现实环境中完成各种预定的实验项目[4-8]。相较于传统实验，虚拟仿真实验不受时空限制，并且可以完成真实实验设备不具备或难以实现的教学内容。虚拟仿真实验为大规模在线课程中的实验教学提供了实现方法。

2 虚拟仿真实验方法

2012年提出了虚拟实验教学思路，2013年推出了一套面向计算思维培养的教材、一款面向重点难点教学内容的虚拟实验软件以及一个配套教学的数字化资源包，构建了虚拟仿真实验平台，展示了“理论+概念+方法”的全新教学方案[9]。该教学方案已经被国内多家高校采用，将虚拟仿真实验平台与实践教学环节相结合，运用于计算机基础课、计算机导论以及计算机专业课等领域[10-14]。我校分别设计开发了信息演化系列虚拟实验、硬件结构系列虚拟实验和网络安全系列虚拟实验，解决了计算机教学中信息演化过程不可视、计算机微观结构不可及和计算机病毒危害不可逆等传统实验不能解决的问题。

由于信息演化过程不可视，通过传统的实验手段只能观察到结果而无法体现信息流动的动态变化和因果关系。信息演化系列实验把不可视的信息传输过程和算法运行机制用虚拟交互和演示验证的实验方法变得可视、可验证。例如，从键盘输入到屏幕输出是一个基本的信息交互过程。这个过程看似普通，实际上包括了西文字符和汉字字符的输入、查找与显示过程，涉及ASCII码、汉字输入码、国标码、机内码、字形码等多种编码的共同作用。“字符编码与信息变换”虚拟实验[7]通过可视化的方法，直观地展示了字符输入、输出的原理，加深对二进制编码方法和信息交换等技术的理解。

由于计算机的微观结构不可及，导致计算机指令的执行过程、数据溢出、图灵机、内存管理、磁盘文件管理等知识点高度抽象、难于理解。硬件结构系列实验把不可及的硬件微观结构及其运行机制抽象为不同层级的模块，使之可及、可理解。例如，“一条指令的执行过程”虚拟实验[10]，构建了计算机CPU、内存等的实验环境，将涉及计算机指令执行的程序计数器、指令寄存器、通用寄存器、算术逻辑单元、地址总线等不可及的硬件微观结构通过虚拟仿真可视化。同时以加法操作指令为例，通过人机交互的方式，展示了程序分解为指令和指令如何编码、寻址、存储、解码、执行、跳转的全过程。

由于计算机病毒等危害不可逆，木马、蠕虫等计算机病毒一旦爆发不但破坏计算机软硬件，给网络和信息安全带来巨大损失，无法在真实环境中开展实验。网络安全系列实验将具有危害性的操作在虚拟环境中模拟实现，避免真实实验造成损失。例如，“计算机病毒与防火墙”虚拟实验[10]重点涉及计算机病毒的工作原理，传染路径以及基本的防治方法。通过实验了解计算机启动以及程序运行的基本过程；了解病毒感染的主要途径；了解蠕虫和木马的主要工作原理；理解防火墙的基本功能；模拟防火墙的基本规则设置，演示预防网络病毒的原理，从而使学生不仅加深网络信息安全的概念和原理，同时避免了不可逆操作带来的危害。

3 基于MOOC的虚拟仿真实验教学实践

2015年学校整合优质的教学资源和经验，将虚拟仿真实验融合到大学计算机MOOC课程。每一讲的课程内容包括本章导学、本章内容、虚拟实验、知识扩展、软件应用等教学环节[15]，其中虚拟实验环节，可以加深学生对教学重点难点内容的理解和学习。

从开发的虚拟实验平台中选取了9个虚拟仿真实验，与相关的理论教学内容相结合，构建了一套完整的基于MOOC平台的理论与实践相结合的教学体系(见表1)。每个虚拟仿真实验都包括视频讲解、操作指导、实验报告考核、思考题讨论和背景知识介绍等环节。

(1) 通过视频发布教师对实验内容讲解和实验步骤解读，使学生掌握实验目的，总体把握实验内容。

(2) 提供实验软件光盘和MOOC平台上的实验软件模块两种方式，使学生自由选择离线或在线的方式，通过实验指导书中的操作说明，完成实验。例如，“一条指令的执行过程”虚拟实验中的指令译码阶段，虚拟展示了CPU中的硬件微观结构中数据的变化及数据信息流动过程(见图1)。

(3) 配套的数字化资源包提供了实验报告模版，实验报告的内容旨在引导和强化学生理解相应的知识点。表2为“一条指令的执行过程”虚拟实验中指令译码阶段的实验报告内容。

表1 基于MOOC的虚拟仿真实验教学体系

图1 一条指令的执行过程实验指令译码阶段

步骤3 指令译码实验问题实验解答在指令寄存器(IR)中的操作码和两个操作数的内存地址分别是什么？(请分别用六位二进制数和四位十六进制表示)译码在哪里进行？通过哪组总线把该操作传递给RAM？

通过虚拟实验的操作和完成实验报告，使学生掌握指令寄存器存储内容的意义、计算机指令格式及其意义、不同进制数之间的转换等知识点。通过MOOC平台提供的学生互评方式对2个虚拟实验考核，学生在评分之外可以写下反馈意见，以帮助学生更好地了解作业情况，促进学生之间的交流。

(4) 思考题讨论启发学生对实验相关知识点进行更深层次的思考。

(5) 补充实验相关的背景知识，使学生更全面直观地了解知识点，并有助于拓展知识面。

参加本门MOOC课程为27 000人，分别有7 273和7 237人参加了“文件管理磁盘恢复”和“广域网通信与邮件传输”实验的考核，并且都通过学生互评获得了成绩。有9 217人参加了期末考试，6 000余人获得MOOC课程合格证书，1 700余人获得课程优秀证书。总结学生的反馈意见，虚拟实验教学环节强化学生理解重点难点，引导学生进行自主学习，激发对专业知识的兴趣等。

4 结 语

虚拟仿真实验方法充分利用现代信息技术手段，具有建设维护成本低，平台扩展性好，利用效率高等优势。将虚拟仿真实验应用于MOOC教学，能充分发挥两者的优势，坚持开放共享的理念，整合优质的理论和实验教学资源，将学习活动融入到教学中。教学实践表明，虚拟仿真实验是学生真正理解理论知识并运用于实践的重要保证，有效解决了MOOC的实验教学问题，将作为MOOC的一个重要组成部分服务于社会。

教学实践过程中发现通过学生互评方式来进行实验报告的考核，存在不客观的问题，无法真实反映学生对实验报告的完成情况。如果实验报告的考核由教师完成，由于MOOC的大规模特性，参与人数众多，非常耗费时间和精力。因此虚拟实验的报告在线自动评测是一个亟需解决的问题，构建实验报告在线测评系统势在必行。

[1] 伍民友,过敏意. 论MOOC及未来教育趋势[J]. 计算机教育, 2013(20):5-8.

[2] 王文礼. MOOC的发展及其对高等教育的影响[J]. 江苏高教, 2013(2):53-57.

[3] 孙 青,艾明晶,曹庆华. MOOC环境下开放共享的实验教学研究[J]. 实验技术与管理, 2014,31(8):192-195.

[4] 李 平,毛昌杰,徐 进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(11):5-8.

[5] 王卫国,胡今鸿,刘 宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(5):214-219.

[6] 胡今鸿,李鸿飞,黄 涛. 高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(2):140-144.

[7] 祖 强,魏永军. 国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(11):156-158.

[8] 王 森,李 平. 2014年国家级虚拟仿真实验教学中心分析[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(4):82-86.

[9] 李凤霞,陈宇峰,李仲君, 等. 大学计算机实验[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.

[10] 李凤霞,彭远红. 虚拟实验方法全面助力计算机教育教学改革[J]. 计算机教育，2015(17):1.

[11] 张春英,赵艳君,谷建涛. 构建虚实融合的地方高校计算机实验平台[J]. 计算机教育，2015(17):2-5.

[12] 翟宏宇,赵建平,底晓强，等. 基于虚拟仿真平台的计算机网络课程实践教学[J]. 计算机教育，2015 (17):6-9.

[13] 张东生,李 捷,乔保军. 以培养计算思维为导向的大学计算机基础课程分级分类教学[J]. 计算机教育，2015(17):10-12.

[14] 赵 霞,李凤霞,蔡 强, 等. 计算机导论课程的教学改革探索[J]. 计算机教育，2015(17):13-16.

[15] 李凤霞,陈宇峰,余 月, 等. 基于MOOC/SPOC的课程协同建设与思考[J]. 计算机教育, 2016(1):17-18.

Study and Practice of Virtual Simulation Experiment Method Based on Massive Open Online Course

LILina，LIFengxiaa，LANShanb，YUYuea

(a. School of Computer Science; b. Administrative Office of Laboratory and Equipment, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Establishing virtual simulation experiment system is a main way to solve the situation of lack of experiment teaching of MOOCs. We developed three series of virtual simulation experiments to solve problems of invisible information evolution, untouchable computer microstructure and irreversible computer virus for computer general course. We established education system combining with theory teaching based on the MOOC and virtual simulation experiment. The study and practice prove that virtual simulation experiment is a guarantee of improving teaching effectiveness.

virtual simulation； experimental teaching； massive open online course (MOOC)； computer teaching

2016-08-10

李 林(1977-)，男，内蒙赤峰人，博士，讲师，研究方向：虚拟现实与仿真计算、机器学习。

Tel.:13520569181; E-mail:lilin@bit.edu.cn

TP 391.9; G 642

A

1006-7167(2017)04-0111-03