高校計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究

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摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，意圖通過創(chuàng)造“虛擬仿真環(huán)境（程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）+實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決方案來彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，通過“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，來達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。文章從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)兩方面對計(jì)算機(jī)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)進(jìn)行闡述，并總結(jié)和反思了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義和需要改進(jìn)之處。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；計(jì)算機(jī)專業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2018年5月30日，教育部為了貫徹黨的精神，適應(yīng)信息化條件下知識(shí)獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，經(jīng)研究，決定開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作[1]。近年來，隨著現(xiàn)代化的多媒體技術(shù)、軟件仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又稱VR）技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，越來越多的國內(nèi)外從事教育工作的學(xué)者認(rèn)識(shí)到以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，從而將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)現(xiàn)代信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以產(chǎn)生、發(fā)展并廣泛地應(yīng)用于日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其實(shí)，隨著“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”這個(gè)概念的的提出，目前很多高校成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了良好效果。國外在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)這方面明顯領(lǐng)先于我國，國外高校相繼開發(fā)并使用了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。ClarksonUniversity研發(fā)了虛擬電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)供學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和習(xí)題練習(xí)，具有自動(dòng)批改和指導(dǎo)等功能。德國魯爾大學(xué)開發(fā)了VirtualControlsLab，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以場景逼真和可操作性強(qiáng)為設(shè)計(jì)原則，包含了多個(gè)典型的工程控制類實(shí)驗(yàn)。為了響應(yīng)教育部的號(hào)召和學(xué)校自身發(fā)展的需要，我校計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的教研團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身的辦學(xué)定位和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并在研發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容。程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)目的主要是針對軟件程序設(shè)計(jì)語言類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該平臺(tái)能夠虛擬出一套與真實(shí)語言環(huán)境相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)語言編譯和運(yùn)行環(huán)境，從而能夠檢驗(yàn)學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中已經(jīng)掌握的專業(yè)知識(shí)的程度。程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)功能模塊：登錄模塊、教學(xué)模塊、學(xué)生在線自測模塊。⑴登錄模塊：登錄模塊主要包括登錄和注冊兩個(gè)子功能。首先是后臺(tái)管理員以班級為單位進(jìn)行注冊用戶名并設(shè)置登密碼，然后學(xué)生即可進(jìn)行登錄。⑵學(xué)生在線自測模塊：學(xué)生在線自測模塊主要包括實(shí)驗(yàn)練習(xí)和實(shí)驗(yàn)測試兩個(gè)子功能。實(shí)驗(yàn)練習(xí)模塊中含有大量的程序設(shè)計(jì)的練習(xí)題，供學(xué)生平時(shí)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)測試模塊中含在一定量程序測試題目，主要用來檢驗(yàn)學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)語言的效果和能力。⑶教學(xué)模塊：教學(xué)模塊主要包括題庫資源上傳、實(shí)驗(yàn)報(bào)告下載、實(shí)驗(yàn)進(jìn)度查詢、實(shí)驗(yàn)成績名次查詢和實(shí)驗(yàn)相似度功能。首先由教師將要用于實(shí)驗(yàn)測試的題庫資源上傳到后臺(tái)，學(xué)生一旦提交將測試題目提交后，教師能夠在后臺(tái)查詢到每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度得到一個(gè)綜合的成績排名。教師將學(xué)生提交的代碼在后臺(tái)進(jìn)行一個(gè)簡單的相似度，可以大致判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率。當(dāng)學(xué)生完成所有的實(shí)驗(yàn)測試題目后，教師可以在后臺(tái)將學(xué)生提交的代碼進(jìn)行下載，以此作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績的評定標(biāo)準(zhǔn)之一。1.2程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建采用三層B/S結(jié)構(gòu)。第一層為表示層是用戶與整個(gè)平臺(tái)的接口，本層的功能主要是通過瀏覽器將平臺(tái)的內(nèi)容完整的展示在用戶面前。第二層也就是業(yè)務(wù)邏輯處理層，該層的主要功能是用服務(wù)器的調(diào)用第三層的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成用戶所需的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)將用戶的實(shí)驗(yàn)程序和結(jié)果提交到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。第三層是數(shù)據(jù)處理層，存儲(chǔ)用戶所需的各種數(shù)據(jù)信息，為平臺(tái)提供需要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建該平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2所展示的是在Web環(huán)境下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，圖3所展示的是根據(jù)學(xué)生做題的速度和準(zhǔn)確率的綜合排名。

2基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)“線上線下混合式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。程序設(shè)計(jì)語言類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前主要是以學(xué)生以班級為單位在機(jī)房上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主。這里以C語言程序設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例。C語言是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的入門語言，是學(xué)科“基礎(chǔ)的基礎(chǔ)”,C語言的作用和地位是位于所有計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科的根部。傳統(tǒng)的C語言的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指在計(jì)算機(jī)上安裝vc++6.0的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生在機(jī)房按照實(shí)驗(yàn)題目的要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，然后運(yùn)行程序，得到結(jié)果。所謂“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)一定量學(xué)時(shí)的利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)類虛擬實(shí)驗(yàn)，主要是利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在web上模擬出真實(shí)的C語言程序設(shè)計(jì)的編譯和運(yùn)行環(huán)境。而虛擬實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)題目主要來自于ACM程序設(shè)計(jì)大賽的訓(xùn)練題目。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要是驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，而增設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)主要是以設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)為主，并在一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)的難度和復(fù)雜度。增設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)的目的主要是加強(qiáng)學(xué)生對C語言程序設(shè)計(jì)的綜合能力?！熬€上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的提出，能夠鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生完成從“基礎(chǔ)設(shè)計(jì)”到“綜合設(shè)計(jì)”能力的轉(zhuǎn)變。2.2設(shè)計(jì)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?！疤搶?shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是指將虛擬仿真軟件與硬件設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬件語言程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐相結(jié)合的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，例如數(shù)字系統(tǒng)、HDL課程等。這里以HDL課程為例。“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的HDL實(shí)驗(yàn)課程的第一階段，是利用軟件ModelSim進(jìn)行仿真。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生在虛擬仿真軟件ModelSim上利用HDL語言進(jìn)行硬件程序設(shè)計(jì)?！疤搶?shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的HDL實(shí)驗(yàn)課程的第二階段，主要是學(xué)生根據(jù)在虛擬仿真軟件ModelSim上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容和結(jié)果來完成硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。⑴“線上線下混合式”和“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式填補(bǔ)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的空白?！熬€上線下混合式”和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究成果是經(jīng)過從計(jì)算機(jī)專業(yè)課設(shè)置的特點(diǎn)到實(shí)驗(yàn)課需要學(xué)生具備的實(shí)踐能力所提出的，經(jīng)過深入調(diào)研、總結(jié)思考、全面規(guī)劃的研究成果具有創(chuàng)新性和可行性，填補(bǔ)了高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的空白。⑵程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與推廣，國內(nèi)領(lǐng)先學(xué)生登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)和測試，平臺(tái)的設(shè)計(jì)與推廣主要針對高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義與反思

4.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義。程序設(shè)計(jì)語言類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自2018年9月投入使用，截止至今，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要支持大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐意義主要體現(xiàn)大豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?！熬€上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是對平時(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和延伸。而設(shè)計(jì)“線上線下混合式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，極大的改變和豐富了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。4.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思。我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施與推廣，雖然得到了在校師生的熱烈反響和高度評價(jià)，但反思虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，主要從以下兩個(gè)方面改進(jìn)。⑴虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要“軟硬結(jié)合”，發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的最大作用有關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍需建設(shè)，如何將程序設(shè)計(jì)語言類與硬件類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效的融合，以最大限度的發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的最大效用仍是我們所面臨和需要解決的問題。⑵要不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的建設(shè)隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、慕課、微課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等概念的提出和實(shí)行，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生做”的授課模式而逐步向信息化教學(xué)轉(zhuǎn)變。因此需要實(shí)驗(yàn)教師不斷地更新自己的現(xiàn)代教育理念，運(yùn)用現(xiàn)代化、信息化的手段或工具來豐富自己的實(shí)驗(yàn)課堂，滿足信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多種需求。

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作者:孫慧然 王紅梅 單位:長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院