虛擬實(shí)驗(yàn)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課中的應(yīng)用

杜麗美，王文溥，李艷玲

（長治學(xué)院計(jì)算機(jī)系，長治 046011）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國高校的教學(xué)模式已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的教學(xué)方式了，新的時(shí)代不斷推動我們改變以往的教學(xué)模式，為此大學(xué)教師們紛紛探索適合新時(shí)代大學(xué)生的教學(xué)模式[1-2]，這期間出現(xiàn)了很多自主學(xué)習(xí)的平臺，如中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、百度傳課、超星學(xué)習(xí)通，等等，另外為了在課堂上使學(xué)生充分理解相關(guān)的理論內(nèi)容，出現(xiàn)了各種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，目的是讓學(xué)生在真正的動手操作基礎(chǔ)上學(xué)會課本內(nèi)容，虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂能夠起到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的作用，而且將理論內(nèi)容與實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合可將抽象的問題具體化、可視化，本文就以虛擬實(shí)驗(yàn)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課上的應(yīng)用為例來介紹該課程改革思路。

1 《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程現(xiàn)狀

長期以來我校的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課的授課重點(diǎn)為Office 三大組件的應(yīng)用，隨著時(shí)代的發(fā)展，近年來多數(shù)初高中的信息技術(shù)課程中已經(jīng)涵蓋了Office 三大組件的基本操作問題，圖1 所示的曲線圖為學(xué)生剛步入大學(xué)后對學(xué)生的有關(guān)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識的測試（包括Windows 基本操作、Word、Excel、PowerPoint），圖 1 表明多數(shù)學(xué)生或多或少已經(jīng)有了基本的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識和基本操作素養(yǎng)，為了培養(yǎng)應(yīng)用型需求的人才以及培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，需要當(dāng)代的大學(xué)生除了能夠熟練使用Office 辦公軟件之外，還需要了解計(jì)算機(jī)其他方面的知識。

圖1 不同專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識測試成績

2 虛擬實(shí)驗(yàn)簡介

如今的教學(xué)需要引入大量教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但是有些授課內(nèi)容本身就比較抽象，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)更是無法用實(shí)物模擬，例如計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU 與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)的交換、數(shù)制在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)換等問題，因此必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)來解決此問題，另外如果單是從硬件上引入實(shí)驗(yàn)器材等設(shè)備，還會面臨資金不足、實(shí)驗(yàn)場所不夠、設(shè)備維修老化等問題，正因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式有這些缺點(diǎn)，我們必須轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)方法，虛擬實(shí)驗(yàn)[3-4]是當(dāng)前各大高校探討的熱點(diǎn)問題，在課程中引入虛擬實(shí)驗(yàn)的好處如下：

（1）將一些抽象問題具體化，通過虛擬實(shí)驗(yàn)最終使學(xué)生掌握理論知識。

（2）減少資源的浪費(fèi)現(xiàn)象。

（3）避免因?yàn)槿藬?shù)過多而缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)機(jī)房的問題。

（4）一切設(shè)備都是虛擬出來的，這會增加學(xué)生的好奇心，有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和計(jì)算思維能力。

（5）虛擬實(shí)驗(yàn)可以跨時(shí)間和地區(qū)進(jìn)行，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更加自由，有助于幫助學(xué)生合理利用時(shí)間。

（6）由于《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課面向全校學(xué)生授課，學(xué)生各方面的能力[5]參差不齊，通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對理論內(nèi)容的理解。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課中的應(yīng)用

為了滿足應(yīng)用型人才發(fā)展的需要，以及培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力[6]，我們在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課中除了講Office 以外，還需要向?qū)W生介紹如下幾個方面的內(nèi)容：計(jì)算機(jī)工作原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識、Internet應(yīng)用、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、程序設(shè)計(jì)以及在條件允許的情況下引入圖像處理技術(shù)和動畫制作技術(shù)，等等，這些內(nèi)容有很多都比較抽象，所以在授課過程中要輔以虛擬實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生對理論內(nèi)容的理解。表1 所示為《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程需要引入的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型的不同可以分為：驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、交互型實(shí)驗(yàn)、演示型實(shí)驗(yàn)、操作型實(shí)驗(yàn)等類型，其中實(shí)驗(yàn)1、2、3、4、8、9 需要采取虛擬實(shí)驗(yàn)的方式來完成，實(shí)驗(yàn) 10為編程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn) 5、6、7、11、12 為對具體應(yīng)用軟件的使用，下面簡要介紹部分虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝮w現(xiàn)出的教學(xué)內(nèi)容。

表1 相關(guān)實(shí)驗(yàn)名稱

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)工作原理中的應(yīng)用

學(xué)生認(rèn)識了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)后，還需要對計(jì)算機(jī)的基本工作原

理有所認(rèn)識和了解，計(jì)算機(jī)的工作過程其實(shí)就是運(yùn)行程序指令的過程，在這個過程中CPU 要不斷地通過各種總線與內(nèi)存進(jìn)行信息的交換，為了讓大家清楚地認(rèn)識這個過程，我們可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)[7]來進(jìn)行，圖2所示的虛擬實(shí)驗(yàn)完成了兩個數(shù)的加法運(yùn)算，通過此實(shí)驗(yàn)大家可以更加深刻地認(rèn)識計(jì)算機(jī)內(nèi)部是怎樣進(jìn)行取指令、指令譯碼、取數(shù)據(jù)以及完成最終的運(yùn)算的，而且也能夠深刻地認(rèn)識CPU 的兩大部件的功能。此外還可以借助此虛擬實(shí)驗(yàn)給大家解釋計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各種進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換過程。

圖2 計(jì)算機(jī)工作原理

圖3 計(jì)算機(jī)內(nèi)部的加減法運(yùn)算

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)在數(shù)制編碼及數(shù)制運(yùn)算中的應(yīng)用

對于進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換以及運(yùn)算問題，可以借助圖3的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，此虛擬實(shí)驗(yàn)分別展示了十進(jìn)制的正數(shù)和負(fù)數(shù)如何變成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，并且轉(zhuǎn)換為反碼、補(bǔ)碼進(jìn)行加減法運(yùn)算的。

圖4 設(shè)備之間的連接

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

有關(guān)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識有很多，其中在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)方面、網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)設(shè)備方面可以引入虛擬實(shí)驗(yàn)，圖4 借助Cisco 組網(wǎng)軟件，可以給大家演示分別使用不同的連接設(shè)備組建的局域網(wǎng)的區(qū)別，圖4（1）采用集線器為連接設(shè)備連接四臺主機(jī)，連接線使用直通線；圖4（2）采用交換機(jī)作為連接設(shè)備，連接線為直通線；圖4（3）是兩臺主機(jī)直接相連，連接線為交叉線。分別為這三種網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)配置IP 地址，并且使用Ping 命令測試每種組網(wǎng)下的主機(jī)之間是否處于連通狀態(tài)，還可以使用Cisco 軟件中自帶的捕獲/轉(zhuǎn)發(fā)功能，觀察數(shù)據(jù)在線路上的傳輸過程。借助本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直通線和交叉線的區(qū)別，集線器和交換機(jī)的區(qū)別，IP 地址的使用，以及測試網(wǎng)絡(luò)是否連通的Ping 命令。

3.4 虛擬實(shí)驗(yàn)在其他理論內(nèi)容中的應(yīng)用

介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成這部分內(nèi)容時(shí)，為了讓學(xué)生切身感受計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備，最好的方法還是采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，這樣極大地減少了時(shí)間和空間的浪費(fèi)。介紹圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲時(shí)，一味地進(jìn)行理論介紹會使得抽象的內(nèi)容變得更復(fù)雜，輔以虛擬實(shí)驗(yàn)，從最簡單的黑白圖像可以表示成一個0、1 矩陣開始，逐步讓學(xué)生輕松地領(lǐng)會各種圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲問題。在介紹郵件的收發(fā)這部分內(nèi)容時(shí)，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識郵件服務(wù)器的概念，以及發(fā)送和接收郵件的協(xié)議等理論內(nèi)容。

4 考核方式與教學(xué)效果分析

在考核方式上為了突顯學(xué)生在每個階段的學(xué)習(xí)情況，注重學(xué)習(xí)的過程而不是最終的考試成績，這里采用的考核方式為:階段測試+期末考試的形式，其中階段測試分為三次測試，分別測試每部分的教學(xué)效果以及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；期末考試采用無紙化機(jī)試的形式，題目類型有選擇題、Windows 基本操作題、打字題、Word、Excel、PowerPoint 六種題型，學(xué)生登錄系統(tǒng)后隨機(jī)抽取一套題進(jìn)行測試，避免了抄襲現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也為教師減輕了批卷的負(fù)擔(dān)。

將本文中提出的課改思路和考核方式直接應(yīng)用在法學(xué)專業(yè)的兩個班中（每班人數(shù)均為49 人），其中在法學(xué)一班的授課中引入虛擬實(shí)驗(yàn)，在法學(xué)二班的授課中不引入虛擬實(shí)驗(yàn)，通過一個學(xué)期的授課，在最終的期末考試結(jié)果中進(jìn)行比較，通過表2 和圖5 發(fā)現(xiàn)引入虛擬實(shí)驗(yàn)的班級的教學(xué)效果明顯優(yōu)于沒有引入虛擬實(shí)驗(yàn)的班級，說明本文提出的課改思路是有效的，并且可以在全校范圍內(nèi)推廣實(shí)施。

表2 成績比較

圖5 法學(xué)一、二班成績比較

5 結(jié)語

本文提出的課改思路主要是借助虛擬實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理論內(nèi)容，從而達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，這對培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和計(jì)算思維能力是非常有幫助的，因此今后還要在虛擬實(shí)驗(yàn)上多下功夫，爭取找到或設(shè)計(jì)出更多的虛擬實(shí)驗(yàn)來輔助課堂教學(xué)。