李海生　陳紅倩　李越輝　史樹敏

摘要：針對大學計算機基礎課程課時量減少、沒有適宜實驗體系的問題，分析課程教學現(xiàn)狀，提出設計開發(fā)先進的虛擬實驗平臺，依托先進教育技術進行大學計算機課程教學改革；闡述虛擬現(xiàn)實技術在計算機基礎教學中的作用，說明借助平臺進行教學過程實施和實驗設置的可行性與優(yōu)越性以及教學方法與技巧；分析基于平臺的教學效果及優(yōu)勢，總結先進教育技術對教學改革的支撐作用。

關鍵詞：教學改革；虛擬實驗；教育技術；計算機基礎教學

0 引言

大學計算機基礎課是大學教學中的一門重要課程，在教育部各專業(yè)教學指導委員會的建議課程目錄中，大學計算機基礎課是與大學英語、大學數(shù)學和大學物理相并列的基礎課程。

隨著計算機的普及和中學計算機課程的開設，越來越多的大學生在入學時就已具備一定的計算機知識，對計算機基礎課程現(xiàn)有教學內容的興趣越來越低。無論是一線教師還是教學管理部門都有一種危機感——大學計算機課程改革已刻不容緩。

1 大學計算機基礎課程的現(xiàn)狀

1）課程有其不可替代的重要性，但課程的受重視程度卻急劇下降。

大學計算機基礎課程是大學生入學后接觸的第一門計算機課程，對于接觸計算機較少的學生來說，它是一門使其快速彌補計算機知識和掌握后續(xù)學習所需要的計算機技術的課程。然而越來越多的大學生在入學時就已具備一定的計算機知識，因此，眾多教育管理者，甚至一些專業(yè)課的任課教師都認為，這門課程的必要性已經大大減弱。

在課程改革的大背景下，各個專業(yè)對于大學計算機基礎課程的學時進行刪減。以北京工商大學為例，在大一上、下兩學期均設置大學計算機課程，每學期為68學時，兩學期共136學時。2012—2013年，北京工商大學各個專業(yè)都對大學計算機基礎課程進行了大刀闊斧的刪減，絕大多數(shù)專業(yè)將課程壓縮為一學期，總學時壓縮為51學時，壓縮了近2/3。這使得以往的教學方法、教學過程無法進行，課程不得不進行深度改革。

2）課程的教學實踐環(huán)節(jié)所占比重大，但缺乏有針對性的實驗體系。

大學計算機基礎課程的教學環(huán)節(jié)是以面向專業(yè)需求為出發(fā)點，注重專業(yè)實踐，所以大多數(shù)高校的計算機基礎課程實踐環(huán)節(jié)所占的比例很大。

以北京工商大學為例，課程在改革之前實踐環(huán)節(jié)為68學時，在課程改革過程中，兩學期的課程總量為51學時，其中34學時為課堂講授環(huán)節(jié)，17學時為實踐環(huán)節(jié)。教務處允許計算機基礎類課程按1：1配置課堂延續(xù)教學，這樣可以配置的延續(xù)教學量達到5l學時（均用于實踐）。在“課內+延續(xù)教學”的102學時中，實踐學時數(shù)占到近70%。據不完全統(tǒng)計，目前很多高校的大學計算機基礎課程已經全面改為在機房授課。

在課程分析與調研過程中，我們發(fā)現(xiàn)課程的實踐環(huán)節(jié)主要是“實踐”而非“實驗”，這與計算機課程目標中圍繞“計算思維能力培養(yǎng)”的總體目標不相符。“實踐”環(huán)節(jié)旨在于對已有知識的理解、鞏固和熟練掌握，而“實驗”則應注重對已有知識的驗證，突出對未理解未掌握知識的再學習以及對知識體系的探索。課程沒有為各個專業(yè)建立有針對性的實驗體系，甚至沒有建立課程自身的實驗體系，大學計算機基礎課程必須進行改革。

2 虛擬現(xiàn)實技術支持的大學計算機基礎課程改革

2012年4月，教育部頒布《關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高[2012]4號），很多高校開展了人才培養(yǎng)大討論。在此背景下，大學計算機基礎教育也必須順勢而為。

導致計算機基礎課程實踐環(huán)節(jié)作用不理想的原因主要有以下兩個方面。

首先，大學計算機基礎課程畢竟只是一門課，課時量有限。面對剛入學的本科生，要想在有限的課時內，將計算機的理論和技術甚至是相關知識講清楚，并引導學生學習和探索，這基本是一個不可能完成的任務。

其次，計算機領域的新技術不斷涌現(xiàn)，從前些年的網格計算和在線服務，到今天的大數(shù)據、云計算、物聯(lián)網等，這些新技術要想引入到課堂中，除需要教師擁有相應的知識儲備外，還需要配備大量的硬件和軟件。對于學生數(shù)動輒上千人的計算機基礎課程來說，為每一名上課的學生配置這些設施環(huán)境并不斷更新，也幾乎不可能實現(xiàn)。

因此，大學計算機基礎課程就不得不在有限的資源條件下，盡可能地講解學生能掌握的、又對學生有用的操作類知識。

2.1 虛擬實驗的優(yōu)勢與創(chuàng)新性

在對文獻[5]的研討過程中發(fā)現(xiàn)，通過虛擬現(xiàn)實技術支持的教學環(huán)境和實踐環(huán)境，恰恰可以解決長期以來大學計算機基礎教育只有“實踐”而無“實驗”的困境。相對于真實的硬件設施，虛擬現(xiàn)實技術支持的教學過程與實踐過程具備如下幾個優(yōu)勢。

（1）虛擬現(xiàn)實技術能夠在不給真實系統(tǒng)造成損失的前提下，給予學生充分的嘗試自由度，可以引導學生進行自主實踐，通過各種不同的嘗試驗證所學知識，從而實現(xiàn)基于案例的學習。

（2）虛擬現(xiàn)實技術能夠給學生提供在虛擬平臺上的交互操作。學生通過交互操作，深入理解計算機相關知識，如驗證型實驗（如一條指令的執(zhí)行過程、數(shù)據溢出、網絡通信路由等）將難講和難理解的基本概念和原理用交互方式進行驗證。

（3）虛擬現(xiàn)實技術能夠進行系統(tǒng)拆解，將在真實系統(tǒng)中不可見的內容用演示的方式展示出來，讓學生更為清晰地觀察系統(tǒng)的細節(jié)，并可以對數(shù)據流、操作流進行標識或提示，使學生更容易理解相關知識。如演示型實驗將不可見的內容（如虛擬拆裝、圖靈機、防火墻等）用演示的方式展示出來，增強了學生的直觀體驗。

（4）虛擬現(xiàn)實技術能夠在計算機屏幕上模擬出虛擬的硬件設備，實現(xiàn)成本低，可以快速復制多份。在低成本的前提下，我們將新技術引入到課堂中，為每個學生配備一個計算機新技術實驗平臺。從教育教學的角度來說，將計算機相關的新技術引入大學計算機基礎課堂，讓學生在課堂中接觸到這些新技術，甚至能夠嘗試相關的實踐環(huán)節(jié)，對學生將產生很大的吸引力。endprint

文獻[5]共設置了18個虛擬實驗，根據實驗與學生之間的交流方式，實驗可分為4種不同的功能——驗證、交互、演示和引導。當然某些功能可能共同存在于一個實驗中。表1列出了18個實驗可能實現(xiàn)的功能。

下面分別針對驗證型實驗、交互型實驗、演示型實驗和引導型實驗，挑選出一、兩個實驗步驟，說明虛擬現(xiàn)實技術支持的計算機基礎課程教學與實驗設計。

2.2 驗證型實驗舉例

在這18個實驗中，實驗3“字符編碼與信息交換”的目的是為了讓學生理解字符和數(shù)字的輸入、查找和顯示過程，區(qū)別漢字的機內碼、國標碼、區(qū)位碼和字型碼，了解漢字庫的意義和作用。

實驗3通過虛擬實驗的形式，將漢字在計算機中從輸入一個字符，到最終在顯示器上顯示出來一個字符的過程全程展示出來，并提供可輸入自定義漢字的功能。學生可以在實驗時輸入自定義的漢字，根據老師講解的各種碼的轉換過程及轉換方式，一步步驗證自己所學知識，并最終加深理解。通過幾個這樣的過程，學生將能夠掌握漢字的幾種碼以及這幾種碼之間的轉換關系。圖1是針對漢字輸入、查找和顯示過程的實驗界面，在該界面中各步驟將以動畫方式展示。

2.3 交互型實驗舉例

實驗18“計算機病毒與防火墻”可以作為交互型實驗示例，它基于虛擬實驗平臺，可以模擬計算機的啟動過程，并且在啟動過程自由選擇一個目標進行攻擊。

在實踐環(huán)節(jié)中，學生可以分別針對單機病毒和網絡病毒，通過實驗平臺的交互功能，自主選擇不同的攻擊對象，觀察比較攻擊結果的不同，結合計算機啟動過程理解病毒的發(fā)作原理以及不同類型病毒的發(fā)作時間、發(fā)作特征等。實驗激發(fā)了學生防范病毒的興趣，學生通過網絡學習不同類型病毒的防范方法。

2.4 演示型實驗舉例

演示實際上是虛擬現(xiàn)實技術的基本功能，可以說文獻[1]中的18個實驗無一不擁有演示的功能。如實驗1演示計算機的組裝過程，包括計算機零部件的拆解和組裝演示。學生根據自己的學習進度，自由選擇演示的進度。在演示過程中，學生還可以自由選擇拆解或組裝其中一個部件，學習更有針對性。

2.5 引導型實驗舉例

引導型實驗是教學中希望的最佳形式，通過實驗設置，引導學生自主學習和思考，主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

以實驗8“云計算與虛擬服務”中的“分布式并行計算技術”為例來闡述引導型實驗。云計算技術屬于計算機前沿技術，隨著云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網的應用普及，越來越多的學生對此產生極大興趣。由于實驗環(huán)境配置復雜，軟硬件要求很高，我們運用文獻[1]附帶的多媒體軟件，將“分布式并行計算技術”的任務分配過程非常直觀地展現(xiàn)出來。

軟件支持“順序分配”或“空閑分配”方式，能夠直接根據分配方案模擬整個任務處理過程，在演示中可以看出各個任務在不同計算機上的分配及完成情況，使學生能夠真實體會到分布式計算技術中不同任務的執(zhí)行原理以及不同分發(fā)方式對計算總時間所帶來的影響。

軟件還支持“靜態(tài)手動”和“動態(tài)手動”方式，學生可以自主嘗試各種不同的分配，驗證分配對計算效率的影響。在實驗中，學生自主實踐其所認為的最佳分配方案，模擬執(zhí)行過程并獲得總時間的比較結果；每個學生可能設置出不同的分配結果，甚至一個學生設置多種結果。最后老師拋出“如何才能使總的任務執(zhí)行時間最短？”“能不能設計一個算法，使其能夠查找最優(yōu)的分配方案？”這樣的問題，引導學生主動進行思考。

3 先進教育技術對教學改革的支撐作用

在研討大學計算機基礎課程的教學方法以及學習虛擬實驗平臺的過程中，我們深刻體會到虛擬現(xiàn)實技術對課程的促進作用。推而廣之，大學計算機基礎教育離不開各種先進教育技術，在計算機技術日新月異、學生渴求了解前沿技術的背景下，只有通過先進的教育技術，才能跟上教學改革需求的腳步。

虛擬現(xiàn)實技術等先進教育技術對教學改革的支撐作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）使計算機基礎教學形式更加多樣、內容新穎。

虛擬現(xiàn)實技術等先進教育技術能夠以一種新的形式講授和實踐教學內容，通過設置驗證型、交互型、演示型、引導型的實驗環(huán)節(jié)，使學生更加深入地學習相關技術的基本原理，加強學生對這些前沿技術的理解和掌握程度。

2）對學生接觸計算機新技術提供支撐。

計算機新技術的環(huán)境運行大多需要大型軟硬件系統(tǒng)以及運行數(shù)據的支持，而完整地復制其運行平臺困難重重。先進教育技術能夠將新技術帶入課堂，通過為每位學生搭建虛擬實驗平臺，增加學生對抽象知識的感性認識，挖掘學生興趣，引導學生自主思考，提高其學習主動性。

3）對先進教育技術的探索本身也是教學改革的一部分。

在對18個實驗進行研討并且對虛擬實驗平臺進行相關研究的過程中發(fā)現(xiàn)，不僅僅是大學計算機基礎課程，包括其他各類課程，如數(shù)據結構中的線性表、樹、圖結構的算法講解，計算機組成原理中的存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)，操作系統(tǒng)中的進程調度、文件讀寫等課程內容，都可以依托虛擬實驗平臺等先進教育技術，探索課程中的知識講授方法和實驗設置方法。

先進教育技術的發(fā)展促進教學改革，教學改革也同時刺激對先進教育技術的需求。只有不斷改革教學的方式方法，才能推陳出新，獲得更好的教學效果。從這一視角出發(fā)，我們應該提高對先進教育技術的認識，積極發(fā)展先進教育技術。2013年11月23日，北京理工大學舉辦了“大學計算機課程實驗改革研討會·2013沙龍”活動。會上，北京理工大學計算機公共課國家級教學團隊負責人李鳳霞教授介紹了團隊創(chuàng)作的虛擬實驗平臺，與會20多所高校的70多位專家和一線教師進行了熱烈討論。作為與北京理工大學已經有兩年多深度合作的北京工商大學計算機基礎課程相關教學團隊成員也參加了此次沙龍。經過交流討論，我們深刻體會到虛擬實驗技術對計算機基礎教學內容和方法的改革推動作用不可低估，并對先進教育技術對計算機基礎教學的支撐作用有了新的認識。

4 結語

我們以大學計算機基礎課程的教學改革為主線，針對18個虛擬實驗，分別就驗證型、交互型、演示型和引導型實驗進行示例式說明，闡述了課程內容的課堂講授過程以及在其中可以應用的教學方法與技巧。實踐證明，虛擬實驗加深了學生對計算機理論和方法的理解，加強其對計算機技術的掌握，提高其對課堂內容的興趣。同時，虛擬實驗環(huán)境為每位學生提供實驗平臺，讓學生體驗與學習新技術，引導學生自主思考。先進教育技術對教學改革具有支撐作用，基于該理念，我們將進一步推動北京工商大學與北京理工大學在面向內容的實驗教改與協(xié)同創(chuàng)新方面開展更加深入的交流與合作。

（編輯：彭遠紅）endprint