李海生　陳紅倩　李越輝　史樹敏

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

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；虛擬實驗；教育技術(shù)；計算機基礎(chǔ)教學(xué)

0 引言

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課是大學(xué)教學(xué)中的一門重要課程，在教育部各專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的建議課程目錄中，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課是與大學(xué)英語、大學(xué)數(shù)學(xué)和大學(xué)物理相并列的基礎(chǔ)課程。

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

1 大學(xué)計算機基礎(chǔ)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(xué)計算機基礎(chǔ)課程是大學(xué)生入學(xué)后接觸的第一門計算機課程，對于接觸計算機較少的學(xué)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(xué)習(xí)所需要的計算機技術(shù)的課程。然而越來越多的大學(xué)生在入學(xué)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(jīng)大大減弱。

在課程改革的大背景下，各個專業(yè)對于大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的學(xué)時進行刪減。以北京工商大學(xué)為例，在大一上、下兩學(xué)期均設(shè)置大學(xué)計算機課程，每學(xué)期為68學(xué)時，兩學(xué)期共136學(xué)時。2012—2013年，北京工商大學(xué)各個專業(yè)都對大學(xué)計算機基礎(chǔ)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(xué)期，總學(xué)時壓縮為51學(xué)時，壓縮了近2/3。這使得以往的教學(xué)方法、教學(xué)過程無法進行，課程不得不進行深度改革。

2）課程的教學(xué)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(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)是以面向?qū)I(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(chǔ)課程實踐環(huán)節(jié)所占的比例很大。

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

在課程分析與調(diào)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(yīng)注重對已有知識的驗證，突出對未理解未掌握知識的再學(xué)習(xí)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(xué)計算機基礎(chǔ)課程必須進行改革。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程改革

2012年4月，教育部頒布《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)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(xué)計算機基礎(chǔ)教育也必須順勢而為。

導(dǎo)致計算機基礎(chǔ)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(xué)計算機基礎(chǔ)課程畢竟只是一門課，課時量有限。面對剛?cè)雽W(xué)的本科生，要想在有限的課時內(nèi)，將計算機的理論和技術(shù)甚至是相關(guān)知識講清楚，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索，這基本是一個不可能完成的任務(wù)。

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

因此，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程就不得不在有限的資源條件下，盡可能地講解學(xué)生能掌握的、又對學(xué)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(shù)支持的教學(xué)環(huán)境和實踐環(huán)境，恰恰可以解決長期以來大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育只有“實踐”而無“實驗”的困境。相對于真實的硬件設(shè)施，虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的教學(xué)過程與實踐過程具備如下幾個優(yōu)勢。

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

（2）虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠給學(xué)生提供在虛擬平臺上的交互操作。學(xué)生通過交互操作，深入理解計算機相關(guān)知識，如驗證型實驗（如一條指令的執(zhí)行過程、數(shù)據(jù)溢出、網(wǎng)絡(luò)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(shù)能夠進行系統(tǒng)拆解，將在真實系統(tǒng)中不可見的內(nèi)容用演示的方式展示出來，讓學(xué)生更為清晰地觀察系統(tǒng)的細節(jié)，并可以對數(shù)據(jù)流、操作流進行標識或提示，使學(xué)生更容易理解相關(guān)知識。如演示型實驗將不可見的內(nèi)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(xué)生的直觀體驗。

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

文獻[5]共設(shè)置了18個虛擬實驗，根據(jù)實驗與學(xué)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(dǎo)。當(dāng)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(dǎo)型實驗，挑選出一、兩個實驗步驟，說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)與實驗設(shè)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(xué)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(nèi)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(xué)生可以在實驗時輸入自定義的漢字，根據(jù)老師講解的各種碼的轉(zhuǎn)換過程及轉(zhuǎn)換方式，一步步驗證自己所學(xué)知識，并最終加深理解。通過幾個這樣的過程，學(xué)生將能夠掌握漢字的幾種碼以及這幾種碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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(xué)生可以分別針對單機病毒和網(wǎng)絡(luò)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(jié)果的不同，結(jié)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(xué)生防范病毒的興趣，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(shù)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(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度，自由選擇演示的進度。在演示過程中，學(xué)生還可以自由選擇拆解或組裝其中一個部件，學(xué)習(xí)更有針對性。

2.5 引導(dǎo)型實驗舉例

引導(dǎo)型實驗是教學(xué)中希望的最佳形式，通過實驗設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(wù)”中的“分布式并行計算技術(shù)”為例來闡述引導(dǎo)型實驗。云計算技術(shù)屬于計算機前沿技術(shù)，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用普及，越來越多的學(xué)生對此產(chǎn)生極大興趣。由于實驗環(huán)境配置復(fù)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(shù)”的任務(wù)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(jù)分配方案模擬整個任務(wù)處理過程，在演示中可以看出各個任務(wù)在不同計算機上的分配及完成情況，使學(xué)生能夠真實體會到分布式計算技術(shù)中不同任務(wù)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(xué)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(xué)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(jié)果；每個學(xué)生可能設(shè)置出不同的分配結(jié)果，甚至一個學(xué)生設(shè)置多種結(jié)果。最后老師拋出“如何才能使總的任務(wù)執(zhí)行時間最短？”“能不能設(shè)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(dǎo)學(xué)生主動進行思考。

3 先進教育技術(shù)對教學(xué)改革的支撐作用

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

虛擬現(xiàn)實技術(shù)等先進教育技術(shù)對教學(xué)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(chǔ)教學(xué)形式更加多樣、內(nèi)容新穎。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)等先進教育技術(shù)能夠以一種新的形式講授和實踐教學(xué)內(nèi)容，通過設(shè)置驗證型、交互型、演示型、引導(dǎo)型的實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)的基本原理，加強學(xué)生對這些前沿技術(shù)的理解和掌握程度。

2）對學(xué)生接觸計算機新技術(shù)提供支撐。

計算機新技術(shù)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(jù)的支持，而完整地復(fù)制其運行平臺困難重重。先進教育技術(shù)能夠?qū)⑿录夹g(shù)帶入課堂，通過為每位學(xué)生搭建虛擬實驗平臺，增加學(xué)生對抽象知識的感性認識，挖掘?qū)W生興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，提高其學(xué)習(xí)主動性。

3）對先進教育技術(shù)的探索本身也是教學(xué)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(guān)研究的過程中發(fā)現(xiàn)，不僅僅是大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，包括其他各類課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的線性表、樹、圖結(jié)構(gòu)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(diào)度、文件讀寫等課程內(nèi)容，都可以依托虛擬實驗平臺等先進教育技術(shù)，探索課程中的知識講授方法和實驗設(shè)置方法。

先進教育技術(shù)的發(fā)展促進教學(xué)改革，教學(xué)改革也同時刺激對先進教育技術(shù)的需求。只有不斷改革教學(xué)的方式方法，才能推陳出新，獲得更好的教學(xué)效果。從這一視角出發(fā)，我們應(yīng)該提高對先進教育技術(shù)的認識，積極發(fā)展先進教育技術(shù)。2013年11月23日，北京理工大學(xué)舉辦了“大學(xué)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(xué)計算機公共課國家級教學(xué)團隊負責(zé)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(xué)已經(jīng)有兩年多深度合作的北京工商大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程相關(guān)教學(xué)團隊成員也參加了此次沙龍。經(jīng)過交流討論，我們深刻體會到虛擬實驗技術(shù)對計算機基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和方法的改革推動作用不可低估，并對先進教育技術(shù)對計算機基礎(chǔ)教學(xué)的支撐作用有了新的認識。

4 結(jié)語

我們以大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)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(dǎo)型實驗進行示例式說明，闡述了課程內(nèi)容的課堂講授過程以及在其中可以應(yīng)用的教學(xué)方法與技巧。實踐證明，虛擬實驗加深了學(xué)生對計算機理論和方法的理解，加強其對計算機技術(shù)的掌握，提高其對課堂內(nèi)容的興趣。同時，虛擬實驗環(huán)境為每位學(xué)生提供實驗平臺，讓學(xué)生體驗與學(xué)習(xí)新技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考。先進教育技術(shù)對教學(xué)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(xué)與北京理工大學(xué)在面向內(nèi)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