◆李艷玲 王文溥 杜麗美

翻轉課堂結合虛擬仿真推動大學計算機基礎教學改革

◆李艷玲 王文溥 杜麗美

（長治學院計算機系 山西 046011）

本文以仿真實驗為依托，提出了適合本校學生的翻轉課堂結合虛擬實驗的教學模式，推動虛擬仿真實驗教學實實在在地于我校落地，切實提升全校計算機公共基礎課的教學效果，培養(yǎng)學生智能時代的核心競爭力。虛擬實驗翻轉課堂徹底顛覆“老師講、學生聽”的教學模式，為人才培養(yǎng)改革提供了嶄新的思路。

虛擬實驗；翻轉課堂；計算機教學

隨著以互聯(lián)網(wǎng)、人工智能為代表的第四次工業(yè)革命的縱深發(fā)展，文化的傳播與體驗方式發(fā)生了前所未有的改變。在這樣的時代背景下，在培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的迫切需求下，在國家花大力氣建設金課的挑戰(zhàn)下，高校的傳統(tǒng)教學模式受到了挑戰(zhàn)。如何激發(fā)學生的學習興趣，有效提高學生的學習效率，是擺在每位教師面前亟待解決的問題。我們應該采用什么模式，借助什么技術和環(huán)境達到建設金課的目的。我們?nèi)绾卧谖磥淼慕逃畜w現(xiàn)學生的自主學習，實現(xiàn)學習的個性化，是我們設計大學計算機基礎及應用課程遵循的理念。實際上早在先秦時期，我國的教育家孔子就已經(jīng)踐行了“因材施教”的個性化教學理念。根據(jù)每個學生的資質和性格，對同一個問題作出不同的回答。朱熹評價孔子為“圣賢施教，各因其材。小以小成，大以大成，無棄人也?！倍缃?，在社會飛速發(fā)展的信息化時代，我們面對上百名學生的課堂如何凸顯個性化？難道依然是“老師在講，學生在聽”的一成不變的模式？教育模式必須要改，全新的教育模式不能只是干巴巴的理論，因此VR虛擬現(xiàn)實技術應順勢登上時代的舞臺。借助虛擬仿真實驗，提升教學效果，推動計算思維的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生就業(yè)的核心競爭力[1]。本文以在線虛擬實驗平臺為基礎，綜合考慮“計算機基礎及應用”課程的特點，結合本校學生的實際水平，從教學活動的設計、虛擬實驗資源的使用及翻轉課堂的應用等方面入手，研究了計算機基礎課程教學模式的關鍵環(huán)節(jié)、可行性和有效性，為計算機基礎課程與“虛擬實驗+翻轉課堂”的融合進行了有益的探索和嘗試[2-4]。虛擬實驗使學生獲得親臨真實環(huán)境的感受和體驗，翻轉課堂提高學生的參與感，徹底改變“老師講、學生聽”的局面。

1 虛擬仿真實驗教學的教學設計

大學計算機基礎課程通常是大班授課，學生的知識結構參差不齊。授課過程中，學生沒有參與感，對冷冰冰的原理和概念也沒有太大的興趣。美國教育家蘇娜丹戴克曾說過：“告訴我，我會忘記，做給我看，我會記住，讓我參加，我就會完全理解?！弊寣W生從原理上升到感知，理解概念將會水到渠成，因為“紙上得來終覺淺，絕知學識要躬行”。學生學到的知識應該是動手做的，而不是老師教的。

傳統(tǒng)實驗步驟，只能通過老師的語言描述，其中涉及的理論、算法等內(nèi)容非常抽象、不易理解。虛擬仿真實驗將枯燥的實驗數(shù)據(jù)可視化，用直觀的動畫演示幫助學生理解復雜的概念及原理，提升學生的學習參與感。當然教師要充分考慮哪些知識點適合虛擬，學生對模型、數(shù)據(jù)沒有感知，所以我們盡可能地將數(shù)據(jù)可視化。

比如在講計算機指令系統(tǒng)時，學生對枯燥的概念不感興趣，借助虛擬實驗跟蹤指令執(zhí)行的全過程，不僅使學生對指令的概念一目了然，而且可以直觀地觀察指令執(zhí)行過程中，CPU、存儲器內(nèi)容的變化以及三大總線的信號流[5-6]。虛擬實驗通過一條加法指令的執(zhí)行，展示存儲器、控制器和運算器等主要部件的工作原理，詳細理解取指令→分析指令→執(zhí)行指令的自動化過程。

程序中第一條指令的地址被放置在程序計數(shù)器PC中，如圖1所示。這個寄存器具有自動加1的功能，用來生成下一條指令的地址，從而實現(xiàn)了程序的自動執(zhí)行。人為指定兩個加數(shù)后，操作數(shù)被送入內(nèi)存RAM中。

圖1 指令的執(zhí)行過程

step1：取指令。根據(jù)PC到內(nèi)存中取指令，并放到指令寄存器IR中，等待譯碼器分析指令。一條指令被取出后，程序計數(shù)器加1，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。

step2：指令譯碼。將指令寄存器中的操作碼放到控制單元CU中，由譯碼器對操作碼進行譯碼，然后送往控制器進行分析，產(chǎn)后執(zhí)行指令的操作命令。CU對指令的執(zhí)行過程進行控制。

圖2 指令譯碼完成狀態(tài)

step3：取數(shù)據(jù)。根據(jù)指令寄存器IR中兩個加數(shù)的地址分別到RAM中取數(shù)據(jù)，放入通用寄存器GR中。

Step4：執(zhí)行加法計算。算術邏輯部件ALU對兩個加數(shù)進行加法計算，并將計算結果放到通用寄存器中。如圖3所示。

圖3 加法指令執(zhí)行結束

虛擬實驗不受時間和空間的限制，類似真實環(huán)境，對不可演示的數(shù)據(jù)進行可視化，使學生在輕松的動手實驗中理解復雜的概念，引導學生主動思考從而獲得計算思維能力[7-10]。

2 翻轉課堂的教學設計

在高等教育信息化逐步深入的背景下，在線教學與課堂教學互補的混合式教學模式已經(jīng)成為大家共同關注的問題。其中，翻轉課堂實現(xiàn)了以學生為中心的教與學，打破了傳統(tǒng)的授課方式，使所有的學生積極參與學習，能達到更好的教學效果。

我們采用基于問題導向的課程模式：“提出問題需求→展示案例→分析案例→知識點學習→案例實現(xiàn)→課后總結”。將知識與應用結合起來，不僅培養(yǎng)了學生主動探求的學習習慣，而且鍛煉學生的實踐技能。

例如講授計算機加法指令時，通過學生親自參與演出情景劇的形式，加深學生對“兩個數(shù)相加”實驗內(nèi)容的理解。A同學扮演控制器，B同學扮演算術部件，C同學則扮演寄存器，D和E同學是兩個加數(shù)……通過表演，使學生了解指令執(zhí)行的三個重要階段，執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)轉換和內(nèi)存信息的變化，同時體會計算機的計算思維。

在翻轉課堂模式下，可以通過設置問題，讓其他學生回答參與思考。

問題1 計算機只是電子設備，本身并不具備主動思維的能力，更沒有先天的“智能”，它如何自動完成復雜的信息處理功能？

問題2 PC的功能是什么？它的第一個數(shù)據(jù)是從哪里得到的？

問題3 如果加法只給出了一個操作數(shù)，加法指令是否可以執(zhí)行？

通過翻轉課堂方式，學生不僅參與了整個教學設計，而且自己動手獲得了對問題的理解。陶行知先生提出：“行是知之始，知是行之成?！苯處煾淖儌鹘y(tǒng)的角色，從主導者轉變?yōu)檩o助者，讓學生在體驗中獲得最大的收獲！

學生對新的課程模式的滿意度較高，并在學期結束后給予了極高的評價。外語系16級學生評價：“事實證明，翻轉課堂授課方式值得被研究推廣，十分適合我院的學生……”化學17級學生評價：“一個學期的學習，以及后來的展示，同學之間的相互交流、互相促進，優(yōu)點的學習，缺點的互補，老師的糾正，讓我學到了很多……” 體育系17級學生評價：“我在學習的過程中，更多的感受到的是學習這個東西帶給我的感覺，并沒有那么煩躁，相反感覺很神奇，對計算機的興趣也提高了我的學習效率……”學前教育18級學生評價：“這學期老師的授課內(nèi)容以及授課方式對我們來說幫助很大，不僅豐富了我們的生活，而且還增進了師生感情，對我們產(chǎn)生了很大的影響?！睂W生的高度評價證明我們的教學改革是適合本校的，是能夠在本校落地生根的。在此過程中，全校學生的計算機應用能力也得到了較大的提升。

3 結語

授人以魚，不如授人以漁，學生在虛擬實驗的過程中，獲得深度學習體驗和親臨現(xiàn)場的感受，配合翻轉課堂使知識點與實際相結合，培養(yǎng)學生的應用創(chuàng)新能力。老師在之后的課堂上對相關知識總結，達到事半功倍，虛實結合的效果?？傊?，虛擬+翻轉的教學模式，改變了傳統(tǒng)的授課方式，得到了學生的一致認可，為計算機基礎課程的學習提供了新的思路，是一種新型的“教、學、做”模式。

[1]教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會.大學計算機基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社， 2016.

[2]李艷玲.新工科背景下的混合教學模式探究—以大學“計算機基礎及應用”教學改革為例[J].長治學院學報，2018， 35（2）：82-84.

[3]張巖. “互聯(lián)網(wǎng)+教育”理念及模式探析[J].中國高教研究，2016（2）：70-73.

[4]郭福亮，周鋼，李永杰.大學計算機基礎課程的實驗體系研究[J].計算機教育，2018（2）：78-81.

[5]李鳳霞等.大學計算機[M].北京：高等教育出版社，2017.

[6]李鳳霞等.大學計算機實驗[M].北京：高等教育出版社，2017.

[7]李林，李鳳霞，蘭山，余月.基于MOOC的虛擬仿真實驗探究[J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：111-113.

[8] 李林，陳宇峰，李鳳霞，劉琦.虛擬實驗在大學計算機課程教學改革中的研究[J].中國教育信息化，2017（8）：61-63.

[9]孫遒，吳長青，鄭天翔. “互聯(lián)網(wǎng)+”高校計算機基礎教學新模式[J].計算機時代，2017（1）：66-68.

[10]喬莉，魏海波.基于翻轉課堂和虛擬仿真的單片機教學改革[J].實驗技術與管理，2018（3）：112-114.

[11]謝紹平，劉強，諶貽波.虛擬實驗：MOOC環(huán)境下實驗教學的重要發(fā)展方向[J].中國教育信息化，2018，23（4）： 74-79.

全國高等院校計算機基礎教育研究會基金資助項目（2018-AFCEC-042）;山西省基礎研究計劃資助項目（201601D011007）;長治學院優(yōu)秀課程資助項目（zz2017018）。