劉欣欣，徐紅云

（華南理工大學計算機科學與工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

大學計算機全英課程是面向非計算機專業(yè)大學一年級全英班學生開設的公共基礎課，該課程介紹計算機基礎理論知識，讓學生全面了解計算機系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的計算思維能力。全英教學一方面以英語作為知識傳播媒介，另一方面倡導采用國際先進的教學理念和方法，培養(yǎng)國際化人才［1］。大學計算機是一門概論性課程，內(nèi)容覆蓋面廣，涵蓋計算機學科各個領域的基礎知識，給學生一個入門性引導，但課時有限，專業(yè)知識介紹難度不能太深［2］。傳統(tǒng)的教學方法以教師講授為主，學生的收獲往往停留在知識表面，學習熱情不高。為了更好地激發(fā)學生潛力和學習興趣，培養(yǎng)動手能力和創(chuàng)新能力，本文通過引入虛擬仿真環(huán)境，開展以學生為中心的教學，在實踐中加深對理論知識的理解，在探究中提高知識運用能力和計算思維能力［3-4］。

近年虛擬實驗成為大學計算機課程教學改革熱點，虛擬實驗能將理論知識具體化、可視化，幫助學生理解并運用于實踐。各高校相繼構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，如程序設計語言類實驗平臺、計算機硬件實驗平臺以及計算機專業(yè)課程實驗平臺等［5-7］。大學計算機基礎課程最有代表性的虛擬實驗平臺是北京理工大學的虛擬實驗工場［8-9］。但這些實驗資源主要針對中文教學，而且一些資源并非免費開放。本文針對大學計算機全英教學，引入免費開源的虛擬仿真軟件，與教學內(nèi)容有機結(jié)合，提升教學效果。

本文設計基于虛擬仿真環(huán)境的大學計算機全英教學改革實施方案，介紹虛擬仿真使用環(huán)境，并對課程改革實踐結(jié)果進行分析。

1 課程改革實施方案

大學計算機全英課程系統(tǒng)介紹計算機科學基礎知識，包括：計算機系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)表示與運算、計算機硬件及體系結(jié)構(gòu)、計算機軟件及操作系統(tǒng)、算法、計算機網(wǎng)絡及安全等［10］?；谔摂M仿真環(huán)境的課程改革，針對課程主要內(nèi)容引入若干虛擬仿真軟件，學生在虛擬環(huán)境中通過實踐理解并掌握知識內(nèi)容，在虛擬仿真環(huán)境中完成實驗項目，提高運用計算思維解決問題的能力。

課程總學時40 學時，其中課堂教學24 學時，實驗16學時。課程教學12 周完成，每周2 學時，結(jié)合虛擬仿真軟件開展講授、實踐和研討相結(jié)合的教學。16 學時實驗結(jié)合虛擬仿真軟件設計實驗內(nèi)容，學生可進一步完善和擴展課堂實例，也可以在虛擬環(huán)境中探索實現(xiàn)自己的想法，實驗項目有利于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和運用計算思維解決問題的能力。

課程考核關注學習全過程，采用多樣化考核形式，包括期末考試、課堂表現(xiàn)、作業(yè)和實驗4 個部分。期末考試考察學生對計算機基礎知識的掌握情況，占總成績的50%；課堂討論考察學生主動學習能力和探究能力，占總成績的15%；作業(yè)考察學生對重點知識點的掌握程度，占總成績的10%；上機實驗考察學生的動手能力和解決問題能力，占總成績的25%。

2 虛擬仿真環(huán)境的教學內(nèi)容設計

課程結(jié)合虛擬仿真環(huán)境對教學內(nèi)容進行重新組織，包括理論知識介紹、虛擬仿真操作和實驗3 部分，以教學周為單位，課程內(nèi)容組織及采用的虛擬仿真軟件如表1 所示。

第1 周概述主要介紹什么是計算機科學以及計算思維，探討非計算機專業(yè)學生學習大學計算機的目的。為使學生理解計算機科學是如何解決問題的，引入掃地機器人模擬器Picobot［11-12］。Picobot 是美國哈維穆德學院（Harvey Mudd College）提供的一款免費教學用軟件，能模擬掃地機器人完成清理房間任務。在模擬器中，機器人工作由用戶編寫的規(guī)則控制，規(guī)則是一種簡化的程序設計語言。為完成清理房間任務，學生要先設計清掃方案，再將方案轉(zhuǎn)化為規(guī)則，最后執(zhí)行規(guī)則控制機器人行動。在此過程中，學生運用計算思維方法解決實際問題。在使用Picobot模擬器時，先從最簡單的任務入手，即完成一個空房間的清掃，當學生熟悉了規(guī)則定義后，再提高任務難度，探究不規(guī)則的房間、有障礙物房間以及迷宮的清掃。在此過程中，不斷激發(fā)學生潛力，發(fā)揮學生創(chuàng)造力。課后，學生完成4 學時實驗，設計規(guī)則控制機器人清掃不規(guī)則房間。

表1 教學內(nèi)容組織

第2-3 周介紹數(shù)據(jù)的表示與運算，主要包括計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換、數(shù)值型及非數(shù)值型數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)的邏輯運算、算術運算及移位運算等。電路仿真模擬器Logisim［13-14］是一款用來設計和模擬數(shù)字邏輯電路的開源免費教學軟件，使用Logisim 從搭建一個簡單的與門、或門、非門電路，到通過組合基本邏輯運算構(gòu)造與非、或非、異或等電路，幫助學生理解邏輯運算含義，用邏輯電路搭建實現(xiàn)算術運算。通過使用該模擬器，學生能更好理解二進制如何將加減乘除運算轉(zhuǎn)換成加法運算，加法運算又是如何由邏輯運算實現(xiàn)。4 學時實驗構(gòu)造實現(xiàn)加法運算的邏輯電路，有興趣的學生可以繼續(xù)探究，用Logisim 搭建一個簡單的CPU算術邏輯單元。

第4 周介紹計算機硬件，引入思科網(wǎng)絡學院提供的虛擬臺式機模擬器（Virtual Activity Desktop）和虛擬筆記本電腦模擬器（Virtual Activity Laptop）［15］。學生在虛擬環(huán)境中全方位多角度地查看某個硬件設備，獨立完成一臺計算機或筆記本電腦組裝，加深對計算機硬件的理解。課后完成2 學時的實驗，組裝臺式機和筆記本電腦。

第5 周介紹馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。為幫助學生理解計算機工作過程，引入美國三一學院（trinity college）提供的教學用4-bit 計算機模擬器，展示機器指令的執(zhí)行過程［16］。為便于理解，模擬器對計算機進行了簡化，指令集只有9條基本指令，地址長度只有4bit，內(nèi)存只有16 個單元。該模擬器雖小，卻擁有計算機的基本組成部件，包括CPU、內(nèi)存、輸入、輸出等。通過模擬器向?qū)W生演示一個簡單的加法運算執(zhí)行過程，展示機器循環(huán)取指令、解析指令、執(zhí)行指令過程中內(nèi)存及寄存器變化，幫助學生理解馮·諾依曼計算機工作原理。課后2 學時實驗用4-bit 計算機模擬器編寫一個計算平方的程序并單步執(zhí)行。

第6-7 周介紹計算機軟件及操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)是一個相當龐大復雜的程序，即使為操作系統(tǒng)課程教學提供的模擬器如Ucore 也較復雜，而課程針對非計算機專業(yè)學生且學時有限，因此引入虛擬機VMware Workstation軟件，使計算機同時運行多個不同操作系統(tǒng)，幫助學生理解操作系統(tǒng)及虛擬機含義。

第8-9 周主要以排序和查找問題為例介紹算法。為更好地理解算法，引入Python 程序設計語言。Python 語言簡潔高效，易于上手。通過Python 程序?qū)嵗?，能更直觀闡述算法相關知識，如遞歸和迭代的區(qū)別和聯(lián)系、確定性和非確定算法區(qū)別等。通過Python 程序?qū)嵗宄庇^地介紹計算思維方法，如窮舉法、分而治之法、動態(tài)規(guī)劃方法等。

第10-12 周介紹計算機網(wǎng)絡及安全基本知識。引入思科網(wǎng)絡學院的網(wǎng)絡仿真模擬器Packet Tracer，該模擬器可實現(xiàn)各種類型網(wǎng)絡搭建、配置，對學習網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡類型、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡協(xié)議以及網(wǎng)絡安全技術非常有幫助［17-18］。課后，學生完成4 學時實驗，包括搭建一個有線網(wǎng)絡和一個無線網(wǎng)絡（2 學時）、網(wǎng)絡安全配置（2 學時）。在網(wǎng)絡安全配置實驗中，完成無線網(wǎng)絡密碼設置、MAC 地址過濾及單端口轉(zhuǎn)發(fā)等。Packet Tracer 是一個強大的網(wǎng)絡模擬器，對網(wǎng)絡知識感興趣的學生可以繼續(xù)探究，模擬更復雜的網(wǎng)絡。

在計算機基礎理論知識全英教學中引入虛擬仿真軟件，使學生在動手操作過程中更好地理解知識內(nèi)容，通過設計基于虛擬仿真軟件實驗，進一步增強知識運用能力。學生在興趣的驅(qū)動下主動探索更多的知識內(nèi)容，并將產(chǎn)生的創(chuàng)新性想法在虛擬仿真環(huán)境中進行實驗和驗證。

3 教學組織方式

在課堂教學組織上，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學方法，課前教師向?qū)W生發(fā)布本周要使用的虛擬仿真工具，學生提前查閱相關資料，了解軟件的基本使用方法。課堂上學生按6～8人進行分組，主要開展講授、演示、討論和實操4 個環(huán)節(jié)教學。課堂教學使用清華大學開發(fā)的雨課堂工具，開展課前預習、課堂簽到、隨機點名提問、實時答題等教學活動［19-20］。

課堂教學組織包括4 個環(huán)節(jié)：①基礎知識講授，教師講授本周知識內(nèi)容，借助雨課堂的實時答題功能在課堂上即時查看學生答題正確率，了解知識掌握情況；②演示，教師在虛擬仿真環(huán)境中對講授的主要知識進行演示，將理論與實際相結(jié)合；③結(jié)合知識內(nèi)容和虛擬環(huán)境，教師提出問題，學生分組討論，形成初步解決方案，學生在研討和設計過程中更好地理解知識內(nèi)容；④實操訓練，在虛擬仿真環(huán)境中實現(xiàn)設計方案。教師挑選1～2 組進行展示。

課堂教學4 個環(huán)節(jié)往往交替進行，教師講解一部分知識內(nèi)容，演示一部分知識運用的效果，然后向?qū)W生提問，學生討論解決，并在虛擬環(huán)境中仿真實現(xiàn)。

4 實踐結(jié)果分析

本文從傳統(tǒng)教學與基于虛擬仿真環(huán)境教學的成績對比以及調(diào)查問卷兩方面分析教學改革實施效果。

全英大學計算機授課對象是非計算機專業(yè)全英創(chuàng)新班學生，包括電氣工程、土木工程、環(huán)境工程等專業(yè)。為了使成績更具可比性，選取同一專業(yè)學生對比傳統(tǒng)教學和采用虛擬仿真環(huán)境教學兩個學年的課程成績進行對比。兩個學年使用相同教材，考試范圍和難度相當，成績對比結(jié)果如圖1 所示，平均分對比結(jié)果如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)教學與基于虛擬仿真環(huán)境的教學成績分布對比

圖2 傳統(tǒng)教學與基于虛擬仿真環(huán)境教學平均分對比

兩個學年課程成績普遍較高，因為全英班學生是經(jīng)過選拔錄取的優(yōu)秀學生，學習能力較強，每年全英班有嚴格的淘汰制，因此學生普遍學習態(tài)度認真。由圖1 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學成績優(yōu)秀的比例明顯較高，比傳統(tǒng)教學優(yōu)秀比例高52.5%，不及格比例比傳統(tǒng)教學低7.5%。由圖2 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學平均分比傳統(tǒng)教學提升8.7 分，最低分也有所提高。

對學生進行教學改革問卷調(diào)查，從問卷結(jié)果可知，85.7% 的學生認為使用虛擬仿真軟件對課程內(nèi)容理解有較大幫助，只有67.2% 的學生能在課前完成軟件安裝并查閱一些資料，只有75% 的學生能獨立完成課程實驗內(nèi)容。部分同學雖然能理解教師課堂演示的案例，但要獨立完成實驗仍有困難，因為部分實驗是探究性的，沒有固定答案，也不局限于課本知識內(nèi)容，需要學生課后花費時間自行查閱資料。

由實踐結(jié)果可知，在大學計算機全英教學中引入虛擬仿真軟件，對學生理解知識內(nèi)容有幫助，課程成績有所提高，但學生還需進一步轉(zhuǎn)變學習觀念，不局限于課本內(nèi)容，主動完成課前知識調(diào)研和課后擴展學習，以適應以學生為中心的教學。

5 結(jié)語

基于虛擬仿真環(huán)境的大學計算機全英教學改革，一方面通過理論與實踐結(jié)合，幫助學生在全英教學中更好地理解計算機科學基礎知識，另一方面，通過在虛擬仿真環(huán)境中的探索實踐，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，為計算機公共基礎課程全英教學提供新的方法和思路。本文設計了課程改革實施方案和組織方式，教學改革實踐表明，基于虛擬仿真環(huán)境的全英大學計算機教學改革取得了較好效果。下一步研究工作是將這些虛擬仿真工具集成到一個平臺，以減輕學生配置環(huán)境的負擔，更專注于利用工具理解知識。