劉欣欣，徐紅云

（華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)全英課程是面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)一年級(jí)全英班學(xué)生開(kāi)設(shè)的公共基礎(chǔ)課，該課程介紹計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，讓學(xué)生全面了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。全英教學(xué)一方面以英語(yǔ)作為知識(shí)傳播媒介，另一方面倡導(dǎo)采用國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)理念和方法，培養(yǎng)國(guó)際化人才［1］。大學(xué)計(jì)算機(jī)是一門概論性課程，內(nèi)容覆蓋面廣，涵蓋計(jì)算機(jī)學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，給學(xué)生一個(gè)入門性引導(dǎo)，但課時(shí)有限，專業(yè)知識(shí)介紹難度不能太深［2］。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師講授為主，學(xué)生的收獲往往停留在知識(shí)表面，學(xué)習(xí)熱情不高。為了更好地激發(fā)學(xué)生潛力和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，本文通過(guò)引入虛擬仿真環(huán)境，開(kāi)展以學(xué)生為中心的教學(xué)，在實(shí)踐中加深對(duì)理論知識(shí)的理解，在探究中提高知識(shí)運(yùn)用能力和計(jì)算思維能力［3-4］。

近年虛擬實(shí)驗(yàn)成為大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革熱點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒗碚撝R(shí)具體化、可視化，幫助學(xué)生理解并運(yùn)用于實(shí)踐。各高校相繼構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及計(jì)算機(jī)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等［5-7］。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程最有代表性的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是北京理工大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)工場(chǎng)［8-9］。但這些實(shí)驗(yàn)資源主要針對(duì)中文教學(xué)，而且一些資源并非免費(fèi)開(kāi)放。本文針對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)全英教學(xué)，引入免費(fèi)開(kāi)源的虛擬仿真軟件，與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，提升教學(xué)效果。

本文設(shè)計(jì)基于虛擬仿真環(huán)境的大學(xué)計(jì)算機(jī)全英教學(xué)改革實(shí)施方案，介紹虛擬仿真使用環(huán)境，并對(duì)課程改革實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行分析。

1 課程改革實(shí)施方案

大學(xué)計(jì)算機(jī)全英課程系統(tǒng)介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算、計(jì)算機(jī)硬件及體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件及操作系統(tǒng)、算法、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及安全等［10］?；谔摂M仿真環(huán)境的課程改革，針對(duì)課程主要內(nèi)容引入若干虛擬仿真軟件，學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過(guò)實(shí)踐理解并掌握知識(shí)內(nèi)容，在虛擬仿真環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提高運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力。

課程總學(xué)時(shí)40 學(xué)時(shí)，其中課堂教學(xué)24 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。課程教學(xué)12 周完成，每周2 學(xué)時(shí)，結(jié)合虛擬仿真軟件開(kāi)展講授、實(shí)踐和研討相結(jié)合的教學(xué)。16 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可進(jìn)一步完善和擴(kuò)展課堂實(shí)例，也可以在虛擬環(huán)境中探索實(shí)現(xiàn)自己的想法，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力。

課程考核關(guān)注學(xué)習(xí)全過(guò)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(shí)驗(yàn)4 個(gè)部分。期末考試考察學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，占總成績(jī)的50%；課堂討論考察學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和探究能力，占總成績(jī)的15%；作業(yè)考察學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，占總成績(jī)的10%；上機(jī)實(shí)驗(yàn)考察學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題能力，占總成績(jī)的25%。

2 虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

課程結(jié)合虛擬仿真環(huán)境對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織，包括理論知識(shí)介紹、虛擬仿真操作和實(shí)驗(yàn)3 部分，以教學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)以及計(jì)算思維，探討非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)計(jì)算機(jī)的目的。為使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)科學(xué)是如何解決問(wèn)題的，引入掃地機(jī)器人模擬器Picobot［11-12］。Picobot 是美國(guó)哈維穆德學(xué)院（Harvey Mudd College）提供的一款免費(fèi)教學(xué)用軟件，能模擬掃地機(jī)器人完成清理房間任務(wù)。在模擬器中，機(jī)器人工作由用戶編寫的規(guī)則控制，規(guī)則是一種簡(jiǎn)化的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。為完成清理房間任務(wù)，學(xué)生要先設(shè)計(jì)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(jī)器人行動(dòng)。在此過(guò)程中，學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法解決實(shí)際問(wèn)題。在使用Picobot模擬器時(shí)，先從最簡(jiǎn)單的任務(wù)入手，即完成一個(gè)空房間的清掃，當(dāng)學(xué)生熟悉了規(guī)則定義后，再提高任務(wù)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(guò)程中，不斷激發(fā)學(xué)生潛力，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造力。課后，學(xué)生完成4 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)規(guī)則控制機(jī)器人清掃不規(guī)則房間。

表1 教學(xué)內(nèi)容組織

第2-3 周介紹數(shù)據(jù)的表示與運(yùn)算，主要包括計(jì)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(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算及移位運(yùn)算等。電路仿真模擬器Logisim［13-14］是一款用來(lái)設(shè)計(jì)和模擬數(shù)字邏輯電路的開(kāi)源免費(fèi)教學(xué)軟件，使用Logisim 從搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的與門、或門、非門電路，到通過(guò)組合基本邏輯運(yùn)算構(gòu)造與非、或非、異或等電路，幫助學(xué)生理解邏輯運(yùn)算含義，用邏輯電路搭建實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算。通過(guò)使用該模擬器，學(xué)生能更好理解二進(jìn)制如何將加減乘除運(yùn)算轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算，加法運(yùn)算又是如何由邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。4 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的邏輯電路，有興趣的學(xué)生可以繼續(xù)探究，用Logisim 搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU算術(shù)邏輯單元。

第4 周介紹計(jì)算機(jī)硬件，引入思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院提供的虛擬臺(tái)式機(jī)模擬器（Virtual Activity Desktop）和虛擬筆記本電腦模擬器（Virtual Activity Laptop）［15］。學(xué)生在虛擬環(huán)境中全方位多角度地查看某個(gè)硬件設(shè)備，獨(dú)立完成一臺(tái)計(jì)算機(jī)或筆記本電腦組裝，加深對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的理解。課后完成2 學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，組裝臺(tái)式機(jī)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(xué)生理解計(jì)算機(jī)工作過(guò)程，引入美國(guó)三一學(xué)院（trinity college）提供的教學(xué)用4-bit 計(jì)算機(jī)模擬器，展示機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程［16］。為便于理解，模擬器對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，指令集只有9條基本指令，地址長(zhǎng)度只有4bit，內(nèi)存只有16 個(gè)單元。該模擬器雖小，卻擁有計(jì)算機(jī)的基本組成部件，包括CPU、內(nèi)存、輸入、輸出等。通過(guò)模擬器向?qū)W生演示一個(gè)簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算執(zhí)行過(guò)程，展示機(jī)器循環(huán)取指令、解析指令、執(zhí)行指令過(guò)程中內(nèi)存及寄存器變化，幫助學(xué)生理解馮·諾依曼計(jì)算機(jī)工作原理。課后2 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)用4-bit 計(jì)算機(jī)模擬器編寫一個(gè)計(jì)算平方的程序并單步執(zhí)行。

第6-7 周介紹計(jì)算機(jī)軟件及操作系統(tǒng)。由于操作系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)龐大復(fù)雜的程序，即使為操作系統(tǒng)課程教學(xué)提供的模擬器如Ucore 也較復(fù)雜，而課程針對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生且學(xué)時(shí)有限，因此引入虛擬機(jī)VMware Workstation軟件，使計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同操作系統(tǒng)，幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)及虛擬機(jī)含義。

第8-9 周主要以排序和查找問(wèn)題為例介紹算法。為更好地理解算法，引入Python 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Python 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔高效，易于上手。通過(guò)Python 程序?qū)嵗?，能更直觀闡述算法相關(guān)知識(shí)，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(guò)Python 程序?qū)嵗宄庇^地介紹計(jì)算思維方法，如窮舉法、分而治之法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法等。

第10-12 周介紹計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及安全基本知識(shí)。引入思科網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器Packet Tracer，該模擬器可實(shí)現(xiàn)各種類型網(wǎng)絡(luò)搭建、配置，對(duì)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)非常有幫助［17-18］。課后，學(xué)生完成4 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，包括搭建一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（2 學(xué)時(shí)）、網(wǎng)絡(luò)安全配置（2 學(xué)時(shí)）。在網(wǎng)絡(luò)安全配置實(shí)驗(yàn)中，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)密碼設(shè)置、MAC 地址過(guò)濾及單端口轉(zhuǎn)發(fā)等。Packet Tracer 是一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)感興趣的學(xué)生可以繼續(xù)探究，模擬更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)全英教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，使學(xué)生在動(dòng)手操作過(guò)程中更好地理解知識(shí)內(nèi)容，通過(guò)設(shè)計(jì)基于虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步增強(qiáng)知識(shí)運(yùn)用能力。學(xué)生在興趣的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)探索更多的知識(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

3 教學(xué)組織方式

在課堂教學(xué)組織上，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)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(xué)生提前查閱相關(guān)資料，了解軟件的基本使用方法。課堂上學(xué)生按6～8人進(jìn)行分組，主要開(kāi)展講授、演示、討論和實(shí)操4 個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)。課堂教學(xué)使用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的雨課堂工具，開(kāi)展課前預(yù)習(xí)、課堂簽到、隨機(jī)點(diǎn)名提問(wèn)、實(shí)時(shí)答題等教學(xué)活動(dòng)［19-20］。

課堂教學(xué)組織包括4 個(gè)環(huán)節(jié)：①基礎(chǔ)知識(shí)講授，教師講授本周知識(shí)內(nèi)容，借助雨課堂的實(shí)時(shí)答題功能在課堂上即時(shí)查看學(xué)生答題正確率，了解知識(shí)掌握情況；②演示，教師在虛擬仿真環(huán)境中對(duì)講授的主要知識(shí)進(jìn)行演示，將理論與實(shí)際相結(jié)合；③結(jié)合知識(shí)內(nèi)容和虛擬環(huán)境，教師提出問(wèn)題，學(xué)生分組討論，形成初步解決方案，學(xué)生在研討和設(shè)計(jì)過(guò)程中更好地理解知識(shí)內(nèi)容；④實(shí)操訓(xùn)練，在虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。教師挑選1～2 組進(jìn)行展示。

課堂教學(xué)4 個(gè)環(huán)節(jié)往往交替進(jìn)行，教師講解一部分知識(shí)內(nèi)容，演示一部分知識(shí)運(yùn)用的效果，然后向?qū)W生提問(wèn)，學(xué)生討論解決，并在虛擬環(huán)境中仿真實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)踐結(jié)果分析

本文從傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境教學(xué)的成績(jī)對(duì)比以及調(diào)查問(wèn)卷兩方面分析教學(xué)改革實(shí)施效果。

全英大學(xué)計(jì)算機(jī)授課對(duì)象是非計(jì)算機(jī)專業(yè)全英創(chuàng)新班學(xué)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(jī)更具可比性，選取同一專業(yè)學(xué)生對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)和采用虛擬仿真環(huán)境教學(xué)兩個(gè)學(xué)年的課程成績(jī)進(jìn)行對(duì)比。兩個(gè)學(xué)年使用相同教材，考試范圍和難度相當(dāng)，成績(jī)對(duì)比結(jié)果如圖1 所示，平均分對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)成績(jī)分布對(duì)比

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)與基于虛擬仿真環(huán)境教學(xué)平均分對(duì)比

兩個(gè)學(xué)年課程成績(jī)普遍較高，因?yàn)槿鄬W(xué)生是經(jīng)過(guò)選拔錄取的優(yōu)秀學(xué)生，學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，每年全英班有嚴(yán)格的淘汰制，因此學(xué)生普遍學(xué)習(xí)態(tài)度認(rèn)真。由圖1 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)成績(jī)優(yōu)秀的比例明顯較高，比傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)秀比例高52.5%，不及格比例比傳統(tǒng)教學(xué)低7.5%。由圖2 可知，基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)平均分比傳統(tǒng)教學(xué)提升8.7 分，最低分也有所提高。

對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)改革問(wèn)卷調(diào)查，從問(wèn)卷結(jié)果可知，85.7% 的學(xué)生認(rèn)為使用虛擬仿真軟件對(duì)課程內(nèi)容理解有較大幫助，只有67.2% 的學(xué)生能在課前完成軟件安裝并查閱一些資料，只有75% 的學(xué)生能獨(dú)立完成課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。部分同學(xué)雖然能理解教師課堂演示的案例，但要獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)仍有困難，因?yàn)椴糠謱?shí)驗(yàn)是探究性的，沒(méi)有固定答案，也不局限于課本知識(shí)內(nèi)容，需要學(xué)生課后花費(fèi)時(shí)間自行查閱資料。

由實(shí)踐結(jié)果可知，在大學(xué)計(jì)算機(jī)全英教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，對(duì)學(xué)生理解知識(shí)內(nèi)容有幫助，課程成績(jī)有所提高，但學(xué)生還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)觀念，不局限于課本內(nèi)容，主動(dòng)完成課前知識(shí)調(diào)研和課后擴(kuò)展學(xué)習(xí)，以適應(yīng)以學(xué)生為中心的教學(xué)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬仿真環(huán)境的大學(xué)計(jì)算機(jī)全英教學(xué)改革，一方面通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合，幫助學(xué)生在全英教學(xué)中更好地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面，通過(guò)在虛擬仿真環(huán)境中的探索實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，為計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程全英教學(xué)提供新的方法和思路。本文設(shè)計(jì)了課程改革實(shí)施方案和組織方式，教學(xué)改革實(shí)踐表明，基于虛擬仿真環(huán)境的全英大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)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(gè)平臺(tái)，以減輕學(xué)生配置環(huán)境的負(fù)擔(dān)，更專注于利用工具理解知識(shí)。