计算机类课程虚实结合的实验室构建

　　摘要：针对高校计算机类课程传统实验室存在的不足，文章引入虚拟实验室概念，并分析其优缺点，提出虚实结合的实验室构建计划，充分利用现有计算机相关专业实验室资源，提高设备利用率，增进学生实验自主性。通过对本校使用虚拟实验室的情况进行调查，结果表明较之传统实验室，虚实结合实验室具有明显优势。
　　关键词：虚拟实验室；传统实验室；计算机专业课程；虚实结合
　　作者简介：刘辉，女，讲师，研究方向为图形图像处理；曾松，男，助理实验师，研究方向为计算机网络、实验室建设。
　　
　　实验教学是培养学生实践和创新能力的一个重要环节，特别是对计算机这一实践性很强的学科来说，显得尤为重要。计算机类专业课或专业基础课一般比较抽象，必须通过实验环节来帮助学生理解和掌握。为此，各高校为计算机相关专业课程配备了专用实验室以及专用仪器设备，以完成相应实验教学。如广东商学院信息学院就分别为计算机组成原理、接口技术、数字电路、计算机网络等课程安排了专用实验室，购置了专用实验装置，以满足教学需要。
　　1传统实验室存在的问题
　　通过看得见摸得着的实物仪器装置，学生可以较容易的获得感性认识，将抽象的理论变成直观的现实，这种传统实验室为学生提供了真实的实验环境，使学生身临其境，理论上教学效果应当非常好。但是，很多高校现有传统计算机专业实验室存在很多问题，很难达到理想的实验效果[1-2]。
　　首先，传统实验室的投资高，利用率却很低。以某些计算机专业课程为例，如计算机组成原理、微机接口等，需要专用实验室配备专用设备仪器，只能为少数专业少数学生使用，实验室及实验设备使用率很低，闲置率超过60%，有的甚至超过80%，资源浪费非常严重，束缚了实验室功能的充分发挥。
　　第二，传统实验室对时间和空间的限制严重。大部分实验课程只能以教师为中心，在实验室完成，学生不能自主进行实验，学生的主动性和积极性难以发挥。
　　第三，传统实验室中的实验设备灵活性差。一般，计算机类实验仪器设计复杂，很难增添功能或改变实验内容及实验过程，往往只能进行验证性实验，综合性、设计性实验难以开设。
　　第四，传统实验室发展潜力不大。就算是配备了最新的教学实验设备，新技术、新成果也无法及时体现，导致学生的知识结构及动手能力不能与社会发展同步，总是滞后于现代技术发展前沿。如果考虑对传统实验室进行改造，则需耗费巨大的人力、物力、财力，价值不高。
　　第五，问题的难以重现。在传统实验室中，由于实验设备复杂，实验环境等客观因素对实验有很大影响，有些问题是学生操作不当引起，有些问题可能是当时设备状态出了问题，如果不能及时跟进，过后很难再确定问题原因，这样往往使学生无法找到问题本质，严重影响对实验的理解。
　　以广东商学院为例，实验室建设受到经费的限制，许多先进的设备无力购买或不能及时更新，从而导致实验室的设备总是处于落后甚至淘汰的边缘。以计算机组成原理实验箱为例，尽管提供了16机的一些操作，但本质上是8位机，而目前普遍存在的CPU是32位，且正向64位发展，这种理论和实际的脱节，势必影响学生对知识的理解和应用。实验内容也因此无法得到及时更新，再加上实验课时和实验场地相对紧缺等种种客观因素，实验教学质量始终得不到保障，学生甚至反映实验比课堂理论还难理解。
　　如何弥补传统实验室的诸多不足，同时引入新颖的教学模式，提高教学质量呢？虚拟实验环境为我们提供了一个很好的方向。
　　2虚拟实验室
　　随着网络技术和计算机软件技术的迅速发展，虚拟实验室应运而生，它由美国弗吉尼亚大学的威廉•沃尔夫教授于1989年首先提出。所谓虚拟实验室是指利用计算机网络和虚拟现实技术创建的一类适于进行虚拟实验的实验系统，是利用软件在计算机中创建的虚拟实验系统。虚拟实验室具有以下传统实验室无法比拟的优点[3-5]。
　　第一，虚拟实验室的教学模式新颖，打破了传统实验室的束缚，给学生充分的发挥和想象空间。
　　第二，在虚拟实验室中进行实验，实验成本低。因为“软件即为仪器”，这样可以解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏不能开出实物实验的问题，同时也不会因使用不当、管理不善等因素造成仪器损坏、元器件丢失等现象，这样也减少了对实验室的投入和管理费用。
　　第三，在虚拟实验室中，实验效率很高。由于虚拟实验室中的设备都是处于理想状态，不会因为接触不良、设备故障等次要因素影响实验主体的进行，减少学生的无用功，提高实验效率。
　　第四，在虚拟实验室中学生的自主性、交互性好。学生可以像玩电子游戏一样，用鼠标去控制实验，一边改变实验条件，一边观察实验结果，可以任意放慢或加快实验过程，可以随时改变实验条件，可以看到在传统实验中看不到的变化过程。
　　第五，虚拟实验室的开放性、资源共享性、协作性好。虚拟实验室是一个开放的实验平台，突破了传统实验室对时间和空间的限制，实验者可以随时随地的进行各种实验。同时，虚拟实验室还可以模拟传统实验室中没有的设备，开设反映新技术新成果的应用实验及其他新型实验，可以开拓学生视野，提高学习兴趣，有利于学生创新能力的培养。在协同虚拟环境中，可实现合作实验、远程实验、协同研究等，提高学生的互助合作精神。
　　第六，虚拟实验室中的实验具有可重现性。不同于传统实验室，虚拟实验室由软件模拟，只要实验设定条件、实验步骤不变，实验结果就不变，甚至出现的问题也不变，这样对问题的定位就变得容易。
　　第七，虚拟实验室可以提高传统实验室的使用效能。以往由于实验环境的约束，学生只能在实验课上才开始接触实验设备，需经过一段时间来熟悉实验仪器，而课堂时间有限，这样会浪费在实验室的宝贵时间。开放虚拟实验室后，学生可以在虚拟实验平台上完成一些预习性的工作，进入传统实验室后，基本上就可以直接进行主要的实验过程了。
　　综上，虚拟实验室有效地弥补了传统实验室存在的不足，在教育领域得到了越来越广泛的应用。目前国内许多高校都根据自身需求建立了虚拟实验室，如中国科学技术大学的物理仿真实验软件，同济大学建筑学院的虚拟现实实验室，中南大学的操作系统虚拟实验室、计算机组成原理虚拟实验室等，而且均取得了较好的教学效果，师生反应良好。
　　当然，虚拟实验室不可能完全取代传统实验室，它只是一个虚拟环境，如果不进行实战，也只是纸上谈兵。因此，必须考虑将虚拟实验室与传统实验室相结合，发挥各自优势，这样才能搭建出好的实验环境，获得好的实验效果。
　　3虚实结合实验室的构建
　　通过分别对传统实验室和虚拟实验室的分析，可以看出，二者各有优缺，只有将二者结合才能构建一个实用性强的综合性实验室，才能为学习者营造一个不受时间、地点、实验设备约束的实验环境，使学生既可以感受到逼真的实验过程，接触到实际设备，加深对课程内容的理解，又节约了学校专用实验室的投入，提高实验室和设备的利用率。
　　目前，各高校多数都已经建成传统实验室。虚拟实验室方面，由于虚拟仪器的硬件是以通用的微型计算机为基础，各高校的实验室一般已拥有相当数量的通用计算机，只要购买一定的仪器模板以及相应的软件，就可以构成足够数量的虚拟仪器供学生使用。因此，虚实结合实验室的构建条件是完全具备的。
　　笔者以本校计算机相关专业学生为对象，包括计算机、软件工程、电子商务、信息管理四个专业近400人，以硬件核心课程计算机组成原理为例，利用本校原有计算机组成原理传统实验室和购置的中南大学计算机组成原理虚拟实验室[6]，初步构建了虚实结合的综合实验室，实验室中提供了运算器、控制器、存储芯片、译码电路芯片、以及其他可编程芯片和常用的门电路逻辑芯片。根据虚拟实验系统提供的实验及课程内容安排了相应虚实结合的实验内容，如表1所示。通过合理分配实验内容，可以满足不同知识背景学生的要求。如对计算机专业的学生来说，表1中的每个实验都是可以进行的，而且很多实验可以在课下由学生自行完成。对于信息管理专业，由于课程要求不同，难度较大的实验可以省去或简化，如控制器实验、模型机实验等。
　　
　　表1实验项目表
　　在这种虚实结合实验室的构建中，有以下几项内容需要说明。
　　1) 课上实验项目的设置。采用了虚实融合的方式，每次实验采用任务驱动式，由教师布置任务，但不给出具体做法或仅给出少量提示，由学生主体设计实验过程并完成实验。实验项目循序渐进且具有整体性，以运算器项目为例，每次实验都是后继实验的基础，后继实验则是前一实验的应用。每个实验项目都是最后一个实验项目——模型机实验的一个模块，运算器、控制器、存储器等实验完成时，就形成了一台简单的模型机。
　　2) 虚实结合实验室的开放。由于传统实验室受到诸多条件限制，只能在课上开放，而虚拟实验室已经由工作人员安装在校园网服务器上，全天开放，虚拟实验室对客户端没有特别要求，学生可以随时通过网络进入虚拟实验室。
　　3) 师生交互。这一点在传统实验室中很容易实现，在虚拟环境下也必须提供。可以在虚拟实验室中设置问题区，学生无法解决的问题，可以将其问题状态保留在各自虚拟实验室中，一个学生可以保存多种实验状态，老师通过网络进入相应学生的虚拟环境，帮助分析问题原因。
　　4) 实验室中的设备更新。为了能在实验室中及时反映各种新技术、新方法，需要虚拟实验平台提供者及时升级系统，较之传统实验室的设备更新，这种升级所需的代价要小得多。
　　在广东商学院，笔者经过一个学年的教学实践，在学期末对学生进行调查发现，未使用虚拟实验室之前，学生往往还没来得及理解实验就已经到了下课时间，部分同学勉强完成实验，结果很多问题不能得到及时解决，日积月累到学期末，多数学生感觉对很多知识还是不懂，实验只是走过场。在引入虚拟实验室后，90%的学生都能自己完成实验内容，且感觉实验内容较容易，从学生交来的实验报告中可见一斑，这说明了虚实综合实验室的初步成效。
　　4结语
　　在计算机相关专业推行虚拟实验室与传统实验室相结合的综合实验室，可以紧跟最新技术的发展，突破传统实验室的束缚，可以营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围，为学生提供丰富的感性认识，加深对教学内容的理解，提高学生的学习主动性、互动性和创造性，弥补传统实验室及实验器材难以进行灵活使用的缺点。同时，虚实结合的实验室可以提高现有各类计算机专业实验室的使用率，以虚拟实验室为主导，节约计算机类专用实验室建设和设备更新的开支。因此有必要构建虚拟实验室环境，尤其是对计算机相关课程专业性较强的实验室。当然，笔者只是将虚拟实验室252bb9330f9f90152e1a27443d63c44d80a886df51470baf4aaacb2c4fd1dff2和传统实验室进行了简单的结合，作了初步尝试，如何才能最大程度地发挥二者作用，还有待进一步的教学实践和探索。
　　参考文献：
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