虚拟实验在《大学计算机基础》课中的应用

2019-05-17杜丽美王文溥李艳玲

现代计算机 2019年10期

杜丽美，王文溥，李艳玲

（长治学院计算机系，长治 046011）

0 引言

随着计算机技术的飞速发展，我国高校的教学模式已经不再局限于传统的教学方式了，新的时代不断推动我们改变以往的教学模式，为此大学教师们纷纷探索适合新时代大学生的教学模式[1-2]，这期间出现了很多自主学习的平台，如中国大学MOOC、学堂在线、百度传课、超星学习通，等等，另外为了在课堂上使学生充分理解相关的理论内容，出现了各种虚拟实验平台，目的是让学生在真正的动手操作基础上学会课本内容，虚拟实验引入课堂能够起到培养学生计算思维能力的作用，而且将理论内容与实践内容相结合可将抽象的问题具体化、可视化，本文就以虚拟实验在《大学计算机基础》课上的应用为例来介绍该课程改革思路。

1 《大学计算机基础》课程现状

长期以来我校的《大学计算机基础》课的授课重点为Office 三大组件的应用，随着时代的发展，近年来多数初高中的信息技术课程中已经涵盖了Office 三大组件的基本操作问题，图1 所示的曲线图为学生刚步入大学后对学生的有关计算机基础知识的测试（包括Windows 基本操作、Word、Excel、PowerPoint），图 1 表明多数学生或多或少已经有了基本的计算机基础知识和基本操作素养，为了培养应用型需求的人才以及培养学生的计算思维能力，需要当代的大学生除了能够熟练使用Office 办公软件之外，还需要了解计算机其他方面的知识。

图1 不同专业计算机基础知识测试成绩

2 虚拟实验简介

如今的教学需要引入大量教学实验，但是有些授课内容本身就比较抽象，对应的实验更是无法用实物模拟，例如计算机内部CPU 与内存之间数据的交换、数制在计算机内部的转换等问题，因此必须设计出相应的虚拟实验来解决此问题，另外如果单是从硬件上引入实验器材等设备，还会面临资金不足、实验场所不够、设备维修老化等问题，正因为传统的实验方式有这些缺点，我们必须转变实验方法，虚拟实验[3-4]是当前各大高校探讨的热点问题，在课程中引入虚拟实验的好处如下：

（1）将一些抽象问题具体化，通过虚拟实验最终使学生掌握理论知识。

（2）减少资源的浪费现象。

（3）避免因为人数过多而缺少实验设备和实验机房的问题。

（4）一切设备都是虚拟出来的，这会增加学生的好奇心，有利于培养学生的逻辑思维能力和计算思维能力。

（5）虚拟实验可以跨时间和地区进行，学生的学习方式更加自由，有助于帮助学生合理利用时间。

（6）由于《大学计算机基础》课面向全校学生授课，学生各方面的能力[5]参差不齐，通过虚拟实验可以加深学生对理论内容的理解。

3 虚拟实验在《大学计算机基础》课中的应用

为了满足应用型人才发展的需要，以及培养学生的计算思维能力[6]，我们在《大学计算机基础》课中除了讲Office 以外，还需要向学生介绍如下几个方面的内容：计算机工作原理、计算机网络的基础知识、Internet应用、云计算、大数据、物联网、信息安全、程序设计以及在条件允许的情况下引入图像处理技术和动画制作技术，等等，这些内容有很多都比较抽象，所以在授课过程中要辅以虚拟实验，以加深学生对理论内容的理解。表1 所示为《大学计算机基础》课程需要引入的实验，根据实验类型的不同可以分为：验证型实验、交互型实验、演示型实验、操作型实验等类型，其中实验1、2、3、4、8、9 需要采取虚拟实验的方式来完成，实验 10为编程实验，实验 5、6、7、11、12 为对具体应用软件的使用，下面简要介绍部分虚拟实验能够体现出的教学内容。

表1 相关实验名称

3.1 虚拟实验在计算机工作原理中的应用

学生认识了计算机的硬件系统和软件系统后，还需要对计算机的基本工作原

理有所认识和了解，计算机的工作过程其实就是运行程序指令的过程，在这个过程中CPU 要不断地通过各种总线与内存进行信息的交换，为了让大家清楚地认识这个过程，我们可以借助虚拟实验[7]来进行，图2所示的虚拟实验完成了两个数的加法运算，通过此实验大家可以更加深刻地认识计算机内部是怎样进行取指令、指令译码、取数据以及完成最终的运算的，而且也能够深刻地认识CPU 的两大部件的功能。此外还可以借助此虚拟实验给大家解释计算机内部的各种进制之间的转换过程。

图2 计算机工作原理

图3 计算机内部的加减法运算

3.2 虚拟实验在数制编码及数制运算中的应用

对于进制之间的转换以及运算问题，可以借助图3的实验进行，此虚拟实验分别展示了十进制的正数和负数如何变成相应的二进制数，并且转换为反码、补码进行加减法运算的。

图4 设备之间的连接

3.3 虚拟实验在计算机网络中的应用

有关计算机网络的基础知识有很多，其中在网络的拓扑结构方面、网络传输介质方面、网络中转设备方面可以引入虚拟实验，图4 借助Cisco 组网软件，可以给大家演示分别使用不同的连接设备组建的局域网的区别，图4（1）采用集线器为连接设备连接四台主机，连接线使用直通线；图4（2）采用交换机作为连接设备，连接线为直通线；图4（3）是两台主机直接相连，连接线为交叉线。分别为这三种网络中的主机配置IP 地址，并且使用Ping 命令测试每种组网下的主机之间是否处于连通状态，还可以使用Cisco 软件中自带的捕获/转发功能，观察数据在线路上的传输过程。借助本实验可以让学生认识网络拓扑结构，直通线和交叉线的区别，集线器和交换机的区别，IP 地址的使用，以及测试网络是否连通的Ping 命令。

3.4 虚拟实验在其他理论内容中的应用

介绍计算机系统组成这部分内容时，为了让学生切身感受计算机的硬件设备，最好的方法还是采用虚拟实验的方式，这样极大地减少了时间和空间的浪费。介绍图像在计算机内部的存储时，一味地进行理论介绍会使得抽象的内容变得更复杂，辅以虚拟实验，从最简单的黑白图像可以表示成一个0、1 矩阵开始，逐步让学生轻松地领会各种图像在计算机内部的存储问题。在介绍邮件的收发这部分内容时，可以利用虚拟实验，让学生认识邮件服务器的概念，以及发送和接收邮件的协议等理论内容。

4 考核方式与教学效果分析

在考核方式上为了突显学生在每个阶段的学习情况，注重学习的过程而不是最终的考试成绩，这里采用的考核方式为:阶段测试+期末考试的形式，其中阶段测试分为三次测试，分别测试每部分的教学效果以及学生的学习情况；期末考试采用无纸化机试的形式，题目类型有选择题、Windows 基本操作题、打字题、Word、Excel、PowerPoint 六种题型，学生登录系统后随机抽取一套题进行测试，避免了抄袭现象的发生，同时也为教师减轻了批卷的负担。

将本文中提出的课改思路和考核方式直接应用在法学专业的两个班中（每班人数均为49 人），其中在法学一班的授课中引入虚拟实验，在法学二班的授课中不引入虚拟实验，通过一个学期的授课，在最终的期末考试结果中进行比较，通过表2 和图5 发现引入虚拟实验的班级的教学效果明显优于没有引入虚拟实验的班级，说明本文提出的课改思路是有效的，并且可以在全校范围内推广实施。