翻转课堂结合虚拟仿真推动大学计算机基础教学改革

◆李艳玲 王文溥 杜丽美

翻转课堂结合虚拟仿真推动大学计算机基础教学改革

◆李艳玲 王文溥 杜丽美

（长治学院计算机系 山西 046011）

本文以仿真实验为依托，提出了适合本校学生的翻转课堂结合虚拟实验的教学模式，推动虚拟仿真实验教学实实在在地于我校落地，切实提升全校计算机公共基础课的教学效果，培养学生智能时代的核心竞争力。虚拟实验翻转课堂彻底颠覆“老师讲、学生听”的教学模式，为人才培养改革提供了崭新的思路。

虚拟实验；翻转课堂；计算机教学

随着以互联网、人工智能为代表的第四次工业革命的纵深发展，文化的传播与体验方式发生了前所未有的改变。在这样的时代背景下，在培养创新创业型人才的迫切需求下，在国家花大力气建设金课的挑战下，高校的传统教学模式受到了挑战。如何激发学生的学习兴趣，有效提高学生的学习效率，是摆在每位教师面前亟待解决的问题。我们应该采用什么模式，借助什么技术和环境达到建设金课的目的。我们如何在未来的教育中体现学生的自主学习，实现学习的个性化，是我们设计大学计算机基础及应用课程遵循的理念。实际上早在先秦时期，我国的教育家孔子就已经践行了“因材施教”的个性化教学理念。根据每个学生的资质和性格，对同一个问题作出不同的回答。朱熹评价孔子为“圣贤施教，各因其材。小以小成，大以大成，无弃人也。”而如今，在社会飞速发展的信息化时代，我们面对上百名学生的课堂如何凸显个性化？难道依然是“老师在讲，学生在听”的一成不变的模式？教育模式必须要改，全新的教育模式不能只是干巴巴的理论，因此VR虚拟现实技术应顺势登上时代的舞台。借助虚拟仿真实验，提升教学效果，推动计算思维的培养，培养学生就业的核心竞争力[1]。本文以在线虚拟实验平台为基础，综合考虑“计算机基础及应用”课程的特点，结合本校学生的实际水平，从教学活动的设计、虚拟实验资源的使用及翻转课堂的应用等方面入手，研究了计算机基础课程教学模式的关键环节、可行性和有效性，为计算机基础课程与“虚拟实验+翻转课堂”的融合进行了有益的探索和尝试[2-4]。虚拟实验使学生获得亲临真实环境的感受和体验，翻转课堂提高学生的参与感，彻底改变“老师讲、学生听”的局面。

1 虚拟仿真实验教学的教学设计

大学计算机基础课程通常是大班授课，学生的知识结构参差不齐。授课过程中，学生没有参与感，对冷冰冰的原理和概念也没有太大的兴趣。美国教育家苏娜丹戴克曾说过：“告诉我，我会忘记，做给我看，我会记住，让我参加，我就会完全理解。”让学生从原理上升到感知，理解概念将会水到渠成，因为“纸上得来终觉浅，绝知学识要躬行”。学生学到的知识应该是动手做的，而不是老师教的。

传统实验步骤，只能通过老师的语言描述，其中涉及的理论、算法等内容非常抽象、不易理解。虚拟仿真实验将枯燥的实验数据可视化，用直观的动画演示帮助学生理解复杂的概念及原理，提升学生的学习参与感。当然教师要充分考虑哪些知识点适合虚拟，学生对模型、数据没有感知，所以我们尽可能地将数据可视化。

比如在讲计算机指令系统时，学生对枯燥的概念不感兴趣，借助虚拟实验跟踪指令执行的全过程，不仅使学生对指令的概念一目了然，而且可以直观地观察指令执行过程中，CPU、存储器内容的变化以及三大总线的信号流[5-6]。虚拟实验通过一条加法指令的执行，展示存储器、控制器和运算器等主要部件的工作原理，详细理解取指令→分析指令→执行指令的自动化过程。

程序中第一条指令的地址被放置在程序计数器PC中，如图1所示。这个寄存器具有自动加1的功能，用来生成下一条指令的地址，从而实现了程序的自动执行。人为指定两个加数后，操作数被送入内存RAM中。

图1 指令的执行过程

step1：取指令。根据PC到内存中取指令，并放到指令寄存器IR中，等待译码器分析指令。一条指令被取出后，程序计数器加1，指向下一条要执行的指令地址。

step2：指令译码。将指令寄存器中的操作码放到控制单元CU中，由译码器对操作码进行译码，然后送往控制器进行分析，产后执行指令的操作命令。CU对指令的执行过程进行控制。

图2 指令译码完成状态

step3：取数据。根据指令寄存器IR中两个加数的地址分别到RAM中取数据，放入通用寄存器GR中。

Step4：执行加法计算。算术逻辑部件ALU对两个加数进行加法计算，并将计算结果放到通用寄存器中。如图3所示。

图3 加法指令执行结束

虚拟实验不受时间和空间的限制，类似真实环境，对不可演示的数据进行可视化，使学生在轻松的动手实验中理解复杂的概念，引导学生主动思考从而获得计算思维能力[7-10]。

2 翻转课堂的教学设计

在高等教育信息化逐步深入的背景下，在线教学与课堂教学互补的混合式教学模式已经成为大家共同关注的问题。其中，翻转课堂实现了以学生为中心的教与学，打破了传统的授课方式，使所有的学生积极参与学习，能达到更好的教学效果。

我们采用基于问题导向的课程模式：“提出问题需求→展示案例→分析案例→知识点学习→案例实现→课后总结”。将知识与应用结合起来，不仅培养了学生主动探求的学习习惯，而且锻炼学生的实践技能。

例如讲授计算机加法指令时，通过学生亲自参与演出情景剧的形式，加深学生对“两个数相加”实验内容的理解。A同学扮演控制器，B同学扮演算术部件，C同学则扮演寄存器，D和E同学是两个加数……通过表演，使学生了解指令执行的三个重要阶段，执行过程中的数据转换和内存信息的变化，同时体会计算机的计算思维。

在翻转课堂模式下，可以通过设置问题，让其他学生回答参与思考。

问题1 计算机只是电子设备，本身并不具备主动思维的能力，更没有先天的“智能”，它如何自动完成复杂的信息处理功能？

问题2 PC的功能是什么？它的第一个数据是从哪里得到的？

问题3 如果加法只给出了一个操作数，加法指令是否可以执行？

通过翻转课堂方式，学生不仅参与了整个教学设计，而且自己动手获得了对问题的理解。陶行知先生提出：“行是知之始，知是行之成。”教师改变传统的角色，从主导者转变为辅助者，让学生在体验中获得最大的收获！

学生对新的课程模式的满意度较高，并在学期结束后给予了极高的评价。外语系16级学生评价：“事实证明，翻转课堂授课方式值得被研究推广，十分适合我院的学生……”化学17级学生评价：“一个学期的学习，以及后来的展示，同学之间的相互交流、互相促进，优点的学习，缺点的互补，老师的纠正，让我学到了很多……” 体育系17级学生评价：“我在学习的过程中，更多的感受到的是学习这个东西带给我的感觉，并没有那么烦躁，相反感觉很神奇，对计算机的兴趣也提高了我的学习效率……”学前教育18级学生评价：“这学期老师的授课内容以及授课方式对我们来说帮助很大，不仅丰富了我们的生活，而且还增进了师生感情，对我们产生了很大的影响。”学生的高度评价证明我们的教学改革是适合本校的，是能够在本校落地生根的。在此过程中，全校学生的计算机应用能力也得到了较大的提升。

3 结语

授人以鱼，不如授人以渔，学生在虚拟实验的过程中，获得深度学习体验和亲临现场的感受，配合翻转课堂使知识点与实际相结合，培养学生的应用创新能力。老师在之后的课堂上对相关知识总结，达到事半功倍，虚实结合的效果。总之，虚拟+翻转的教学模式，改变了传统的授课方式，得到了学生的一致认可，为计算机基础课程的学习提供了新的思路，是一种新型的“教、学、做”模式。

[1]教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.大学计算机基础课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社， 2016.

[2]李艳玲.新工科背景下的混合教学模式探究—以大学“计算机基础及应用”教学改革为例[J].长治学院学报，2018， 35（2）：82-84.

[3]张岩. “互联网+教育”理念及模式探析[J].中国高教研究，2016（2）：70-73.

[4]郭福亮，周钢，李永杰.大学计算机基础课程的实验体系研究[J].计算机教育，2018（2）：78-81.

[5]李凤霞等.大学计算机[M].北京：高等教育出版社，2017.

[6]李凤霞等.大学计算机实验[M].北京：高等教育出版社，2017.

[7]李林，李凤霞，兰山，余月.基于MOOC的虚拟仿真实验探究[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：111-113.

[8] 李林，陈宇峰，李凤霞，刘琦.虚拟实验在大学计算机课程教学改革中的研究[J].中国教育信息化，2017（8）：61-63.

[9]孙遒，吴长青，郑天翔. “互联网+”高校计算机基础教学新模式[J].计算机时代，2017（1）：66-68.

[10]乔莉，魏海波.基于翻转课堂和虚拟仿真的单片机教学改革[J].实验技术与管理，2018（3）：112-114.

[11]谢绍平，刘强，谌贻波.虚拟实验：MOOC环境下实验教学的重要发展方向[J].中国教育信息化，2018，23（4）： 74-79.

全国高等院校计算机基础教育研究会基金资助项目（2018-AFCEC-042）;山西省基础研究计划资助项目（201601D011007）;长治学院优秀课程资助项目（zz2017018）。