高校计算机专业虚拟仿真实验的研究与实践

2020-02-14孙慧然王红梅

计算机时代 2020年1期

孙慧然王红梅

摘要：设计并实现了计算机专业程序设计语言类虚拟仿真实验平台，提出“线上线下混合式”实验教学模式和“虚实结合”的实验教学模式，意图通过创造“虚拟仿真环境（程序设计语言类虚拟仿真实验平台）+实验教学模式”的虚拟仿真实验教学解决方案来弥补传统实验教学的不足，通过“传统实验教学+虚拟仿真实验教学”，来达到提高实验教学质量的目的。文章从虚拟仿真实验平台的构建和虚拟实验教学模式的设计两方面对计算机专业虚拟仿真实验中心的建设进行阐述，并总结和反思了虚拟实验教学的实践意义和需要改进之处。

关键词：虚拟仿真; 计算机专业; 实验教学模式; 实验平台

中图分类号：TP393.05-4;G642.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2020）01-87-04

Abstract： A virtual simulation experiment platform for programming language courses of computer specialty is designed and implemented， and the "online and offline blended" experiment teaching mode and the experiment teaching mode of "the combination of the virtual and real" are put forward to make up for the deficiency of traditional experiment teaching by creating a virtual simulation experiment teaching solution of "virtual simulation environment （the virtual simulation experiment platform for programming language courses） + experiment teaching mode"， so as to achieve the purpose of improving the quality of experiment teaching. This paper expounds the construction of virtual simulation experiment center of computer specialty from two aspects of the construction of virtual simulation experiment platform and the design of virtual experiment teaching mode， and summarizes and reflects on the practical significance of virtual experiment teaching and the requirement for improvement.

Key words： virtual simulation; computer specialty; experiment teaching mode; experiment platform

0 引言

2018年5月30日，教育部为了贯彻党的十九大精神，适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的要求，深化信息技术与教育教学深度融合，经研究，决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作[1]。近年来，随着现代化的多媒体技术、软件仿真和虚拟现实（又称VR）技术的不断发展和完善，越来越多的国内外从事教育工作的学者认识到以现代信息技术为依托，从而将传统的实验教学模式、实验教学方法发生根本性的转变，以适应现代信息化实验教学的需要，因此虚拟仿真实验教学得以产生、发展并广泛地应用于日常的实验教学。其实，随着“虚拟仿真实验教学”这个概念的的提出，目前很多高校成立了虚拟仿真实验室，并在实验教学中取得了良好效果。国外在虚拟仿真实验这方面明显领先于我国，国外高校相继开发并使用了虚拟实验教学系统。Clarkson University研发了虚拟电子教学实验系统，该虚拟实验教学系统供学生进行电路设计和习题练习，具有自动批改和指导等功能。德国鲁尔大学开发了Virtual Controls Lab，其系统的设计以场景逼真和可操作性强为设计原则，包含了多个典型的工程控制类实验。

为了响应教育部的号召和学校自身发展的需要，我校计算机科学与工程學院的教研团队结合自身的办学定位和虚拟仿真实验的现实需求，设计了程序设计语言类虚拟仿真实验平台。并在研发了虚拟仿真实验平台的基础上，设计了虚拟实验教学模式。

1 程序设计语言类虚拟仿真实验平台的设计与实现

1.1 程序设计语言类虚拟仿真实验平台设计内容

程序设计语言类虚拟仿真实验平台设计目的主要是针对软件程序设计语言类的实验教学。该平台能够虚拟出一套与真实语言环境相当的计算机语言编译和运行环境，从而能够检验学生在虚拟仿真环境中已经掌握的专业知识的程度。程序设计语言类虚拟仿真实验平台的设计主要包括三个功能模块：登录模块、教学模块、学生在线自测模块。

⑴ 登录模块：登录模块主要包括登录和注册两个子功能。首先是后台管理员以班级为单位进行注册用户名并设置登密码，然后学生即可进行登录。

⑵ 学生在线自测模块：学生在线自测模块主要包括实验练习和实验测试两个子功能。实验练习模块中含有大量的程序设计的练习题，供学生平时练习。实验测试模块中含在一定量程序测试题目，主要用来检验学生掌握程序设计语言的效果和能力。

⑶ 教学模块：教学模块主要包括题库资源上传、实验报告下载、实验进度查询、实验成绩名次查询和实验相似度查重功能。首先由教师将要用于实验测试的题库资源上传到后台，学生一旦提交将测试题目提交后，教师能够在后台查询到每个学生的实验进度、实验准确率，并根据实验准确率和实验进度得到一个综合的成绩排名。教师将学生提交的代码在后台进行一个简单的相似度查重，可以大致判断学生实验的重复率。当学生完成所有的实验测试题目后，教师可以在后台将学生提交的代码进行下载，以此作为学生实验成绩的评定标准之一。

1.2 程序设计语言类虚拟仿真实验平台的整体架构与实现

程序设计语言类虚拟仿真实验平台的构建采用三层B/S结构。第一层为表示层是用户与整个平台的接口，本层的功能主要是通过浏览器将平台的内容完整的展示在用户面前。第二层也就是业务逻辑处理层，该层的主要功能是用服务器的调用第三层的数据库中的数据生成用户所需的虚拟实验环境，同时将用户的实验程序和结果提交到后台数据库。第三层是数据处理层，存储用户所需的各种数据信息，为平台提供需要的数据。构建该平台的整体结构如图1所示。平台的实现结果如图2和图3所示。图2所展示的是在Web环境下虚拟仿真实验，图3所展示的是根据学生做题的速度和准确率的综合排名。

2 基于虚拟仿真实验的实验教学模式设计

2.1 设计“线上线下混合式”的实验教学模式

程序设计语言类的实验教学目前主要是以学生以班级为单位在机房上机实验为主。这里以C语言程序设计的实验教学为例。C语言是计算机专业学生的入门语言，是学科“基础的基础”，C语言的作用和地位是位于所有计算机专业学科的根部。传统的C语言的实验教学模式是指在计算机上安装vc++6.0的实验环境，学生在机房按照实验题目的要求进行程序设计，然后运行程序，得到结果。所谓“线上线下混合式”实验教学模式是指在传统实验的基础上增设一定量学时的利用虚拟仿真实验平台的程序设计类虚拟实验，主要是利用虚拟仿真实验平台在web上模拟出真实的C语言程序设计的编译和运行环境。而虚拟实验的程序设计题目主要来自于ACM程序设计大赛的训练题目。传统的实验教学模式主要是验证类实验和设计类实验，而增设的虚拟实验主要是以设计类实验为主，并在一定程度上增加了实验的难度和复杂度。增设虚拟实验的目的主要是加强学生对C语言程序设计的综合能力。“线上线下混合式”实验教学模式的提出，能够巩固学生的基础知识，扩展学生的程序设计能力，使学生完成从“基础设计”到“综合设计”能力的转变。

2.2 设计“虚实结合”的实验教学模式

“虚实结合”的实验教学模式是指将虚拟仿真软件与硬件设计与实践相结合的的实验教学模式。该实验教学模式主要应用在计算机硬件语言程序设计与实践相结合的计算机实验课程，例如数字系统、HDL课程等。这里以HDL课程为例。

“虚实结合”实验教学模式的HDL实验课程的第一阶段，是利用软件ModelSim进行仿真。在这个实验教学过程中，学生在虚拟仿真软件ModelSim上利用HDL语言进行硬件程序设计。“虚实结合”实验教学模式的HDL实验课程的第二阶段，主要是学生根据在虚拟仿真软件ModelSim上进行程序设计的内容和结果来完成硬件的设计与实现。

3 虚拟仿真实验教学的创新点

我校虚拟仿真实验教学的创新点主要体现在以下两个方面。

⑴ “线上线下混合式”和“虚实结合”实验教学模式填补了虚拟仿真实验教学模式的空白。

“线上线下混合式”和“虚实结合”的实验教学模式的研究成果是经过从计算机专业课设置的特点到实验课需要学生具备的实践能力所提出的，经过深入调研、总结思考、全面规划的研究成果具有创新性和可行性，填补了高校虚拟仿真实验教学建设的实验教学模式的空白。

⑵ 程序设计语言类虚拟仿真实验平台的设计与推广，国内领先学生登录虚拟仿真实验平台后可以根据自己的需要进行实验练习和测试，平台的设计与推广主要针对高校计算机专业的学生，在国内处于领先地位。

4 虚拟仿真实验教学的实践意义与反思

4.1 虚拟仿真实验教学的实践意义

程序设计语言类虚拟仿真实验平台自2018年9月投入使用，截止至今，该实验教学平台主要支持大学计算机专业语言程序设计、数据结构程序设计等计算机专业课程的虚拟仿真实验教学。虚拟仿真实验教学的实践意义主要体现大丰富了实验内容和实验教学模式。“线上线下混合式”实验教学模式是对平时基础实验的扩展和延伸。而设计“线上线下混合式”实验教学模式和“虚实结合”的实验教学模式，极大的改变和丰富了传统的实验教学模式。

4.2 虚拟仿真实验教学的反思

我校虚拟仿真实验教学的实施与推广，虽然得到了在校师生的热烈反响和高度评价，但反思虚拟仿真实验教学存在的不足，主要从以下两个方面改进。

⑴ 虚拟仿真实验平台需要“软硬结合”，发挥虚拟仿真实验课程的最大作用

有关硬件实验课程的虚拟仿真实验平台仍需建设，如何将程序设计语言类与硬件类虚拟仿真实验平台有效的融合，以最大限度的发挥虚拟仿真实验课程的最大效用仍是我们所面临和需要解决的问题。

⑵ 要不断加强实验教师队伍的建设

随着“互联网+教育”、慕课、微課和虚拟仿真实验等概念的提出和实行，实验教学已经从传统的“老师讲、学生做”的授课模式而逐步向信息化教学转变。因此需要实验教师不断地更新自己的现代教育理念，运用现代化、信息化的手段或工具来丰富自己的实验课堂，满足信息化实验教学的多种需求。

参考文献（References）：

[1] 苏晓勇，徐送林.虚拟仿真实验教学中心建设的解读与思考[J].实验室科学，2018.21（1）：188-190

[2] 陈卫东，叶新东，张际平.智能教室研究现状与未来展望[J].远程教育杂志，2011.4：39-45

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