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高校計算機虛擬仿真實驗研究

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高校計算機虛擬仿真實驗研究

摘要:設(shè)計并實現(xiàn)了計算機專業(yè)程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺,提出“線上線下混合式”實驗教學(xué)模式和“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式,意圖通過創(chuàng)造“虛擬仿真環(huán)境(程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺)+實驗教學(xué)模式”的虛擬仿真實驗教學(xué)解決方案來彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足,通過“傳統(tǒng)實驗教學(xué)+虛擬仿真實驗教學(xué)”,來達(dá)到提高實驗教學(xué)質(zhì)量的目的。文章從虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建和虛擬實驗教學(xué)模式的設(shè)計兩方面對計算機專業(yè)虛擬仿真實驗中心的建設(shè)進(jìn)行闡述,并總結(jié)和反思了虛擬實驗教學(xué)的實踐意義和需要改進(jìn)之處。

關(guān)鍵詞:虛擬仿真;計算機專業(yè);實驗教學(xué)模式;實驗平臺

2018年5月30日,教育部為了貫徹黨的精神,適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的要求,深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,經(jīng)研究,決定開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作[1]。近年來,隨著現(xiàn)代化的多媒體技術(shù)、軟件仿真和虛擬現(xiàn)實(又稱VR)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,越來越多的國內(nèi)外從事教育工作的學(xué)者認(rèn)識到以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托,從而將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式、實驗教學(xué)方法發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變,以適應(yīng)現(xiàn)代信息化實驗教學(xué)的需要,因此虛擬仿真實驗教學(xué)得以產(chǎn)生、發(fā)展并廣泛地應(yīng)用于日常的實驗教學(xué)。其實,隨著“虛擬仿真實驗教學(xué)”這個概念的的提出,目前很多高校成立了虛擬仿真實驗室,并在實驗教學(xué)中取得了良好效果。國外在虛擬仿真實驗這方面明顯領(lǐng)先于我國,國外高校相繼開發(fā)并使用了虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。ClarksonUniversity研發(fā)了虛擬電子教學(xué)實驗系統(tǒng),該虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)供學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計和習(xí)題練習(xí),具有自動批改和指導(dǎo)等功能。德國魯爾大學(xué)開發(fā)了VirtualControlsLab,其系統(tǒng)的設(shè)計以場景逼真和可操作性強為設(shè)計原則,包含了多個典型的工程控制類實驗。為了響應(yīng)教育部的號召和學(xué)校自身發(fā)展的需要,我校計算機科學(xué)與工程學(xué)院的教研團(tuán)隊結(jié)合自身的辦學(xué)定位和虛擬仿真實驗的現(xiàn)實需求,設(shè)計了程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺。并在研發(fā)了虛擬仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上,設(shè)計了虛擬實驗教學(xué)模式。

1程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺設(shè)計內(nèi)容。程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺設(shè)計目的主要是針對軟件程序設(shè)計語言類的實驗教學(xué)。該平臺能夠虛擬出一套與真實語言環(huán)境相當(dāng)?shù)挠嬎銠C語言編譯和運行環(huán)境,從而能夠檢驗學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中已經(jīng)掌握的專業(yè)知識的程度。程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計主要包括三個功能模塊:登錄模塊、教學(xué)模塊、學(xué)生在線自測模塊。⑴登錄模塊:登錄模塊主要包括登錄和注冊兩個子功能。首先是后臺管理員以班級為單位進(jìn)行注冊用戶名并設(shè)置登密碼,然后學(xué)生即可進(jìn)行登錄。⑵學(xué)生在線自測模塊:學(xué)生在線自測模塊主要包括實驗練習(xí)和實驗測試兩個子功能。實驗練習(xí)模塊中含有大量的程序設(shè)計的練習(xí)題,供學(xué)生平時練習(xí)。實驗測試模塊中含在一定量程序測試題目,主要用來檢驗學(xué)生掌握程序設(shè)計語言的效果和能力。⑶教學(xué)模塊:教學(xué)模塊主要包括題庫資源上傳、實驗報告下載、實驗進(jìn)度查詢、實驗成績名次查詢和實驗相似度功能。首先由教師將要用于實驗測試的題庫資源上傳到后臺,學(xué)生一旦提交將測試題目提交后,教師能夠在后臺查詢到每個學(xué)生的實驗進(jìn)度、實驗準(zhǔn)確率,并根據(jù)實驗準(zhǔn)確率和實驗進(jìn)度得到一個綜合的成績排名。教師將學(xué)生提交的代碼在后臺進(jìn)行一個簡單的相似度,可以大致判斷學(xué)生實驗的重復(fù)率。當(dāng)學(xué)生完成所有的實驗測試題目后,教師可以在后臺將學(xué)生提交的代碼進(jìn)行下載,以此作為學(xué)生實驗成績的評定標(biāo)準(zhǔn)之一。1.2程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的整體架構(gòu)與實現(xiàn)。程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建采用三層B/S結(jié)構(gòu)。第一層為表示層是用戶與整個平臺的接口,本層的功能主要是通過瀏覽器將平臺的內(nèi)容完整的展示在用戶面前。第二層也就是業(yè)務(wù)邏輯處理層,該層的主要功能是用服務(wù)器的調(diào)用第三層的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成用戶所需的虛擬實驗環(huán)境,同時將用戶的實驗程序和結(jié)果提交到后臺數(shù)據(jù)庫。第三層是數(shù)據(jù)處理層,存儲用戶所需的各種數(shù)據(jù)信息,為平臺提供需要的數(shù)據(jù)。構(gòu)建該平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺的實現(xiàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2所展示的是在Web環(huán)境下虛擬仿真實驗,圖3所展示的是根據(jù)學(xué)生做題的速度和準(zhǔn)確率的綜合排名。

2基于虛擬仿真實驗的實驗教學(xué)模式設(shè)計

2.1設(shè)計“線上線下混合式”的實驗教學(xué)模式。程序設(shè)計語言類的實驗教學(xué)目前主要是以學(xué)生以班級為單位在機房上機實驗為主。這里以C語言程序設(shè)計的實驗教學(xué)為例。C語言是計算機專業(yè)學(xué)生的入門語言,是學(xué)科“基礎(chǔ)的基礎(chǔ)”,C語言的作用和地位是位于所有計算機專業(yè)學(xué)科的根部。傳統(tǒng)的C語言的實驗教學(xué)模式是指在計算機上安裝vc++6.0的實驗環(huán)境,學(xué)生在機房按照實驗題目的要求進(jìn)行程序設(shè)計,然后運行程序,得到結(jié)果。所謂“線上線下混合式”實驗教學(xué)模式是指在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上增設(shè)一定量學(xué)時的利用虛擬仿真實驗平臺的程序設(shè)計類虛擬實驗,主要是利用虛擬仿真實驗平臺在web上模擬出真實的C語言程序設(shè)計的編譯和運行環(huán)境。而虛擬實驗的程序設(shè)計題目主要來自于ACM程序設(shè)計大賽的訓(xùn)練題目。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式主要是驗證類實驗和設(shè)計類實驗,而增設(shè)的虛擬實驗主要是以設(shè)計類實驗為主,并在一定程度上增加了實驗的難度和復(fù)雜度。增設(shè)虛擬實驗的目的主要是加強學(xué)生對C語言程序設(shè)計的綜合能力。“線上線下混合式”實驗教學(xué)模式的提出,能夠鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識,擴展學(xué)生的程序設(shè)計能力,使學(xué)生完成從“基礎(chǔ)設(shè)計”到“綜合設(shè)計”能力的轉(zhuǎn)變。2.2設(shè)計“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式?!疤搶嵔Y(jié)合”的實驗教學(xué)模式是指將虛擬仿真軟件與硬件設(shè)計與實踐相結(jié)合的的實驗教學(xué)模式。該實驗教學(xué)模式主要應(yīng)用在計算機硬件語言程序設(shè)計與實踐相結(jié)合的計算機實驗課程,例如數(shù)字系統(tǒng)、HDL課程等。這里以HDL課程為例?!疤搶嵔Y(jié)合”實驗教學(xué)模式的HDL實驗課程的第一階段,是利用軟件ModelSim進(jìn)行仿真。在這個實驗教學(xué)過程中,學(xué)生在虛擬仿真軟件ModelSim上利用HDL語言進(jìn)行硬件程序設(shè)計。“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)模式的HDL實驗課程的第二階段,主要是學(xué)生根據(jù)在虛擬仿真軟件ModelSim上進(jìn)行程序設(shè)計的內(nèi)容和結(jié)果來完成硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。

3虛擬仿真實驗教學(xué)的創(chuàng)新點

我校虛擬仿真實驗教學(xué)的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下兩個方面。⑴“線上線下混合式”和“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)模式填補了虛擬仿真實驗教學(xué)模式的空白?!熬€上線下混合式”和“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式的研究成果是經(jīng)過從計算機專業(yè)課設(shè)置的特點到實驗課需要學(xué)生具備的實踐能力所提出的,經(jīng)過深入調(diào)研、總結(jié)思考、全面規(guī)劃的研究成果具有創(chuàng)新性和可行性,填補了高校虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的實驗教學(xué)模式的空白。⑵程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與推廣,國內(nèi)領(lǐng)先學(xué)生登錄虛擬仿真實驗平臺后可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行實驗練習(xí)和測試,平臺的設(shè)計與推廣主要針對高校計算機專業(yè)的學(xué)生,在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

4虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐意義與反思

4.1虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐意義。程序設(shè)計語言類虛擬仿真實驗平臺自2018年9月投入使用,截止至今,該實驗教學(xué)平臺主要支持大學(xué)計算機專業(yè)語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計等計算機專業(yè)課程的虛擬仿真實驗教學(xué)。虛擬仿真實驗教學(xué)的實踐意義主要體現(xiàn)大豐富了實驗內(nèi)容和實驗教學(xué)模式?!熬€上線下混合式”實驗教學(xué)模式是對平時基礎(chǔ)實驗的擴展和延伸。而設(shè)計“線上線下混合式”實驗教學(xué)模式和“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式,極大的改變和豐富了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。4.2虛擬仿真實驗教學(xué)的反思。我校虛擬仿真實驗教學(xué)的實施與推廣,雖然得到了在校師生的熱烈反響和高度評價,但反思虛擬仿真實驗教學(xué)存在的不足,主要從以下兩個方面改進(jìn)。⑴虛擬仿真實驗平臺需要“軟硬結(jié)合”,發(fā)揮虛擬仿真實驗課程的最大作用有關(guān)硬件實驗課程的虛擬仿真實驗平臺仍需建設(shè),如何將程序設(shè)計語言類與硬件類虛擬仿真實驗平臺有效的融合,以最大限度的發(fā)揮虛擬仿真實驗課程的最大效用仍是我們所面臨和需要解決的問題。⑵要不斷加強實驗教師隊伍的建設(shè)隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”、慕課、微課和虛擬仿真實驗等概念的提出和實行,實驗教學(xué)已經(jīng)從傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生做”的授課模式而逐步向信息化教學(xué)轉(zhuǎn)變。因此需要實驗教師不斷地更新自己的現(xiàn)代教育理念,運用現(xiàn)代化、信息化的手段或工具來豐富自己的實驗課堂,滿足信息化實驗教學(xué)的多種需求。

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作者:孫慧然 王紅梅 單位:長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院