张春英，赵艳君，谷建涛
(华北理工大学理学院，河北唐山063009)摘要：分析地方高校大学计算机基础课程的现状，以培养学生的计算思维能力为目标，提出将虚拟实验体系融入实践教学环节，构建集虚拟实验平台、实践训练平台、网络作业平台和综合测试平台为一体的虚实融合的实验平台，为学生提供丰富的课内外实践训练，在培养学生计算思维的同时提高其应用技能和创新素质。
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关键词 ：大学计算机；虚实融合；实验平台；教学改革
基金项目：全国高等院校计算机基础教育研究会( 201448；201449)。
第一作者简介：张春英，女，教授，研究方向为数据挖掘、社会网络、计算机教育，zchunying@ncst．edu．cn。
1 地方高校的计算机基础课程现状
随着计算机技术的发展和社会对计算机能力需求的变化，大学计算机基础课程面临严峻考验，教学过程中也凸显出各种问题。尤其在地方高校，各种条件的制约让计算机基础课程面临一系列问题。
(1)学生的学习意识不强。大学计算机基础课程是大学生入学后的第一门计算机课程，大部分学生没有意识到课程的重要性，他们的学习意识仍停留在简单操作上，没有对计算机原理性知识的渴求，没有意识到计算机知识的系统性，没有深入理解计算机处理事务的过程，缺乏“计算思维”。遇到陌生、复杂的问题时，不知从何下手，不能用计算机知识对问题进行分析解决。
(2)教师对改革认识不深。课程改革一直是授课教师考虑的重要课题。大学计算机基础课程也经历了多次的改革，从一开始的“文化技术基础”到后来的“信息技术基础”，再到现在的“大学计算机基础”，每次变革主要体现为形式的变化，而不是内容的变革。教师因受诸多因素（如教学大纲、社会需求、固化的教学模式等）的制约，思维被长期禁锢于软件训练和操作培养方面，对于实质内容的改革认识深度不够。
(3)管理层的重视程度不够。越来越多的人会简单使用计算机，这就造成很多教育管理层的人员怀疑大学计算机基础这门课程的重要性，甚至其存在的必要性。目前在很多学校，这门课程的课时已被缩减，教学设施配备也显得匮乏；部分学校甚至已停止该课程的开设。
2 大学计算机基础课程改革势在必行
目前，各大高校积极开展将“计算思维”纳人大学计算机基础课程的相关教学改革中，但效果并不明显。究其根源，在于高校对计算思维的认识还不够成熟，没有形成完整的指导体系，思路不清晰。
我国高校教育有着明显的层次关系，各级院校的人才培养目标是不同的，基于计算思维能力培养的大学计算机基础教育改革必须分类型、分层次进行。地方院校既不能完全放弃现有的教学大纲和教学内容，搞“一刀切”；也不能完全沿用以前的内容，任由课程形势恶化。在此背景下，华北理工大学计算机课程改革如何实施，是任课教师需要思考的关键问题。
3 构建“虚实融合”实验平台
3.1 引入虚拟实验，训练学生计算思维
2014年3月，我们走访了北京理工大学计算机基础教学部，李凤霞教授介绍了由她的教学团队研究开发的计算机虚拟实验体系，以及“以虚拟实验方法促进计算思维落地的教学研究”的整个实施过程。经过深度交流讨论，我们体会到，虚拟实验技术对计算机基础课程教学内容和方法的改革起到很大的推动作用，将虚拟实验引入实践教学过程，在深化理论基础知识的同时兼顾应用能力的培养。结合学校地方特色和计算机基础教学改革现状，我们制定了一套基于计算思维能力培养的虚实融合教学模式：从北京理工大学开发的18个虚拟实验中，选取其中6个实验融入到实践教学环节，并为此重新制定了教学日历，调整了教学内容，见表1。该模式于2014年9月正式实施。
3.2 构建虚实融合实验平台，实现思维落地
针对大学计算机基础实践性强的特点，为了培养学生的实践操作能力和创新能力，我们构建了虚实融合实验平台，将课程的实践教学分为虚拟实验平台、实践训练平台、网络作业平台和综合测试平台，如图1所示。
虚拟实验平台旨在通过仿真软件的交互演示使学生真实体会计算机的思维模式。平台部分实践了计算思维在大学计算机课程中的表达问题，如“图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装”“字符编码与信息交换”等实验，不同程度地展示了基于计算机的问题求解的优势和限制，说明了形式化方法的基本理论和概貌。
实践训练平台旨在提高学生的计算机实际操作技能。平台共设计了16个实验和8个综合能力训练，主要内容包括操作系统基础、文字处理基础、计算机网络基础、网络信息安全、多媒体技术基础和数据库技术基础。每个实验含实验指导，分为验证性实验和设计性实验；综合能力训练共包括26个题目。
网络作业平台旨在跟踪检验学生的实验水平和知识掌握情况。平台针对每个章节设计了选择题、填空题、判断题、问答题和操作题；章节学习结束后将题目通过系统发布到网络上，学生可登录平台随时完成作业，在作业截止日期前，对该项作业学生可多次提交，平台以最后一次为准。在作业评判后，学生可查看作业成绩和作业中的错误。
综合测试平台旨在检验并激励学生提高自己的知识水平和计算机操作能力。其中设计了分章节的试题库，引入了其他高校的多套大学计算机课程试卷。每学期组织学生进行1～2次阶段测验，我们采取按一定的难易度比例随机抽题的策略，题目来自多所大学，如此可以使学生紧跟全国高校学生的水平。
4 新实验平台下的教学改革实践
我们在原有的“平台+软件”框架下，引入新的教学模式，具体表现为：
1)虚拟实验平台部分实践了计算思维的表达问题。
引入的6个虚拟实验侧重于计算机原理性、基础性、系统性的教学内容展示。虚拟实验的演示、交互和验证，使得抽象、枯燥的原理变得生动并易于理解；虚拟实验深度剖析计算机的基本原理，让学生在分析实际问题时能够站在计算机的角度思考，从而利用计算机解决问题，引导学生建立计算思维的方式。
“图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装”实验，采用动画形式展示了图灵机模型和冯·诺依曼体系结构，使学生更深刻地理解计算机科学的核心问题，真正认识计算的本质；通过对实际微机的虚拟拆装，学生可以从系统级的角度直观地了解微机的硬件系统组成及各部件的作用。该实验解决了地方院校计算机硬件教学资源缺乏的问题，能促进学生对计算机硬件系统的认识，加深对可计算问题和可计算系统的深刻理解。
“计算机中的数据表示与计算”实验，结合二进制数据的表示、存储、计算和处理来说明计算机中的数据表示与计算规则，使学生理解并掌握数据在计算机中的表示方法及特性。通过数的精度、溢出等概念演示，学生可以了解计算机中的数据所具有的优势及所受的限制，在运用计算机时就会考虑数据的约束。
“字符编码与信息交换”实验，主要涉及字符型数据在计算机中的编码表示与输入输出的信息交换。通过对西文字符和汉字字符的输入、查找与显示的过程演示，学生可以了解AsciI码、汉字输入码、国标码、机内码、字形码等多种编码的作用及编码方法，加深对编码方法、信息交换等技术的理解，进而掌握计算机信息处理的基本原理。
“一条指令的执行过程”实验模拟演示指令执行的过程，展示计算机有关部件的工作方式及各类信息的流动方式。通过该实验的学习，学生以最简单的方式体验微指令的作用以及计算机各主要部件协调工作的过程；加深对指令、微指令以及指令系统的理解，了解指令执行的3个重要阶段：取指令、译码、执行；进一步认识计算机工作原理，体会硬件的支持和限制，将计算思维运用到问题求解中。
每个实验演示结束后，学生必须填写实验报告，以深入理解和掌握实验所涉及的知识点。报告以提问的方式记录了实验的整个过程。通过填写虚拟实验中每一步骤所引发的部件变化和运行结果，学生将实验过程再现，深度思考计算机工作的原理，了解计算机解决问题的机制，建立计算思维的思考过程。
2)实践训练平台提高了学生的计算机操作技能。
将实践训练平台中的实验内容分为课内指导与课外强化。课内实验由教师布置并指导学生进行，训练基本操作技能。课外实验拓展知识学习、强化综合应用和课程设计，旨在培养学生的创新能力。实践训练平台中涉及的部分实验见表2。
课内实验包括基础实验内容、验证性实验和设计性实验。学生首先按照实验步骤要求进行简单练习，达到掌握基本操作技能的水平；然后在没有提示的情况下独立完成实验，以验证之前的操作方法；最后根据要求自行设计作品，使其操作能力得到巩固提高。
拓展学习实验不局限于课程大纲要求，以问题或专题导向为主，设计的内容反映当前的新技术和新问题，强调自主学习和创新能力培养，使教和学都能有自主空间。
综合应用实验相当于教学环节中的大作业，适合小组协作完成，可以和相应的实验配合作为实验实践教学环节的内容，强调与实际结合，培养创新思维，激发学生学习兴趣与探究精神。
课程设计是针对某个知识模块设计的综合性应用案例，兼顾基础内容和拓展知识，为学生提供更自由、更主动的发挥空间，锻炼学生的知识综合运用能力和创新能力。
3)调整综合评价机制，体现虚实融合的实践效果。
课程考核方式采用过程考核与终结考核相结合的方式进行：最终成绩=平时成绩(30%)+阶段成绩(30%)+期末成绩(40%)。
(1)平时成绩。由出勤(5%)、模块成绩(15%)和实验报告(10%)组成。模块成绩指每个模块结束之后的综合练习成绩，学生利用课外时间来完成，可根据自己实际情况练习多次，以最后一次成绩为准。实验报告就是6个虚拟实验内容，每个实验必须在l学时内完成。学生在课堂内一边做实验一边填写报告内容，这让他们有思考和探讨空间，但课堂结束前必须提交报告。
(2)阶段成绩。每部分内容结束后，设定一次随堂测验，在规定时间完成规定内容，当堂记录成绩。这是对每个模块学习效果的一个验收，以此考核学生掌握知识的情况。
(3)期末成绩。期末考试采用上机考试，题型包括选择题和操作题。选择题不是简单的概念考核，而是从计算机系统知识角度设定合理题目，体现计算思维；操作题仍是对应用软件的综合考核。
综合考核方式符合既定的教学大纲要求，能真实体现虚拟实验融合后的教学效果。
5 结语
在以培养计算思维能力为目标的大学计算机基础课程改革中，构建虚实融合实验平台，将北京理工大学的虚拟实验体系融人实践教学环节，采用虚拟现实、图形图像、可视化、人机交互等多种技术，将难以表达的概念、理论和方法以虚拟软件方式呈现，既方便了实验内容设计，又形象直观地展示了计算机原理性内容，激发了学生的学习兴趣，有助于学生对知识的理解掌握。今后我们还要进一步改革教学内容的设置，充分体现计算思维能力培养的目标。
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参考文献：
[1]李凤霞，陈宇峰，李仲君，等．大学计算机实验[M]．北京：高等教育出版社，2013.
[2]嵩天，李凤霞，蔡强，等．面向计算思维的大学计算机基础课程教学内容改革[J]．计算机教育，2014(3): 7-11．
（编辑：彭远红）