教育技术在计算机基础教学中的作用

摘要：针对大学计算机基础课程课时量减少、没有适宜实验体系的问题，分析课程教学现状，提出设计开发先进的虚拟实验平台，依托先进教育技术进行大学计算机课程教学改革；阐述虚拟现实技术在计算机基础教学中的作用，说明借助平台进行教学过程实施和实验设置的可行性与优越性以及教学方法与技巧；分析基于平台的教学效果及优势，总结先进教育技术对教学改革的支撑作用。

关键词：教学改革；虚拟实验；教育技术；计算机基础教学

0 引言

大学计算机基础课是大学教学中的一门重要课程，在教育部各专业教学指导委员会的建议课程目录中，大学计算机基础课是与大学英语、大学数学和大学物理相并列的基础课程。

随着计算机的普及和中学计算机课程的开设，越来越多的大学生在入学时就已具备一定的计算机知识，对计算机基础课程现有教学内容的兴趣越来越低。无论是一线教师还是教学管理部门都有一种危机感——大学计算机课程改革已刻不容缓。

1 大学计算机基础课程的现状

1）课程有其不可替代的重要性，但课程的受重视程度却急剧下降。

大学计算机基础课程是大学生入学后接触的第一门计算机课程，对于接触计算机较少的学生来说，它是一门使其快速弥补计算机知识和掌握后续学习所需要的计算机技术的课程。然而越来越多的大学生在入学时就已具备一定的计算机知识，因此，众多教育管理者，甚至一些专业课的任课教师都认为，这门课程的必要性已经大大减弱。

在课程改革的大背景下，各个专业对于大学计算机基础课程的学时进行删减。以北京工商大学为例，在大一上、下两学期均设置大学计算机课程，每学期为68学时，两学期共136学时。2012—2013年，北京工商大学各个专业都对大学计算机基础课程进行了大刀阔斧的删减，绝大多数专业将课程压缩为一学期，总学时压缩为51学时，压缩了近2/3。这使得以往的教学方法、教学过程无法进行，课程不得不进行深度改革。

2）课程的教学实践环节所占比重大，但缺乏有针对性的实验体系。

大学计算机基础课程的教学环节是以面向专业需求为出发点，注重专业实践，所以大多数高校的计算机基础课程实践环节所占的比例很大。

以北京工商大学为例，课程在改革之前实践环节为68学时，在课程改革过程中，两学期的课程总量为51学时，其中34学时为课堂讲授环节，17学时为实践环节。教务处允许计算机基础类课程按1：1配置课堂延续教学，这样可以配置的延续教学量达到5l学时（均用于实践）。在“课内+延续教学”的102学时中，实践学时数占到近70%。据不完全统计，目前很多高校的大学计算机基础课程已经全面改为在机房授课。

在课程分析与调研过程中，我们发现课程的实践环节主要是“实践”而非“实验”，这与计算机课程目标中围绕“计算思维能力培养”的总体目标不相符。“实践”环节旨在于对已有知识的理解、巩固和熟练掌握，而“实验”则应注重对已有知识的验证，突出对未理解未掌握知识的再学习以及对知识体系的探索。课程没有为各个专业建立有针对性的实验体系，甚至没有建立课程自身的实验体系，大学计算机基础课程必须进行改革。

2 虚拟现实技术支持的大学计算机基础课程改革

2012年4月，教育部颁布《关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高[2012]4号），很多高校开展了人才培养大讨论。在此背景下，大学计算机基础教育也必须顺势而为。

导致计算机基础课程实践环节作用不理想的原因主要有以下两个方面。

首先，大学计算机基础课程毕竟只是一门课，课时量有限。面对刚入学的本科生，要想在有限的课时内，将计算机的理论和技术甚至是相关知识讲清楚，并引导学生学习和探索，这基本是一个不可能完成的任务。

其次，计算机领域的新技术不断涌现，从前些年的网格计算和在线服务，到今天的大数据、云计算、物联网等，这些新技术要想引入到课堂中，除需要教师拥有相应的知识储备外，还需要配备大量的硬件和软件。对于学生数动辄上千人的计算机基础课程来说，为每一名上课的学生配置这些设施环境并不断更新，也几乎不可能实现。

因此，大学计算机基础课程就不得不在有限的资源条件下，尽可能地讲解学生能掌握的、又对学生有用的操作类知识。

2.1 虚拟实验的优势与创新性

在对文献[5]的研讨过程中发现，通过虚拟现实技术支持的教学环境和实践环境，恰恰可以解决长期以来大学计算机基础教育只有“实践”而无“实验”的困境。相对于真实的硬件设施，虚拟现实技术支持的教学过程与实践过程具备如下几个优势。

（1）虚拟现实技术能够在不给真实系统造成损失的前提下，给予学生充分的尝试自由度，可以引导学生进行自主实践，通过各种不同的尝试验证所学知识，从而实现基于案例的学习。

（2）虚拟现实技术能够给学生提供在虚拟平台上的交互操作。学生通过交互操作，深入理解计算机相关知识，如验证型实验（如一条指令的执行过程、数据溢出、网络通信路由等）将难讲和难理解的基本概念和原理用交互方式进行验证。

（3）虚拟现实技术能够进行系统拆解，将在真实系统中不可见的内容用演示的方式展示出来，让学生更为清晰地观察系统的细节，并可以对数据流、操作流进行标识或提示，使学生更容易理解相关知识。如演示型实验将不可见的内容（如虚拟拆装、图灵机、防火墙等）用演示的方式展示出来，增强了学生的直观体验。

（4）虚拟现实技术能够在计算机屏幕上模拟出虚拟的硬件设备，实现成本低，可以快速复制多份。在低成本的前提下，我们将新技术引入到课堂中，为每个学生配备一个计算机新技术实验平台。从教育教学的角度来说，将计算机相关的新技术引入大学计算机基础课堂，让学生在课堂中接触到这些新技术，甚至能够尝试相关的实践环节，对学生将产生很大的吸引力。

文献[5]共设置了18个虚拟实验，根据实验与学生之间的交流方式，实验可分为4种不同的功能——验证、交互、演示和引导。当然某些功能可能共同存在于一个实验中。表1列出了18个实验可能实现的功能。

下面分别针对验证型实验、交互型实验、演示型实验和引导型实验，挑选出一、两个实验步骤，说明虚拟现实技术支持的计算机基础课程教学与实验设计。

2.2 验证型实验举例

在这18个实验中，实验3“字符编码与信息交换”的目的是为了让学生理解字符和数字的输入、查找和显示过程，区别汉字的机内码、国标码、区位码和字型码，了解汉字库的意义和作用。

实验3通过虚拟实验的形式，将汉字在计算机中从输入一个字符，到最终在显示器上显示出来一个字符的过程全程展示出来，并提供可输入自定义汉字的功能。学生可以在实验时输入自定义的汉字，根据老师讲解的各种码的转换过程及转换方式，一步步验证自己所学知识，并最终加深理解。通过几个这样的过程，学生将能够掌握汉字的几种码以及这几种码之间的转换关系。图1是针对汉字输入、查找和显示过程的实验界面，在该界面中各步骤将以动画方式展示。

2.3 交互型实验举例

实验18“计算机病毒与防火墙”可以作为交互型实验示例，它基于虚拟实验平台，可以模拟计算机的启动过程，并且在启动过程自由选择一个目标进行攻击。

在实践环节中，学生可以分别针对单机病毒和网络病毒，通过实验平台的交互功能，自主选择不同的攻击对象，观察比较攻击结果的不同，结合计算机启动过程理解病毒的发作原理以及不同类型病毒的发作时间、发作特征等。实验激发了学生防范病毒的兴趣，学生通过网络学习不同类型病毒的防范方法。

2.4 演示型实验举例

演示实际上是虚拟现实技术的基本功能，可以说文献[1]中的18个实验无一不拥有演示的功能。如实验1演示计算机的组装过程，包括计算机零部件的拆解和组装演示。学生根据自己的学习进度，自由选择演示的进度。在演示过程中，学生还可以自由选择拆解或组装其中一个部件，学习更有针对性。

2.5 引导型实验举例

引导型实验是教学中希望的最佳形式，通过实验设置，引导学生自主学习和思考，主动发现问题和解决问题。

以实验8“云计算与虚拟服务”中的“分布式并行计算技术”为例来阐述引导型实验。云计算技术属于计算机前沿技术，随着云计算、物联网、移动互联网的应用普及，越来越多的学生对此产生极大兴趣。由于实验环境配置复杂，软硬件要求很高，我们运用文献[1]附带的多媒体软件，将“分布式并行计算技术”的任务分配过程非常直观地展现出来。

软件支持“顺序分配”或“空闲分配”方式，能够直接根据分配方案模拟整个任务处理过程，在演示中可以看出各个任务在不同计算机上的分配及完成情况，使学生能够真实体会到分布式计算技术中不同任务的执行原理以及不同分发方式对计算总时间所带来的影响。

软件还支持“静态手动”和“动态手动”方式，学生可以自主尝试各种不同的分配，验证分配对计算效率的影响。在实验中，学生自主实践其所认为的最佳分配方案，模拟执行过程并获得总时间的比较结果；每个学生可能设置出不同的分配结果，甚至一个学生设置多种结果。最后老师抛出“如何才能使总的任务执行时间最短？”“能不能设计一个算法，使其能够查找最优的分配方案？”这样的问题，引导学生主动进行思考。

3 先进教育技术对教学改革的支撑作用

在研讨大学计算机基础课程的教学方法以及学习虚拟实验平台的过程中，我们深刻体会到虚拟现实技术对课程的促进作用。推而广之，大学计算机基础教育离不开各种先进教育技术，在计算机技术日新月异、学生渴求了解前沿技术的背景下，只有通过先进的教育技术，才能跟上教学改革需求的脚步。

虚拟现实技术等先进教育技术对教学改革的支撑作用主要体现在以下几个方面。

1）使计算机基础教学形式更加多样、内容新颖。

虚拟现实技术等先进教育技术能够以一种新的形式讲授和实践教学内容，通过设置验证型、交互型、演示型、引导型的实验环节，使学生更加深入地学习相关技术的基本原理，加强学生对这些前沿技术的理解和掌握程度。

2）对学生接触计算机新技术提供支撑。

计算机新技术的环境运行大多需要大型软硬件系统以及运行数据的支持，而完整地复制其运行平台困难重重。先进教育技术能够将新技术带入课堂，通过为每位学生搭建虚拟实验平台，增加学生对抽象知识的感性认识，挖掘学生兴趣，引导学生自主思考，提高其学习主动性。

3）对先进教育技术的探索本身也是教学改革的一部分。

在对18个实验进行研讨并且对虚拟实验平台进行相关研究的过程中发现，不仅仅是大学计算机基础课程，包括其他各类课程，如数据结构中的线性表、树、图结构的算法讲解，计算机组成原理中的存储系统、指令系统，操作系统中的进程调度、文件读写等课程内容，都可以依托虚拟实验平台等先进教育技术，探索课程中的知识讲授方法和实验设置方法。

先进教育技术的发展促进教学改革，教学改革也同时刺激对先进教育技术的需求。只有不断改革教学的方式方法，才能推陈出新，获得更好的教学效果。从这一视角出发，我们应该提高对先进教育技术的认识，积极发展先进教育技术。2013年11月23日，北京理工大学举办了“大学计算机课程实验改革研讨会·2013沙龙”活动。会上，北京理工大学计算机公共课国家级教学团队负责人李凤霞教授介绍了团队创作的虚拟实验平台，与会20多所高校的70多位专家和一线教师进行了热烈讨论。作为与北京理工大学已经有两年多深度合作的北京工商大学计算机基础课程相关教学团队成员也参加了此次沙龙。经过交流讨论，我们深刻体会到虚拟实验技术对计算机基础教学内容和方法的改革推动作用不可低估，并对先进教育技术对计算机基础教学的支撑作用有了新的认识。

4 结语

我们以大学计算机基础课程的教学改革为主线，针对18个虚拟实验，分别就验证型、交互型、演示型和引导型实验进行示例式说明，阐述了课程内容的课堂讲授过程以及在其中可以应用的教学方法与技巧。实践证明，虚拟实验加深了学生对计算机理论和方法的理解，加强其对计算机技术的掌握，提高其对课堂内容的兴趣。同时，虚拟实验环境为每位学生提供实验平台，让学生体验与学习新技术，引导学生自主思考。先进教育技术对教学改革具有支撑作用，基于该理念，我们将进一步推动北京工商大学与北京理工大学在面向内容的实验教改与协同创新方面开展更加深入的交流与合作。