“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”仿真教學(xué)模式探索與實踐

張瑾 孫晉非 顧軍

摘要：“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”是高校非計算機(jī)專業(yè)的通識必修課程，是培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)。本文分析了當(dāng)前計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的現(xiàn)狀與不足，提出基于仿真技術(shù)的教學(xué)模式改革，強調(diào)知識內(nèi)容的可視化和可交互，有助于學(xué)生理解計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和計算機(jī)應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué)；大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)；教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）12-0161-02

“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”是面向高校非計算機(jī)專業(yè)的通識必修課程，給學(xué)生開展關(guān)于計算機(jī)知識、能力與素質(zhì)方面的教育，使學(xué)生對基于計算機(jī)的信息學(xué)科有一個整體的認(rèn)識，能夠掌握計算機(jī)軟硬件的一些基礎(chǔ)知識，熟悉典型的計算機(jī)操作環(huán)境、工作平臺和軟件工具，為將來利用計算思維[1]和計算機(jī)技術(shù)解決本專業(yè)的實際問題打下堅實基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有教學(xué)模式分析

“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程涉及到計算機(jī)組織結(jié)構(gòu)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信、數(shù)據(jù)庫、程序設(shè)計、軟件開發(fā)、多媒體、信息安全等方面的基礎(chǔ)概念與原理知識，不但內(nèi)容繁雜，而且抽象難懂，想要在課堂上用有限的學(xué)時把相關(guān)問題都講解清楚并不是件容易的事。究其原因，主要是“教師講—學(xué)生聽”的傳統(tǒng)模式并不適合“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程的內(nèi)容特點，很容易造成教師講解方式和學(xué)生接受能力之間的偏差。比如，當(dāng)前以幻燈片為主的多媒體教學(xué)方法，雖然可以提供大量的文本、圖片和視頻等學(xué)習(xí)資料，增強了教學(xué)內(nèi)容的生動性，但是對很多抽象復(fù)雜的計算機(jī)基礎(chǔ)理論知識缺乏直觀的解釋和描述，無法幫助學(xué)生增強感性認(rèn)識，激發(fā)起他們的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于受限于學(xué)時、師資、場地、設(shè)備等眾多因素，很難滿足學(xué)生在真實環(huán)境中動手實踐的學(xué)習(xí)需求，不利于學(xué)生理解抽象難懂的理論知識。這種情況在各大高校的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中是普遍存在的。為此，有必要從計算機(jī)基礎(chǔ)知識的“可學(xué)性”和“可授性”這兩個方面思考現(xiàn)有教學(xué)模式的不足，提出有針對性的教學(xué)模式改革方案，并開展教學(xué)實踐。

二、仿真教學(xué)模式的引入

仿真（Simulation）技術(shù)就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，可用于構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象[2]，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中直觀感性學(xué)習(xí)和掌握計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的理論和實踐知識，以便達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。為此，在已有教學(xué)成果基礎(chǔ)上，圍繞實現(xiàn)原理可視化和實踐過程虛擬化兩個基本目標(biāo)，將仿真技術(shù)引入“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程的內(nèi)容組織，把計算機(jī)組成部件的工作狀態(tài)和程序運行狀態(tài)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信的工作過程、數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)和映射關(guān)系、信息安全防護(hù)的基本流程等抽象晦澀的知識點轉(zhuǎn)變成直觀的具有動態(tài)可變和邏輯演化能力的虛擬仿真演示和互動方式，使抽象難懂的知識對于學(xué)生是“看得見，摸得著”，不僅便于學(xué)生理解和接受，更有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動手能力的培養(yǎng)。

三、仿真教學(xué)模式的實施

1.整理教學(xué)內(nèi)容，形象化難點知識?！按髮W(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程包含的內(nèi)容繁雜，需要根據(jù)不同知識的特點，參照知識的類別，按照“可視化”和“可交互”兩種技術(shù)路線，制定相應(yīng)的仿真教學(xué)模式。相關(guān)教學(xué)難點[3]和仿真教學(xué)模式對照情況總結(jié)如下。①所謂可視化教學(xué)，即在仿真環(huán)境中將理論知識直觀化和形象化。適用于可視化模式的知識點包括：馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、計算機(jī)硬件組裝、指令執(zhí)行過程、數(shù)據(jù)庫的三層模式兩級映像、E-R圖、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、音視頻數(shù)字化、圖像數(shù)字化等。②所謂可交互教學(xué)，即在仿真環(huán)境中為學(xué)習(xí)者提供人機(jī)接口，以介入方式更好地理解原理知識，可以隨時中斷、重復(fù)和調(diào)整執(zhí)行過程。適用于可交互模式的知識點包括：二—八—十—十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換、原碼—反碼—補碼求解、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理等。③計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識比較抽象，非常適合可視化和可交互兩種教學(xué)模式，包括：協(xié)議報文封裝、子網(wǎng)掩碼計算、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計等。

2.建設(shè)仿真資源，具體化抽象知識。借助虛擬仿真技術(shù)將“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”中抽象隱晦的知識內(nèi)容開發(fā)成可視化、可交互的仿真教學(xué)資源，不但可以直觀展示知識的內(nèi)部原理，而且可以提供外部可操控性。如果能夠在各個知識點的探索實踐過程中形成虛擬仿真教學(xué)資源庫，那對課程教學(xué)的意義不言而喻。例如，在講解CPU工作原理時，可以構(gòu)建一個虛擬的CPU實體，形象地將控制器、運算器、寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和主存儲器用虛擬仿真的方式體現(xiàn)出來，借助指令的執(zhí)行過程展示CPU的工作原理。再如，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)強調(diào)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合，但各種主觀和客觀原因使得理論教學(xué)抽象難懂，實踐教學(xué)流于形式。eNSP（Enterprise Network Simulation Platform）是一款由華為提供的免費的、可擴(kuò)展的、圖形化操作的網(wǎng)絡(luò)仿真工具平臺，主要對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)進(jìn)行軟件仿真，完美呈現(xiàn)真實設(shè)備實景，讓廣大用戶有機(jī)會在沒有真實設(shè)備的情況下能夠模擬演練，學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]。引入eNSP軟件作為教學(xué)工具進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的仿真演示，既節(jié)省了可觀的儀器設(shè)備購置費用，也使理論概念變得通俗易懂。圖1所示是對一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模擬實現(xiàn)，包含了主機(jī)、集線器、交換機(jī)、路由器等常見網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，可以向?qū)W生展示IP地址配置、交換機(jī)連接和路由器轉(zhuǎn)發(fā)等工作過程，并可以借助Wireshark抓包軟件分析協(xié)議報文格式，把抽象的分層的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)直觀的展示給學(xué)生。

3.開展教學(xué)實踐，仿真化理論知識。在課堂教學(xué)中，教師可以將制作好的虛擬仿真資源單獨用于幻燈片中，在講授的過程中穿插展示虛擬仿真資源，以加強學(xué)生對復(fù)雜抽象問題的理解和掌握。教師還可以使用交互性的虛擬仿真設(shè)計輕便展開教學(xué)，大大促進(jìn)教學(xué)互動。學(xué)生也可以通過個人電腦上裝載的教師提供的虛擬仿真教學(xué)資源展開互動學(xué)習(xí)，不僅便于學(xué)生理解和接受計算機(jī)系統(tǒng)的原理知識，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力。

四、結(jié)語

教學(xué)實踐表明，將仿真技術(shù)應(yīng)用到“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)中，強調(diào)知識內(nèi)容的“可視化”和“可交互”，可以在教學(xué)過程中起到事半功倍的作用?！按髮W(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”仿真教學(xué)模式的探索與實踐，不僅能夠提高課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也可為進(jìn)一步打造高層次的精品課程奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林旺.基于計算思維的大學(xué)計算機(jī)教學(xué)研究.中國大學(xué)教學(xué)，2015年第9期，55-58

[2]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真教學(xué)資源開放共享策略探索.實驗技術(shù)與管理，2016年第33卷，第12期，137-141，145.

[3]張艷，姜薇.大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)（第3版）.清華大學(xué)出版社，2016.8.1

[4]華為eNSP.

http：//support.huawei.com/enterprise/zh/tool/ensp-TL100000

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Exploration and Practice of Simulation Teaching Mode of University Computer Basis

ZHANG Jin，SUN Jin-fei，GU Jun

（School of Computer Science & Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract："University Computer Basis" is a compulsory course for non-computer majors. It is also an important link to train compound innovative talents. This paper analyzes the current situation and shortcomings of the computer basis teaching，puts forward the teaching mode reform based on simulation technology. The new teaching mode emphasizes the visualization and interaction of content knowledge. This reform achievement is helpful for students to better understand the computer software and hardware system，and better cultivate the computational thinking ability and computer application ability.

Key words：simulation teaching；university computer basis；teaching mode