陈刚，向华，李支成

摘要：随着混合教学的兴起，计算机课程的实验体系必将发生根本变革。该文提出了一种基于虚拟仿真平台构建的计算机课程混合教学实验系统，通过虚拟技术，构建计算机课程理论的实验;通过虚拟教师指导环境，将学生在真实操作平台的数据融合实现计算机全自动评判和训练引导;通过扩展实验内容，实现学生个性化的高阶实验目标;通过采用游戏等要素，构建具有竞技功能的实验训练平台。整个系统采用积极向上的素材，构成了以训练为手段的完整课程线上实验体系。

关键词：混合教学;虚拟仿真;实验体系;大学计算机

中图分类号：TP311      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0113-03

混合教学模式使用互联网技术，改变了传统课堂的教学流程，学生通过教师配置的Mooc和Spooc资源线上自主学习，教师在线下课堂专注于教学目标[1]，实施个性化的教学。这种模式开始应用于计算机课程的教学中，并取得很好的教学效果。

计算机公共基础课程是实践性很强的课程，大班教学下，学生专业目标、自身水平等因素使混合教学中线上自主实验个性化问题非常突出，传统的计算机课程实验体系面临重大变革。江汉大学《大学计算机基础》课程在混合教学中，通过设计开发“计算机课程虚拟仿真综合实验平台”，将课程实验设计为课程配套综合一体的网上实验系统，使教师通过设定实验系统关键参数、强化系统交互等方式，构建一个学生网上实验课堂环境，引导学生自主线上训练，通过数据驱动，达成区别教学的目标。2020年《大学计算机基础》获批首批国家级线上线下混合式一流本科课程。

1 混合教学课程实验体系的新需求

1.1 实验内容体系需要丰富和完善，体现高阶性目标

传统实验一般是在线下课堂教师直接监督下进行的，教师学生方便交互，但是全体学生只能在规定时间内统一完成基本内容训练，内容比较单一。混合教学中学生利用碎片化时间学习，要求传统孤立的各个实验项目构成内在紧密联系，能体现课程内容之间承接关系，而且学生之间学习能力的差异化要求不同的学生有个性化的实验内容，既要有基本实验内容，更需要高阶高挑战内容的实验。混合教学实验需要针对不同的学生提供不同的实验内容，有必须完成的基础内容，也要有选做的高难度内容。

1.2 实验训练时间必须灵活，由学生来主导

传统实验是教学计划规定的学时，例如，计算机课程普遍按照48学时（32学时讲授，16学时实验），学生实际训练时间有限且固定。混合教学下，学生是学习主体，自主学习，大部分实验内容都应该安排在课下线上完成，教师上课的实验环节具有督学导学监督功能，目标是解决课下不能解决的问题，这时要求混合教学实验不能沿用原有体系，需要根据教学进度表合理安排学生线上训练环节和课堂教师考察环节，因此实验学时安排时间具有高度灵活性。

1.3 学生需要个性化的实时指导

计算机课程实验目标是通过实践和动手能力提升学生的计算思维即逻辑思考能力，混合教学中学生在实际自主实验操作中出现的各种问题，需要教师及时引导和解决。互联网教学中，学生面对问题大多依靠互联网的百度等资源，而且一旦获取了相关资源，大多学生缺乏独立思考能力，而是选择直接抄袭完成，缺乏独立思考步骤。因此需要构建一个带有指导功能的虚拟仿真平台，教师将学生可能出现的问题，用PBL、分组讨论、动画验证、问题解析等各种方式对学生进行个性化的引导。混合教学的虚仿平台，不仅是要用计算机技术虚拟课程内容，更强调的是虚拟教师教学指导过程，这样可以把整个实验课程串接成一个有机整体，解决实验孤岛化问题，真正体现虚拟仿真系统的价值。

1.4 实验趣味性、竞技性需要提高

90后的学生对互联网技术普遍比较感兴趣而且对其中的游戏环节普遍接受，可以在虚拟仿真平台将实验内容做成一个带有游戏竞技功能的平台，通过加入网络互相比赛突出优秀学生、激励差生，而且如果采用游戏团队模式与学习分组模式也是高度契合。混合教学实验平台应该采用各种创新手段，达成实验目标。

2 混合教学中计算机课程虚拟仿真平台体系架构

2.1 实验体系

“计算机课程虚拟仿真实验综合实训平台” 系统主界面如图1。

平台运行原理如图2。

2.2 实验重构

混合教学中的实验需要从内容学时、教学模式、评价标准等各方面进行重构[2]。江汉大学“计算机课程虚拟仿真实验综合平台”先期建设的“大学计算机基础”课程实验平台，对实验目标、实验内容、教学模式、评价标准、实验交互环境进行了重构。

2.2.1 实验目标重构

实验内容除基本教学资源外，还应增加更广泛、有难度、有深度、可互动、形象逼真的拓展资源[3]。根据高阶性、创新性、挑战度的两性一度原则，结合OBE的教学理念，针对不同学生的个性化的需求，制定不同的实验目标。

基本思路是依据课程教学大纲要求设定实验项目，每个项目设定多个教学级别，每个级别给出充足的题量。“大学计算机基础”课程原有的实验目标是16学时，8个实验，主要是操作环节的训练，内容以基础部分为主。在新的实验目标下，原有的8个实验经过扩充升级内容质量，采用虚拟仿真技术和三维动画技术包括进了原来难以实现的计算机理论部分，每个部分又根据内容难度设定基础、进阶和高阶三层体系。

具体实验目标如表1。

基础实验是课程的基本实验目标，全体学生必须达到的基本目标，否则实验不合格;进阶是要求学生应该达成目标，对标课程大纲的高要求;高阶实验是供学有余力的同学选学的实验目标，具有一定的综合挑战度。学生可以根据自身的需求，选择学习全部或者部分，实现两性一度的目标。

2.2.2 实验内容重构

“大学计算机基础”课程中基础实验8个，预设16实验学时，为基础验证和设计性实验;扩展进阶实验>=16个，为设计和综合实验;高阶高难度挑战实验>=16，为综合和创新实验;其中VR视频实验>=5个，探索性实验>=3个。

理论部分实验，通过AI、VR、AR等技术手段支持构建实验演示和考查步骤。操作部分的实验环境一般要求为计算机真实环境，通过系统整合学生操作数据，实现计算机自动评分。探索性创新实验为教师人工评分。每部分实验都配置部分教师实验突出问题讲解视频，同时提供讨论、分组、通知等功能实现教师、学生之间交互。

“大学计算机基础”课程中分8个实验项目，每个项目教学目标定义为三层，每层设定多个实验题目，目标和实验对应关系如表2。

每个实验模块界面如图3。

2.2.3 实验教学模式重构

彻底改变传统实验思路，计算机课程实验虚拟平台系统根据教学进度表开放，课程结束关闭，教师课前设定实验参数，课后系统自动给出每个学生的成绩和评分细节[4]。

学生进入系统后，根据系统设定自主实验，自由决定实验内容、实验时间和实验进度，教师不需要干预学生实验流程，但是可以通过参数设定控制实验进度，对于创新探索实验，教师也需要手动评定学生成绩。

实验过程中，所有学生操作数据将被系统自动记录，并作为学生成绩考评依据。实验操作界面如图4。

2.2.4 实验评价标准重构

评价体系是保证实验质量的核心。评价规则预先设定，基础实验必须完成，否则记为不及格，扩展、高阶实验学生根据个人能力选择，每个学生根据系统完成情况获取系统积分，根据积分转变为实验成绩。学生实验的每个步骤，系统都予以保存，并提供分析统计数据，学生可以获知自己以及同学之间学习状况，教师可以获知本班及全体学生的学习状况。

每次学生闯关数据实时提示，学生可以获得评价数据。闯关数据如图5。

2.2.5 良好的实验交互

实验交互是学生获取帮助信息，实时解决问题的重要保证。系统构建的三级交互体系包括：

系统主动提示：每个实验开始在实验界面右下角自动出现提示，提示学生实验注意事项。

系统被动提示：学生不能完成实验可以去查看系统帮助，获取进一步提示信息。如图6。

系统外交互：如果仍然不能完成，可以通过互联网求助教师和其他同学。

3 混合教学实验平台特色

3.1 教学方法创新

将互联网技术与课程实验深度融合，以课程为单位，构建全新适合混合教学的综合实验体系，实现对学生个性化训练和评价[5]。具体包括，将课程原有的单个实验体系，构造为具有纵深的梯度综合仿真训练平台。扩展实验内容，在原有基本难度实验基础上，增加扩展实验和高难度高阶实验选做内容。将所有实验用游戏模式组合形成一个综合闯关模式，提升学生训练的趣味性和竞争性。

3.2 评价体系创新

改变原有的单一实验评价体系。原来的8个实验变成了最基本的实验，保证课程期末考试最低标准达成。加入各种高阶评价元素，组成高阶实验评价体系，引入计算机系统实现全自动评分，形成对学生计算机能力的多元评价。学生最终成绩从原有的合格不合格两层变成多层次结构。实现了对学生计算机能力的真正提升和真实评价。

3.3 对传统教学的延伸与拓展

内容扩展。传统教学由于学时关系，只能保证课程的最低要求。混合教学模式下，需要增加具有挑战性的高难度内容。学习时间扩展，传统教学局限在课堂，混合教学拓展了课下线上自主练习。个性化评价客观真实。学生水平得到真正体现，尤其是对优秀学生，可以增加课程含金量，使学生得到个性化的训练。

基于混合教学的虚拟仿真系统，通过使用VR和三维动画等虚仿技术支持实现了计算机理论部分的实验内容，使原有的实验碎片化问题得到根本解决，使计算机课程的实验体系真正成为一体，更重要的是通过仿真教师指导学生进行实验的环境，使计算机课程实验质量得到极大提升，在混合教学模式下，学生可以自主在线上利用碎片化时间自主练习，极大解决教师指导的实时性问题，保证了计算机课程实验质量，同时，可以通过扩展实验内容，从根本解决学生个性化的学习需求，提升课程高阶性、创新性和挑战度。

参考文献：

[1] Chen Gang，Xiang Hua，Li Zhicheng.Case study of hierarchical mixed teaching model based on data analysis[C]// 2018 International Conference on Education Reform and Management Science （ERMS2018），2018：82-86.

[2] Chen Gang. Research on Teaching Effectiveness Index System in Mixed Teaching Mode[C]//2018 3rd International Conference on Education， Management and Systems Engineering （EMSE2018）.2018：343-348.

[3] Chen Gang，Li Zhicheng，Xiang Hua.Research on the inspector system under the mixed teaching mode of online courses[C]// 2019 International Conference on Management Innovation， Education Reform and Applied Social Science （MIERASS2019），2019：223-227.

[4] Chen G，Li Zhicheng，Zhu Jiacheng.Research on hybrid online course supervision platform based on data analysis[C]//2020 International Conference on Advanced Education， Management and Social Science （AEMSS2020），2020：174-178.

[5] Xiang Hua，Chen Gang，Li ZhichengStudy on the interactive strategy of mixed teaching based on SPOC[C]// 2020 4th International Seminar on Education，Management and Social Sciences （ISEMSS 2020），2020：778-781.

【通聯编辑：谢媛媛】