构建计算机虚拟实验教学质量保障体系

陈 润, 孙界平, 琚生根, 师 维, 李 勤

(四川大学 计算机学院, 四川 成都 610065)

构建计算机虚拟实验教学质量保障体系

陈 润, 孙界平, 琚生根, 师 维, 李 勤

(四川大学 计算机学院, 四川 成都 610065)

为提高计算机专业虚拟仿真实验教学的质量,根据计算机学科的特点,从虚拟实验内容保障、虚拟实验条件保障、虚拟实验教学监控与督导、虚拟实验教学考核、虚拟实验教学队伍保障等5方面构建了计算机虚拟实验教学质量保障体系,并分别进行了较详细的说明,给出了计算机虚拟实验室拓扑架构图。

虚拟实验； 计算机实验教学； 教学质量保障

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物，是对传统实验教学的有效补充。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,达到教学大纲的要求[1]。虚拟实验不受时间和空间的限制,资金投入少、损耗小、教学资源共享度高,而且更安全[2-4]。教育部根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》在“十二五”期间开展了首批国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，批准了清华大学数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心。

计算机科学技术是实践性很强的学科,实验教学在计算机专业教育教学中占有重要地位。随着虚拟仿真实验在实验教学中所占比例逐渐增加,其对整体教学质量的影响也越来越大。因此,进行计算机专业虚拟仿真实验教学的教学质量保障研究很有必要,构建系统、科学的计算机专业虚拟仿真实验教学质量保障体系,有助于提高计算机专业实验教学的总体水平。

1 计算机虚拟实验教学质量保障体系结构

20世纪90年代,西方高等教育借鉴工商企业质量管理的成功经验,形成了系统的教育质量保障思想和模式。我国学者始终跟踪国际教育质量保障研究进展。目前,大多数高校已建立了完善、规范的本科教学质量监控与评估体系。随着实验教学在本科教学中被重视程度的提高,不少高校将实验教学和理论教学分离,建立独立、系统、科学的实验教学质量保障体系[5-7],从而提高了人才培养的质量,提高了学生的专业综合能力。

计算机虚拟实验教学质量保障体系的建设在主体和宏观层面可以部分借鉴传统实验教学质量保障的经验和成果,可以从虚拟实验的内容保障、条件保障、教学监控与督导、教学考核、教学队伍保障等5方面进行构建。在具体措施上,需要符合虚拟实验的特点和计算机科学技术学科的特点。

2 虚拟实验内容保障

目前,已经有很多成熟的计算机专业主干课程虚拟仿真实验产品,涵盖计算机网络、数据结构、计算机组成原理、微机接口、Linux操作系统等多门课程。很多高校已经在使用这些虚拟仿真实验产品,开出的课程和安排的课时也在增加。因此,应该在原有教学计划、教学大纲、实验项目、实验教学指导书内容等方面针对虚拟实验的特点制定细则,从内容上保障虚拟实验教学的质量。

2.1 虚拟仿真实验教学计划

根据计算机专业培养目标,系统地设置虚拟仿真实验课程,优化现有的实验教学体系。以虚实结合、能实不虚为原则,合理安排虚拟仿真实验在整个实验教学体系中的比重。不盲目开设虚拟仿真实验项目,要让虚拟仿真实验既能成为传统实验的有效补充,又不会因为虚拟化而弱化了学生对真实应用场景的感性认识。虚拟仿真实验课程要列入课程目录,明确开课学期、实验学时及学分,未独立设置的实验课程要规定实验学时数,便于科学、系统地修订专业教学计划。

2.2 虚拟仿真实验教学大纲

专门制定虚拟仿真实验课程的教学大纲,明确虚拟实验课程在培养学生能力方面的具体任务；确定虚拟仿真实验项目、课堂学时数和课后学时数,以及对每个虚拟仿真实验项目的具体要求；确定虚拟仿真实验教学的考核方式及评分标准。

虚拟仿真实验教学大纲的编制,应根据不同课程虚拟实验的特点,扬长避短。例如数据结构、Linux操作系统等软件方向的课程,虚拟仿真实验实际是对原有软件环境的模拟、集成和扩展,该类课程的实验可以直接采用虚拟仿真实验,故教学大纲的具体内容变化不大；而计算机组成原理、微机接口等硬件方向的课程,则需明确虚拟仿真实验和实际操作实验的分工,处理好两者实验内容的衔接与配合。

2.3 虚拟实验项目

要根据虚拟仿真实验教学大纲，合理选取虚拟仿真实验项目。目前,一般虚拟仿真实验软件中都配备有经典实验,但由于各高校的专业培养目标不尽相同,软件开发水平也有差距,不应全盘照搬软件自带的实验项目,而应该有所选择。选择时,虚拟仿真实验项目应服从计算机专业培养目标,以学生基本技能的训练和创新实践能力的培养为目的,项目内容和知识点应全面且具有典型性,能应反映新技术、新知识。

除了科学选择虚拟仿真实验软件自带的实验项目,还应鼓励教师开展教学研究,紧跟学科发展动态,优化和扩展原有实验项目、设计和创建新的实验项目。

2.4 虚拟仿真实验指导书

目前,尚无国家统编的虚拟仿真实验教程,大多高校以虚拟仿真实验软件供应商所提供的设备手册作为实验指导书。然而,设备手册不能完全满足实验教学的需求,学校应根据所设专业的特点,组织编写更实用的虚拟仿真实验指导书。指导书中,对于软件供应商提供的实验项目,也要根据实际应用情况予以修改和优化,并加入改进、扩展和自主设计的实验项目,在实验原理、实验步骤、实验方法、主要设备的结构原理和使用方法上予以详细阐述。虚拟仿真实验指导书的编写应列入学校的教材建设范畴,学校在资金上予以支持并统一管理。

3 虚拟实验条件保障

虚拟实验条件包括计算机专业虚拟仿真实验室、计算机虚拟实验资源和虚拟实验室管理工作。

3.1 建设计算机专业虚拟仿真实验室,为虚拟仿真实验教学创造条件

利用虚拟化技术和云技术,从物理上分离客户终端与用户操作平台,并将客户终端都部署在云端,即传统的服务器机房,从而使所有资源都透明地运行在物理平台上。系统的升级维护都在服务器端进行,在云端即可对整个系统进行集中管理,从而实现资源的自动分配,增加硬件的利用率、提高系统的可用性。教师和学生可以使用任一终端通过网络随时随地接入虚拟实验室进行学习或实验,还可以为每位学生创建专属的虚拟实验机,从而保证学生实验过程的连续性,帮助学生进行主动探索式学习[8]。计算机虚拟实验室的拓扑架构如图1所示。

3.2 加强计算机类虚拟仿真实验资源的建设

目前,可用的虚拟仿真实验资源还不够多,学校应利用已有的基础和成果,建设计算机类虚拟仿真实验教学资源库,完善经典、优秀的虚拟仿真实验项目,系统地诠释实验课程以及实验单元、技能点的内涵,使之成为教学的得力工具,为训练学生创新思维提供支持。

图1 计算机虚拟实验室拓扑架构图

在虚拟仿真实验资源的建设中应加强校企合作,积极利用企业的开发和服务能力,搭建虚拟仿真实验教学管理平台,从而高效管理实验教学资源,实现院级、校级甚至地区级的实验教学资源共享[9]。

3.3 虚拟实验室管理工作

制定虚拟仿真实验教学开放共享、实验室建设和运行保障经费、虚拟仿真实验教学中心机房开放、实验技术人员岗位职责、实验教学队伍和实验技术队伍培训等方面的管理制度,使虚拟仿真实验室的管理工作更加规范、有序,保证虚拟仿真实验教学的顺利进行。

4 虚拟仿真实验教学监控与督导

建立计算机虚拟仿真实验教学教师考评制度、学生评教制度、实验教学督导制度以及实验课观摩制度等一系列虚拟实验教学督导制度,对虚拟仿真实验教学过程进行全程督导监控。

4.1 合理选聘督导教师

大部分高校都会选聘即将退休或已经退休的老教师作为督导教师,因为老教师经验丰富、工作时间有保证。但是计算机虚拟仿真实验涉及很多新理念、新技术和新知识,在虚拟仿真实验的教育教学观念和督导方式上,有些老教师与青年教师可能会有所不同,所以督导队伍应该是在职专职教师和退休教师相结合、青年教师和老教师相结合,使虚拟仿真实验教学督导队伍既经验丰富,又富有改革精神[10]。

4.2 虚拟仿真实验教学督导的内容

设计合理的虚拟仿真实验教学质量评价表作为督导组教学检查的依据,大多数虚拟仿真实验课堂教学的检查内容可以参照传统实验教学的检查内容,包括实验教学大纲、实验教材、教师和学生的课堂情况、报告的撰写和批改情况等。但是,因为虚拟仿真实验还包括远程操作和学生课外实验,因此督导组还应关注实验教师是否合理配置课内和课外实验的学时和内容,是否能有效地监督、检查学生的课外实验完成情况。同时,还应关注虚拟仿真实验室建设、实验室管理、实验室开放、实验室安全和实验室教学改革等方面的问题,推广好的思路方法,为虚拟仿真实验的大纲制订、实验教材编写和虚拟实验室的建设与发展提供依据。

4.3 虚拟实验教学评价

根据院/系虚拟仿真实验教学的情况和计算机专业特色,设置合理的评价指标体系。对虚拟仿真实验教学的评价应包括督导组教学检查评教、学生的评教和虚拟仿真实验平台的数据。前两者可以大致沿用传统实验教学的评价指标和评价方法,但应增加虚拟仿真实验所特有的指标；而虚拟仿真实验平台的数据则是利用数据挖掘和大数据技术取得,包括教师在平台上的开课科目、授课班级数、授课时长、上传原创教学课件数量、原创实验数量、原创试题数量、手动批改在线实验报告次数、离线和在线答疑数、在线总时长、授课班级期末的通过率、优秀率等方面的数据,以及学生的登录次数与在线总时长、学习资源的浏览与下载次数、实验的参与率、每次实验的用时、成绩和请求指导的次数、在线提问与回答的次数以及期末成绩等数据。

从虚拟仿真实验平台的数据中可以挖掘出许多有用信息,用以评价和指导虚拟仿真实验教学。

5 虚拟仿真实验教学考核

加强实验教学管理,必须严格实验教学考核制度。传统的实验教学考核主要依据实验操作水平、实验报告、书面试题和实验课出勤率。采用这种实验教学考核办法,实验教师的工作量大,很难兼顾每个学生,也无法对学生的每个操作过程都做出精准评价；而实验报告更是容易出现照抄书本或实验指导书上的实验原理、实验目的、实验操作步骤,实验分析与实验结果雷同的情况[11]。因此,计算机虚拟仿真实验教学的考核应利用平台的优势,弥补传统考核方法的不足。

5.1 利用虚拟仿真实验平台进行实验报告的管理

虚拟仿真实验平台允许学生在线提交实验报告,教师可以选择批改方式——系统自动批改或手动批改,不但减轻了教师的工作量,也便于教师掌握每个学生对虚拟仿真实验的操作情况与理解程度。此外,系统还提供教师与学生实时答疑、在线留言等功能,学生可通过系统主动请求教师帮助,与教师交流讨论,使教师能更好地掌握学生的学习情况。

5.2 利用虚拟平台的评估考核功能

虚拟实验平台提供了在线评估功能,学生提交实验结果后系统可以自动评判,给出分数和评分点,便于学生对自己的学习效果进行评估。系统还有在线考核功能,能对学生在仿真实验操作过程中的熟练程度和正确率进行辨别,根据实验操作时长和出错频率等指标进行评分,实现对实验过程的动态管理与过程评分,从而使学生的真实水平得到有效反映。

5.3 利用虚拟平台的数据分析功能

虚拟实验平台可以对考试成绩进行统计汇总,方便教师了解学生实验的整体情况。进一步,教师可以利用数据挖掘技术,通过对平台上的各种操作数据和学生提交的数据进行分析,获得更多有效信息,从多方面了解学生的实验操作能力和水平。

6 虚拟实验教学队伍的保障

高素质的实验教学队伍是开展虚拟仿真实验教学的主力军。学校应以现有计算机专业教师队伍和实验教学队伍为基础,根据虚拟仿真实验课程的开设情况,促进教师的知识结构和授课方法的创新,对虚拟仿真实验教学和科研予以扶持,组建年龄、职称、知识和能力结构合理，教学科研水平高，创新能力强的虚拟仿真实验教学团队[1]。具体措施主要包括以下几点。

(1) 鼓励教师参与虚拟实验教学。制定教师虚拟仿真实验教学工作量计算方法,鼓励教师参加虚拟仿真实验教学工作；制定优惠和激励政策,将教师从事虚拟仿真实验教学、开发虚拟仿真实验教学项目的工作量与课堂教学、科研工作量等同起来,从而调动高水平教师、实验技术人员参与虚拟仿真实验教学的积极性。

(2) 提升教师和管理人员水平。定期开展虚拟仿真实验教学的专业技术培训、学术交流活动,举办新技术专题讲座,提高教师虚拟仿真实验教学水平；促进实验室工作人员的观念更新,鼓励在职人员继续学历学习；建立管理业务培训制度,提高工作人员管理能力；创新考评及年终评优制度,鼓励工作人员积极参与虚拟仿真实验室建设和管理工作。

(3) 资金支持虚拟仿真实验创新。设立虚拟仿真实验教学创新专项基金,鼓励和支持院/系教师和实验室人员进行虚拟实验项目创新和虚拟实验教学方法创新，支持科研人员进行虚拟仿真实验平台的软件开发,设计具有自主知识产权的虚拟仿真实验产品。

7 结语

构建科学、有效的实验教学质量保障体系,是提高实验教学质量的重要措施。虚拟仿真实验作为传统实验的有效补充,其教学质量保障体系与传统实物实验既有共性，也有特性。针对虚拟仿真实验教学的特点而构建的计算机虚拟仿真实验教学质量保障体系具有的实用性和可操作性,也可以为其他学科的虚拟仿真实验教学质量保障提供参考。虚拟仿真实验教学在不断发展,应以科学的发展观不断地创新和完善其质量保障机制,使其发挥更大的效能。

References)

[1] 教育部办公厅.关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].(2015-06-04)[2017-03-25].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201506/t20150618_190671.html.

[2] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设 提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[3] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[4] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)[EB/OL].(2010-07-29)[2017-03-25].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[5] 王晓迪.关于开展实验教学质量监控的探索与实践[J].实验室科学,2015,18(3):231-234.

[6] 陈国辉,刘有才,刘士军,等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,2015,34(8):169-172.

[7] 朱湘萍,熊文元,包本刚.高校实验教学质量保障及监控的探讨[J].实验技术与管理,2011,28(6):185-187.

[8] 师维,陈润,琚生根,等.高校计算机专业虚拟实验室建设研究[C]//2016年高等学校国家级实验教学示范中心建设研讨会论文集.2016:373-378.

[9] 周钏,陈鹏,吴才轩.浅析教学资源共享平台建设[J].决策与信息,2011(6):160.

[10] 彭春丽.教学督导在实验教学中的运用[J].实验室研究与探索,2011,30(7):304-307.

[11] 欧瑜,朱琦.虚拟实验室在生理学实验教学及考核中的应用研究[J].科技教育,2016(4):94-96.

Construction on quality assurance system of computer virtual experimental teaching

Chen Run, Sun Jieping, Ju Shenggen, Shi Wei, Li Qin

(School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to improve the teaching quality of virtual simulation experimental teaching for Computer Science major, and according to the discipline characteristics of the computer science, a quality assurance system of computer virtual experimental teaching is constructed from the following five aspects: the virtual experimental content assurance, the virtual experimental condition assurance, the virtual experimental teaching monitoring and supervision, the virtual experimental teaching examination and the virtual experimental teaching team assurance. The details of these five aspects are illustrated, and a topological diagram of the computer virtual laboratory is presented.

virtual experiment; computer experimental teaching; teaching quality assurance

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.026

2017-03-21

陈润(1980—),女,四川成都,博士,高级实验师,主要研究方向为智能系统,信息安全E-mail：cr_run@scu.edu.cn

琚生根(1970—),男,四川成都，博士,教授,研究方向为智能信息处理,实验室建设与实验教学研究.E-mail：jsg@scu.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2017)08-0107-04