虚拟仿真“金课”建设研究——以《计算机组成原理》为例

戴丽丽　朱惠娟

摘要：虚拟仿真“金课”的建设能够带动高校教师更多的主动思考，将实验教学改革融入高等教育改革发展的主流中，推动实验教学改革的不断深化。以《计算机组成原理》课程为例，分析现阶段计算机组成原理实验课程的教学情况以及存在的问题，提出了课程建设的主要思路，并构建虚拟仿真实验平台。该平台可以激发学生主动学习的兴趣，提高学生的实践能力和创新能力。

关键词：虚拟仿真;金课;计算机组成原理;虚拟现实;课程建设

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）26-0089-02

1 引言

2018年，教育部部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上第一次提出要“提升大学教学质量，应着力狠抓课程教学质量，将‘水课转变为‘金课”，并强调“本科教育是大学的根和本”[1]。2019年，教育部启动一流课程“双万计划”（即金课建设计划），建设五大“金课”目标，虚拟仿真“金课”被列为其中之一[2]。在未来的教育中，虚拟仿真實践类课程有可能是一种新的教育生产力。应用型本科院校，应注重实践能力培养，抓好虚拟仿真实验课程的建设，开辟教育领域新途径。然而，就目前而言，虚拟实验的发展还比较缓慢，在应用型本科院校，能够将虚拟实验真正运用到实验教学的高校更是少之又少，学生可以做的实只有极少数，实验的仿真度也不是很高。大部分实验都只是演示性实验，其交互性能还无法满足学生的需求。

因此，本轮教改将以《计算机组成原理》虚拟仿真课程建设为切入点，以培养深刻理解《计算机组成原理》相关实验为核心，依托虚拟现实、三维动画、数据库以及人机交互等技术，实现高度仿真的实验场景，解决了真实实验所面临的高损耗、高成本等问题，可以逐步培养学生创新精神、实践能力和解决复杂工程问题的能力。

2 课程建设思路

《计算机组成原理》是本科期间非常重要的专业核心硬件基础课，是第一门涉及计算机硬件的课程，该课程具有内容多、难度大、抽象等特点[3]。与之对应的实验课程，则是巩固理论知识，提高创新能力的重要环节[4]。但大多数高校实验学时少，实验局限性大，所以《计算机组成原理》成为大部分学生的一大难点。本次教学改革根据人才培养质量与社会需求存在的差距问题，遵循“以学生发展为中心、能力培养为导向、多元协同为抓手、虚实互动创‘金课”的基本建设思路，打造从基础实验到综合实验的层次化实验教学平台，为学生理解专业知识、提出创新性想法提供良好的平台，不断提高人才培养质量[5]。

（1） 以学生发展为中心，突显应用型人才培养特色。努力将应用型人才的培养融入教育教学之中，提出全新的教学方式和实验场景，特别是可实现以往教学方法难以实现的教学成效，鼓励实践创新、尊重个性化发展，以虚拟仿真金课建设为突破口培养实践创新人才，探索应用型本科人才的培养模式[6]。

（2） 以能力培养为导向，提高实践创新能力。将计算机组成原理实验课程按照“基础技能->设计技能->综合能力”的递进式模型为主线，实验课程安排上可以先从五大功能部件的验证性实验开始，让学生充分掌握基础技能，再通过设计性实验，提高学生的动手能力和创新能力，最后将以设计CPU的综合性实验，提高学生的综合分析和解决复杂工程问题的能力。

（3） 以多元协同为抓手，实现共研共建。运用多元协同的模式，设计虚拟仿真平台，体现实验资源整合、教学竞赛结合、校企联合的“三合”理念，将所需实验统一为一个虚拟仿真平台;同时鼓励学生通过竞赛方式完成虚拟仿真平台的建设，以赛促学、以赛促教、教学相长;联合高校与企业，建立由学生、教师与工程师组成的专业化队伍，融合虚拟仿真实验教学相关的教学内容以及工程所需的优质资源，使得资源真正共享成为可能，进而推进资源的开放及推广应用。

（4） 以虚实互动为技术手段，促进虚拟仿真“金课”建设。结合递进式能力培养方式，充分利用虚拟仿真实验和实体实验教学的各自优势，虚实互补、线上线下有机结合的新型实验教学平台，提高学生的学习兴趣，为虚拟仿真“金课”建设提供有效保障。

3 虚拟仿真实验平台的建设

3.1 虚拟仿真实验平台的总体设计

“计算机组成原理虚拟仿真实验平台”分为网络版和单机版两个版本，如图1所示。主要开发工具包括Unity3D、3D Studio Max、Photoshop等，选取MySQL数据库进行数据的处理和存储。学生可以不受时间和场地的限制，随时随地进行实验任务，并及时获得实验反馈。

3.2 虚拟仿真实验平台的模块设计

整个虚拟仿真平台通过实验准备，实验教学与实验考核三个实验模块进行融会贯通。如图2所示：

实验准备模块主要是为了学生自主实验做准备，包括基础知识学习，认识实验箱以及扩展知识。通过准备阶段的学习，为具体的仿真实验做好充分准备。如图3所示：

实验教学模块针对以往学生困惑比较大的几个方面进行设计完善。首先，计算机组成原理是一门硬件课程，主要学习的是计算机五大功能部件，但在课堂教学中，由于时间和教学条件的限制，无法实现让每一位同学亲手进行拆装机实验，不能很好地了解其内部结构。同时，由于硬件设备极易损耗，成本也比较高，导致部分高校实验课多以软件仿真来完成，因此，就失去了硬件课程本身的意义，使学生学完该门课程之后，从来都没有接触过硬件设备，也从未亲手连接过线路。针对以上问题，“计算机组成原理虚拟仿真实验平台”主要包含两部分：装机实验以及五大功能部件的独立实验（包括运算器实验、存储器实验、微程序控制器实验、中断实验等）。如图4-图6所示：

实验考核模块主要针对本次实验进行检验，通过完成相应的题目得到最终成绩，实验结果和成绩清楚可见，让教师可以通过测试了解每一个学生，如图7所示。

4 教学效果

为了对比教学效果，将18级计算机科学与技术专业学生选取两个班级进行效果对比，一个班级使用虚拟仿真实验进行教学，另一个班级到实验室做实体实验。实验结束后，对两个班级学生的实验时间、答疑次数以及实验成绩进行统计，可以发现两个班级有明显差异，具体数据如表1所示：

统计结果表明：通过虚拟仿真实验平台完成实验的学生在这三个指标上都优于实体实验的学生，首先平均实验时间缩短，学生可以根据虚拟仿真实验平台的实验教学模块进行学习之后再动手操作，操作过程中出现问题系统会及时反馈，减少硬件平台的损耗;并且，实验不受场地和环境限制，随时随地可以进行学习和测试;同时，可以将教师的角色有所转变，从以往忙碌于众多学生中去解决学生实验过程中的问题，转变为向学生提出更深层的问题。在课后对于虚拟仿真实验平台进行满意度调查，满意度达98%以上。现阶段正在将虚拟仿真实验平台不断推广到其他课程，希望实现多门课程交叉融合的综合实验体系。

5 总结

以构建虚拟仿真“金课”为目标，培养具有较强的实践动手能力和技能的应用型人才[7-8]。紧扣这一目标，本轮对《计算机组成原理》实践课程进行教学改革，旨在能够在当前国内计算机硬件人才培养弱化的环境下，从培养应用型人才出发，采用先进的3D技术仿真硬件实验课程与实现真实流程，模拟计算机硬件的工作流程，利用生动的虚拟资源，先进的教学方法，创建以学生为中心的自主探究学习模式，激发学生学习兴趣和动手热情，加深学生对理论知识的理解，同时将教师的工作重点从解决问题转换到互动提问挖掘更深层的问题之上。

参考文献：

[1] 教育部.关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知[EB/OL].（2018） [2020-10-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html.

[2] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[3] 朱惠娟，戴丽丽，徐谦，等.计算机组成原理虚拟仿真实验的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2020（14）：38-41.

[4] 吴继明，钟群锋，曾碧卿.虚拟仿真技术在计算机组成原理实验教学中的应用[J].计算机教育，2019（3）：34-38.

[5] 刘军，施晓秋，金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学，2017（1）：74-78.

[6] 林加论，黄旭，李晓玲.“双万计划”背景下的计算机课程群资源建设[J].计算机教育，2019（11）：42-44.

[7] 肖娟，王嵩，于芳，等.“双一流”建设中应用型地方本科院校计算机硬件类课程实践教学体系改革研究[J].计算机教育，2018（11）：65-68.

[8] 郭世永，陳鲁伟.虚拟仿真学科“金课”建设与实践[J].教育现代化，2019，6（39）：125-127，142.

【通联编辑：王力】

收稿日期：2021-11-01

基金项目：南京理工大学紫金学院教育教学改革课题（编号：20200103007）

作者介绍：戴丽丽（1986—） ，女，江苏南京人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为虚拟现实、数字图像处理;朱惠娟（1985—） ，女，江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向为虚拟现实、三维仿真。