摘要：針對高校計算機類課程傳統(tǒng)實驗室存在的不足，文章引入虛擬實驗室概念，并分析其優(yōu)缺點，提出虛實結合的實驗室構建計劃，充分利用現(xiàn)有計算機相關專業(yè)實驗室資源，提高設備利用率，增進學生實驗自主性。通過對本校使用虛擬實驗室的情況進行調查，結果表明較之傳統(tǒng)實驗室，虛實結合實驗室具有明顯優(yōu)勢。
　　關鍵詞：虛擬實驗室；傳統(tǒng)實驗室；計算機專業(yè)課程；虛實結合
　　作者簡介：劉輝，女，講師，研究方向為圖形圖像處理；曾松，男，助理實驗師，研究方向為計算機網絡、實驗室建設。
　　
　　實驗教學是培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力的一個重要環(huán)節(jié)，特別是對計算機這一實踐性很強的學科來說，顯得尤為重要。計算機類專業(yè)課或專業(yè)基礎課一般比較抽象，必須通過實驗環(huán)節(jié)來幫助學生理解和掌握。為此，各高校為計算機相關專業(yè)課程配備了專用實驗室以及專用儀器設備，以完成相應實驗教學。如廣東商學院信息學院就分別為計算機組成原理、接口技術、數(shù)字電路、計算機網絡等課程安排了專用實驗室，購置了專用實驗裝置，以滿足教學需要。
　　1傳統(tǒng)實驗室存在的問題
　　通過看得見摸得著的實物儀器裝置，學生可以較容易的獲得感性認識，將抽象的理論變成直觀的現(xiàn)實，這種傳統(tǒng)實驗室為學生提供了真實的實驗環(huán)境，使學生身臨其境，理論上教學效果應當非常好。但是，很多高校現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機專業(yè)實驗室存在很多問題，很難達到理想的實驗效果[1-2]。
　　首先，傳統(tǒng)實驗室的投資高，利用率卻很低。以某些計算機專業(yè)課程為例，如計算機組成原理、微機接口等，需要專用實驗室配備專用設備儀器，只能為少數(shù)專業(yè)少數(shù)學生使用，實驗室及實驗設備使用率很低，閑置率超過60%，有的甚至超過80%，資源浪費非常嚴重，束縛了實驗室功能的充分發(fā)揮。
　　第二，傳統(tǒng)實驗室對時間和空間的限制嚴重。大部分實驗課程只能以教師為中心，在實驗室完成，學生不能自主進行實驗，學生的主動性和積極性難以發(fā)揮。
　　第三，傳統(tǒng)實驗室中的實驗設備靈活性差。一般，計算機類實驗儀器設計復雜，很難增添功能或改變實驗內容及實驗過程，往往只能進行驗證性實驗，綜合性、設計性實驗難以開設。
　　第四，傳統(tǒng)實驗室發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆＞退闶桥鋫淞俗钚碌慕虒W實驗設備，新技術、新成果也無法及時體現(xiàn)，導致學生的知識結構及動手能力不能與社會發(fā)展同步，總是滯后于現(xiàn)代技術發(fā)展前沿。如果考慮對傳統(tǒng)實驗室進行改造，則需耗費巨大的人力、物力、財力，價值不高。
　　第五，問題的難以重現(xiàn)。在傳統(tǒng)實驗室中，由于實驗設備復雜，實驗環(huán)境等客觀因素對實驗有很大影響，有些問題是學生操作不當引起，有些問題可能是當時設備狀態(tài)出了問題，如果不能及時跟進，過后很難再確定問題原因，這樣往往使學生無法找到問題本質，嚴重影響對實驗的理解。
　　以廣東商學院為例，實驗室建設受到經費的限制，許多先進的設備無力購買或不能及時更新，從而導致實驗室的設備總是處于落后甚至淘汰的邊緣。以計算機組成原理實驗箱為例，盡管提供了16機的一些操作，但本質上是8位機，而目前普遍存在的CPU是32位，且正向64位發(fā)展，這種理論和實際的脫節(jié)，勢必影響學生對知識的理解和應用。實驗內容也因此無法得到及時更新，再加上實驗課時和實驗場地相對緊缺等種種客觀因素，實驗教學質量始終得不到保障，學生甚至反映實驗比課堂理論還難理解。
　　如何彌補傳統(tǒng)實驗室的諸多不足，同時引入新穎的教學模式，提高教學質量呢？虛擬實驗環(huán)境為我們提供了一個很好的方向。
　　2虛擬實驗室
　　隨著網絡技術和計算機軟件技術的迅速發(fā)展，虛擬實驗室應運而生，它由美國弗吉尼亞大學的威廉?沃爾夫教授于1989年首先提出。所謂虛擬實驗室是指利用計算機網絡和虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)建的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，是利用軟件在計算機中創(chuàng)建的虛擬實驗系統(tǒng)。虛擬實驗室具有以下傳統(tǒng)實驗室無法比擬的優(yōu)點[3-5]。
　　第一，虛擬實驗室的教學模式新穎，打破了傳統(tǒng)實驗室的束縛，給學生充分的發(fā)揮和想象空間。
　　第二，在虛擬實驗室中進行實驗，實驗成本低。因為“軟件即為儀器”，這樣可以解決因實驗經費不足或高檔次、高價位設備缺乏不能開出實物實驗的問題，同時也不會因使用不當、管理不善等因素造成儀器損壞、元器件丟失等現(xiàn)象，這樣也減少了對實驗室的投入和管理費用。
　　第三，在虛擬實驗室中，實驗效率很高。由于虛擬實驗室中的設備都是處于理想狀態(tài)，不會因為接觸不良、設備故障等次要因素影響實驗主體的進行，減少學生的無用功，提高實驗效率。
　　第四，在虛擬實驗室中學生的自主性、交互性好。學生可以像玩電子游戲一樣，用鼠標去控制實驗，一邊改變實驗條件，一邊觀察實驗結果，可以任意放慢或加快實驗過程，可以隨時改變實驗條件，可以看到在傳統(tǒng)實驗中看不到的變化過程。
　　第五，虛擬實驗室的開放性、資源共享性、協(xié)作性好。虛擬實驗室是一個開放的實驗平臺，突破了傳統(tǒng)實驗室對時間和空間的限制，實驗者可以隨時隨地的進行各種實驗。同時，虛擬實驗室還可以模擬傳統(tǒng)實驗室中沒有的設備，開設反映新技術新成果的應用實驗及其他新型實驗，可以開拓學生視野，提高學習興趣，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在協(xié)同虛擬環(huán)境中，可實現(xiàn)合作實驗、遠程實驗、協(xié)同研究等，提高學生的互助合作精神。
　　第六，虛擬實驗室中的實驗具有可重現(xiàn)性。不同于傳統(tǒng)實驗室，虛擬實驗室由軟件模擬，只要實驗設定條件、實驗步驟不變，實驗結果就不變，甚至出現(xiàn)的問題也不變，這樣對問題的定位就變得容易。
　　第七，虛擬實驗室可以提高傳統(tǒng)實驗室的使用效能。以往由于實驗環(huán)境的約束，學生只能在實驗課上才開始接觸實驗設備，需經過一段時間來熟悉實驗儀器，而課堂時間有限，這樣會浪費在實驗室的寶貴時間。開放虛擬實驗室后，學生可以在虛擬實驗平臺上完成一些預習性的工作，進入傳統(tǒng)實驗室后，基本上就可以直接進行主要的實驗過程了。
　　綜上，虛擬實驗室有效地彌補了傳統(tǒng)實驗室存在的不足，在教育領域得到了越來越廣泛的應用。目前國內許多高校都根據(jù)自身需求建立了虛擬實驗室，如中國科學技術大學的物理仿真實驗軟件，同濟大學建筑學院的虛擬現(xiàn)實實驗室，中南大學的操作系統(tǒng)虛擬實驗室、計算機組成原理虛擬實驗室等，而且均取得了較好的教學效果，師生反應良好。
　　當然，虛擬實驗室不可能完全取代傳統(tǒng)實驗室，它只是一個虛擬環(huán)境，如果不進行實戰(zhàn)，也只是紙上談兵。因此，必須考慮將虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相結合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，這樣才能搭建出好的實驗環(huán)境，獲得好的實驗效果。
　　3虛實結合實驗室的構建
　　通過分別對傳統(tǒng)實驗室和虛擬實驗室的分析，可以看出，二者各有優(yōu)缺，只有將二者結合才能構建一個實用性強的綜合性實驗室，才能為學習者營造一個不受時間、地點、實驗設備約束的實驗環(huán)境，使學生既可以感受到逼真的實驗過程，接觸到實際設備，加深對課程內容的理解，又節(jié)約了學校專用實驗室的投入，提高實驗室和設備的利用率。
　　目前，各高校多數(shù)都已經建成傳統(tǒng)實驗室。虛擬實驗室方面，由于虛擬儀器的硬件是以通用的微型計算機為基礎，各高校的實驗室一般已擁有相當數(shù)量的通用計算機，只要購買一定的儀器模板以及相應的軟件，就可以構成足夠數(shù)量的虛擬儀器供學生使用。因此，虛實結合實驗室的構建條件是完全具備的。
　　筆者以本校計算機相關專業(yè)學生為對象，包括計算機、軟件工程、電子商務、信息管理四個專業(yè)近400人，以硬件核心課程計算機組成原理為例，利用本校原有計算機組成原理傳統(tǒng)實驗室和購置的中南大學計算機組成原理虛擬實驗室[6]，初步構建了虛實結合的綜合實驗室，實驗室中提供了運算器、控制器、存儲芯片、譯碼電路芯片、以及其他可編程芯片和常用的門電路邏輯芯片。根據(jù)虛擬實驗系統(tǒng)提供的實驗及課程內容安排了相應虛實結合的實驗內容，如表1所示。通過合理分配實驗內容，可以滿足不同知識背景學生的要求。如對計算機專業(yè)的學生來說，表1中的每個實驗都是可以進行的，而且很多實驗可以在課下由學生自行完成。對于信息管理專業(yè)，由于課程要求不同，難度較大的實驗可以省去或簡化，如控制器實驗、模型機實驗等。
　　
　　表1實驗項目表
　　在這種虛實結合實驗室的構建中，有以下幾項內容需要說明。
　　1) 課上實驗項目的設置。采用了虛實融合的方式，每次實驗采用任務驅動式，由教師布置任務，但不給出具體做法或僅給出少量提示，由學生主體設計實驗過程并完成實驗。實驗項目循序漸進且具有整體性，以運算器項目為例，每次實驗都是后繼實驗的基礎，后繼實驗則是前一實驗的應用。每個實驗項目都是最后一個實驗項目——模型機實驗的一個模塊，運算器、控制器、存儲器等實驗完成時，就形成了一臺簡單的模型機。
　　2) 虛實結合實驗室的開放。由于傳統(tǒng)實驗室受到諸多條件限制，只能在課上開放，而虛擬實驗室已經由工作人員安裝在校園網服務器上，全天開放，虛擬實驗室對客戶端沒有特別要求，學生可以隨時通過網絡進入虛擬實驗室。
　　3) 師生交互。這一點在傳統(tǒng)實驗室中很容易實現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下也必須提供?？梢栽谔摂M實驗室中設置問題區(qū)，學生無法解決的問題，可以將其問題狀態(tài)保留在各自虛擬實驗室中，一個學生可以保存多種實驗狀態(tài)，老師通過網絡進入相應學生的虛擬環(huán)境，幫助分析問題原因。
　　4) 實驗室中的設備更新。為了能在實驗室中及時反映各種新技術、新方法，需要虛擬實驗平臺提供者及時升級系統(tǒng)，較之傳統(tǒng)實驗室的設備更新，這種升級所需的代價要小得多。
　　在廣東商學院，筆者經過一個學年的教學實踐，在學期末對學生進行調查發(fā)現(xiàn)，未使用虛擬實驗室之前，學生往往還沒來得及理解實驗就已經到了下課時間，部分同學勉強完成實驗，結果很多問題不能得到及時解決，日積月累到學期末，多數(shù)學生感覺對很多知識還是不懂，實驗只是走過場。在引入虛擬實驗室后，90%的學生都能自己完成實驗內容，且感覺實驗內容較容易，從學生交來的實驗報告中可見一斑，這說明了虛實綜合實驗室的初步成效。
　　4結語
　　在計算機相關專業(yè)推行虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相結合的綜合實驗室，可以緊跟最新技術的發(fā)展，突破傳統(tǒng)實驗室的束縛，可以營造一種生動活潑、輕松愉快的教學氛圍，為學生提供豐富的感性認識，加深對教學內容的理解，提高學生的學習主動性、互動性和創(chuàng)造性，彌補傳統(tǒng)實驗室及實驗器材難以進行靈活使用的缺點。同時，虛實結合的實驗室可以提高現(xiàn)有各類計算機專業(yè)實驗室的使用率，以虛擬實驗室為主導，節(jié)約計算機類專用實驗室建設和設備更新的開支。因此有必要構建虛擬實驗室環(huán)境，尤其是對計算機相關課程專業(yè)性較強的實驗室。當然，筆者只是將虛擬實驗室252bb9330f9f90152e1a27443d63c44d80a886df51470baf4aaacb2c4fd1dff2和傳統(tǒng)實驗室進行了簡單的結合，作了初步嘗試，如何才能最大程度地發(fā)揮二者作用，還有待進一步的教學實踐和探索。
　　參考文獻：
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