一站式虛擬實驗平臺的設計與建設

楊南粵 李爭名 戚宇恒

摘 要：本文提出一站式虛擬實驗平臺設計與建設方案，利用現(xiàn)代信息技術搭建一個集教、學、考于一體的一站式虛擬實驗平臺，為開放性實驗教學和優(yōu)質教學資源的建設提供平臺。該平臺具有教學過程和教學資源的“整合性”與“共建共享性”等特點。實踐證明，該實驗平臺能整合職業(yè)院校多種專業(yè)的實驗“教”與“學”資源，為學生多樣化的技能訓練提供較全面的一體化實踐平臺，同時提高了優(yōu)質信息化資源的覆蓋率和利用率。

關鍵詞：教育信息化；共建共享；虛擬實驗平臺

中圖分類號：TP311.56 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）07-0074-04

一、引言

與普通教育不同，職業(yè)教育以就業(yè)為導向，具有專業(yè)性、實踐性、應用性、操作性、技能性等特點[1]。其中，技能教育是職業(yè)教育的核心。而當前的職業(yè)教育中，存在以下的問題：

（1）實驗實訓設備昂貴，數(shù)量有限，損耗比較嚴重并且型號落后，更新?lián)Q代難以跟上科技發(fā)展的步伐。而社會對技能型人才的需求使得職業(yè)院校不斷擴招。這就造成了有限的實驗資源與大規(guī)模學生的教學需求之間的矛盾。

（2）教學過程中涉及高?；驑O端環(huán)境的技能操作，如核電站、礦井采煤等專業(yè)操作，涉及不可及或不可逆條件下的操作，如心臟搭橋手術，煤制乙炔工藝，以及一些高成本、高消耗、大型綜合操作訓練，如船舶建造、飛機發(fā)動機的裝配等缺乏有效的實訓資源，無法經常開展實訓。

（3）受課程內容影響，配套的實驗實訓或“片段式”的企業(yè)案例使學生只注重專項技能訓練，忽略了對行業(yè)整體技能的培訓。“只顧埋頭拉車，不會抬頭看路”導致學生缺乏行業(yè)性思維，就業(yè)靈活性和適應性大大降低。另外，目前的教學資源存在著分散和不連貫的現(xiàn)象和缺乏信息化和體系化的建設，導致其不能形成一個有機整體，甚至某些優(yōu)秀教學資源沒能傳承下去和被持續(xù)地應用。

（4）現(xiàn)有的實驗實訓無法及時跟蹤、反饋學生的實踐結果，加上評價體系單一，缺乏讓學生不斷修正、提高和完善的階段性建議和步驟。

以上原因造成學生缺乏興趣，積極性不高，動手實踐能力差等問題，與職業(yè)教育提高學生職業(yè)技能，培養(yǎng)學生職業(yè)素養(yǎng)的初衷不一致[2]。

二、一站式虛擬實驗平臺的設計方案

通過信息技術與教育過程、內容、方法和質量評價深度融合，提高實習實訓、項目教學、案例分析、職業(yè)競賽和技能鑒定的水平，吸引行業(yè)企業(yè)參與專業(yè)教學，從而全面提高各專業(yè)學生新時代的職業(yè)能力和信息素養(yǎng)。《教育部關于加快推動職業(yè)教育信息化發(fā)展的意見》（職教成[2012]5號）中明確提出了“十二五”時期職業(yè)教育信息化建設的基本思路和總體目標：“以科學發(fā)展觀為指導，堅持以人為本，需求導向，創(chuàng)新引領，共建共享，突出特色，加快推進職業(yè)教育信息化發(fā)展。”

然而很多職業(yè)院校信息化的建設，僅僅停留在應用多媒體課件展示教學內容上，沒有體現(xiàn)出信息技術與課程整合的實質性內涵。根據(jù)前面引言提出的職業(yè)教育存在的問題來看：解決問題（1）需要建設一個開放性的實驗平臺；解決問題（2）需要借助虛擬仿真技術彌補實物實訓的不足；解決問題（3）必須使該實驗平臺具備良好的共建共享性；解決問題（4）必須使該平臺具有完整性，即良好的整合性。綜上幾點，利用現(xiàn)代信息技術搭建一個集教、學、考于一體的一站式虛擬實驗教學平臺，實現(xiàn)職業(yè)教育與信息技術真正深度融合，能為解決當前職業(yè)教育面臨的問題提供新途徑。

一站式虛擬實驗教學平臺對學生而言，聯(lián)通了課堂、實訓基地和社會崗位，為學生創(chuàng)造一種能夠隨時隨地在做中學、例中學，及時得到反饋和指導的“空中課堂”[4][5]如圖1所示，有效地解決了職業(yè)教育實訓難、實習難的問題。

一站式虛擬實驗教學平臺對于教師而言，整合了課程建設、教學資源、評價模式，形成一個一體化的教學體系如圖2所示，實現(xiàn)信息技術與現(xiàn)有教學內容和知識點完整配套，便于隨時更新和異地共享，為加快推進職業(yè)教育資源開發(fā)和共享，縮小校際和區(qū)域資源配置差距，提供了新的可能。

三、一站式虛擬實驗平臺的組成

一站式虛擬實驗平臺由實驗管理系統(tǒng)、實驗教學系統(tǒng)、自主學習系統(tǒng)和自動化考核系統(tǒng)組成，如圖3所示。

1.實驗管理系統(tǒng)

實驗管理系統(tǒng)包含通知系統(tǒng)、用戶管理、用戶組管理、角色管理、權限管理等，負責對各種實驗資源、實驗資訊、用戶信息等進行統(tǒng)籌管理，提高實驗管理運作的科學化、智能化，并加快系統(tǒng)化建設進程。

2.實驗教學系統(tǒng)

實驗教學系統(tǒng)提供開放實驗環(huán)境下的資源共建共享、實驗教學、作業(yè)管理以及實驗教學評價，為提高實驗教學效率和效果提供支持。

資源共享共建模塊提供可用性高、易獲取、優(yōu)質豐富的實驗教學案例資源及題庫，對課件、精品課程、微課程、企業(yè)的真實案例等進行分門別類的標注，方便檢索。同時這些資源是開放和共享的，支持自主擴展，能夠逐漸形成一個完整的學科資源庫。

實驗教學模塊通過虛擬現(xiàn)實技術和網絡技術創(chuàng)建高交互的實驗教學環(huán)境，并進行實驗過程跟蹤與針對性指導。同時也包括實驗任務的發(fā)布、回收與評價以及作業(yè)的收發(fā)與批改，優(yōu)秀案例作業(yè)的展示與分享[6]。實驗教學過程如圖4所示。

3.自主學習系統(tǒng)

自主學習系統(tǒng)中有登錄模塊、知識呈現(xiàn)模塊、資源集成模塊、學習工具模塊、在線測試與在線作業(yè)模塊、實時自由討論區(qū)和專題討論區(qū)模塊、學習過程記錄、查詢模塊。自主學習系統(tǒng)提供豐富的實驗案例和具有高度交互功能的虛擬實驗環(huán)境供學生進行實驗實訓，并全程跟蹤操作過程，實時診斷與評價操作技能及結果，指出錯誤的原因，并提出學習建議和操作示范，實現(xiàn)真正的一對一教學實驗指導。

學生可以隨時隨地登錄到該學習系統(tǒng)進行某門專業(yè)課程的學習，過程是：學生登錄自主學習系統(tǒng)，在知識呈現(xiàn)模塊獲取學習任務后進行相關知識的學習，可以通過資源集成模塊提供的專業(yè)教學實驗案例、真實環(huán)境下的操作演示視頻等各種資源進行例中學，遇到不懂的問題可以在討論區(qū)進行咨詢，同時使用學習工具在虛擬實驗環(huán)境中進行反復的交互性操作，實現(xiàn)做中學，而學習過程記錄模塊已在學生登錄自主學習系統(tǒng)時開始進行學習軌跡跟蹤，查詢模塊提供學習進度、策略方面的支持。學生無論進行在線學習還是完成作業(yè)或測試，高度交互的虛擬操作系統(tǒng)都會實時反饋與評價，給出針對性的提示信息和操作演示，直至該學生最終掌握正確的操作技能和方法。最后系統(tǒng)還會對本次自主學習進行總結分析，給出進一步學習的建議，指明繼續(xù)努力的方向[7]。自主學習過程如圖5所示。

4.自動化考核系統(tǒng)

建立以技能自動化測評為中心的多元化評價體系，通過科學化評價機制，采用多樣化的評價方式[8]，最終實現(xiàn)按照不同情況的需要，實現(xiàn)作業(yè)評價、實驗過程的跟蹤評價、認證評價和課堂總結性評價。

自動化考核系統(tǒng)提供真實環(huán)境下的技能訓練和考核，全面地考察操作者實際操作能力和解決實際問題的能力，學生可以在該系統(tǒng)下進行各類認證考核的模擬練習。系統(tǒng)提供自定義測試卷組，學生可以由答題庫隨機出卷，也可以自由組合客觀題與操作技能題目，考核系統(tǒng)都將進行操作技能的自動化評測，為學生提供一個有效的指導。

四、一站式虛擬實驗平臺的特點

1.整合性

集教、學、考于一體的一站式虛擬實驗教學平臺使學生獲得“教學練評”的一體化技能訓練，即學生在生動逼真的虛擬環(huán)境中體驗并訓練技能，并隨時與實驗對象、學習資源、教師、同學等進行交互反饋，得到實時評價，鍛煉和培養(yǎng)真實的職業(yè)行為[5]。

該平臺整合了校內不同專業(yè)的虛擬實驗實訓，一方面為學生進行本專業(yè)和跨專業(yè)技能培訓和自主探究式學習提供開放的、綜合性的虛擬實驗環(huán)境，同時也為教師進行交叉學科實驗建設和多工種技能鑒定提供平臺。

2.可擴展性

為隨時增加不同的專業(yè)訓練項目、實驗場景和其他功能模塊預留可更新和擴展的數(shù)據(jù)接口、功能接口，使平臺應用可持續(xù)更新[9]。

3.共建共享性

平臺具備教學資源上傳、試題添加、優(yōu)秀作業(yè)成果展示等功能，這些資源可以逐級推薦和審核，實現(xiàn)優(yōu)秀教學資源的共建共享。該平臺可以使教師持續(xù)有效地開展優(yōu)質職業(yè)教育資源體系化建設。教師一方面可以把已有的信息化教學資源和成果進行共建共享；另一方面隨著實驗平臺不斷應用產生的新經驗成果及資源，教師可以進行二次整理和進一步的開發(fā)和實時更新，提高實驗教學的效率和質量。

五、一站式虛擬實驗平臺的建設實踐

為了更好地管理校內的實驗實訓資源，提高優(yōu)質實驗教學資源的利用率，促進職業(yè)教育與信息技術的深度融合，工業(yè)中心開展智能管理系統(tǒng)二期工程項目建設，一站式虛擬實驗平臺是其中一個重要組成部分。該項目獲廣東省2015年“創(chuàng)新強校工程”項目資助。該平臺整合了校內原有的電子工程、自動控制、物流管理、數(shù)字傳媒、機械加工五個專業(yè)類別的22個虛擬仿真實驗實訓項目，如中央空調遠程控制、高電壓控制、虛擬數(shù)控銑削加工、教育電聲系統(tǒng)、虛擬演播、非隔離型AC-DC變換器、物流三維模擬仿真、交互式虛擬裝配等，并在此基礎上進行進一步的擴充和建設。

學生可以在此開放性的平臺進行自主學習與技能訓練，獲得實時評價，提高操作能力。某些專業(yè)還可以進行認證考核模擬練習，例如“CZK數(shù)控加工仿真訓練與智能化考核系統(tǒng)”開展面向實際生產過程的機床仿真加工訓練；如“電氣故障信息化考核系統(tǒng)”中的“制冷設備電氣故障檢測智能考核系統(tǒng)”提供了四種不同的制冷設備控制電路：（1）變頻空調控制電路、（2）熱泵式分體空調控制電路、（3）中央空調控制電路、（4）冷庫控制電路供學生進行仿真訓練。這四種電路均由信息化系統(tǒng)以智能化方式設置各種故障點：變頻空調設置了28個故障點、熱泵式空調設置了24個、中央空調設置了30個、冷庫24個，以滿足不同等級的技術培訓與考核使用。另外，考核系統(tǒng)中的試題庫含有兩類試題：一類是針對制冷設備控制電路板設置的培訓應會試題庫；另一類是根據(jù)國家勞動部有關制冷設備相應職業(yè)技能等級的應知考試題庫；再如“中央空調信息化智能考核系統(tǒng)”，學生可以遠程進入中央空調的虛擬仿真界面，如圖6，圖7所示，進行中央空調和冷庫的正確開關機順序、延時時間長短控制、運行狀態(tài)實時監(jiān)控和故障排除等仿真操作和模擬考核[7]。仿真界面上顯示的各種動態(tài)變化的數(shù)值來源于可編程控制器PLC上的對應變量鏈接，通過傳感器采集空調運行的各種實時數(shù)據(jù)獲得。

該平臺計劃提供面向廣東省支柱產業(yè)：數(shù)控、電子、電工、軟件、汽車、金融等專業(yè)技術考核60多個方向的項目實驗實訓，28個工種的職業(yè)技能鑒定，向其他職業(yè)院校開放，形成輻射作用，擴大優(yōu)質信息化資源覆蓋面。同時各專業(yè)的教師可對平臺內的實驗實訓資源共同進行建設與開發(fā)，保證優(yōu)質的教學資源得到持續(xù)性的更新和共享，為我?！懊嫦蚵毥?、服務職教、引領職教、特色發(fā)展”的辦學思想提供支持。

六、結束語

本文提出一站式虛擬實驗平臺的設計思想，在建設與應用的實踐中，該平臺的“整合性”與“共建共享性”為職業(yè)院校師生的教與學提供了極大的便利。該實驗平臺的建設與投入使用為職業(yè)院校提供了一個清晰的體系化數(shù)字教育教學資源庫，便于各專業(yè)教師進行綜合統(tǒng)籌，對相關領域各種資源進行分批逐次的信息化建設，有利于職業(yè)院校的學生充分利用校內外的實驗實訓資源進行技能培訓，拓寬職業(yè)視野。在國家號召加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的今天，通過一站式虛擬實驗平臺整合職業(yè)教育已有信息化成果和師資力量進行新舊資源的共建共享，有利于擴大優(yōu)質資源的覆蓋面和受眾，使職業(yè)教育信息化實現(xiàn)與時俱進，得到持續(xù)性的發(fā)展并跨上新的臺階，為培養(yǎng)學生新時代的職業(yè)能力和信息素養(yǎng)開拓新的途徑。

參考文獻：

[1]任劍嵐. 職業(yè)教育與信息技術的深度融合[J].教育與職業(yè)，2015，1（2）：43-44.

[2]李玉梅，李茜.基于虛擬現(xiàn)實技術的高職生自主學習能力培養(yǎng)探討[J].大眾科技， 2014，10（16）：142-144.

[3]張靜，肖明. 開放式虛實結合的實驗教學模式的研究與探索[J].中國電力教育， 2014，12（36）：176-178.

[4]劉陽，蔡保松.中國TOP大學繼續(xù)教育發(fā)展：成就與挑戰(zhàn)[J].繼續(xù)教育，2015（2）：11-13.

[5]胡航，詹青龍.基于虛擬現(xiàn)實技術的職業(yè)教育一體化教學：內涵、功能與設計[J].繼續(xù)教育， 2014 ，4（13）：163-166.

[6]諶素華，王維民，黃和等.實驗項目開放式實驗教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索， 2009，2（28）：142-144.

[7]張進.網上虛擬教學學習資源中心的建設[J].電化教育研究，2005，4（12）：77-80.

[8]劉喬壽，黃沛昱.電子信息類開放實驗教學模式[J].實驗室研究與探索， 2013，32（7）：157-201.

[9]陳華竣，趙士斌.開放式虛擬訓練實訓室的設計與建設[J].實驗室研究與探索， 2012，8（31）：158-161.

（編輯：楊馥紅）