在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的思考

王 森, 高東峰

(1. 浙江理工大學(xué) 教師教學(xué)發(fā)展中心, 浙江 杭州 310018； 2. 教育部 實(shí)驗(yàn)室處, 北京 100816)

在建設(shè)國家教育資源公共服務(wù)體系框架下,推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合成為今年教育信息化工作的重點(diǎn)[1]?！?017年教育信息化工作要點(diǎn)》提出“遴選一批典型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)建設(shè)”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目資源庫由在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成。在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目興趣為目標(biāo),以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)和分布式存儲(chǔ)技術(shù)為核心[2],以寬帶網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ),以綜合性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主體,通過提供具有良好沉浸感、獲得感和愉悅性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)氛圍,激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣,擴(kuò)展學(xué)生的知識面,促進(jìn)學(xué)生多學(xué)科、多專業(yè)、多課程知識點(diǎn)和能力的融會(huì)貫通[3]。

1 建設(shè)在線虛擬仿真項(xiàng)目共享平臺(tái)的可行性

1.1 高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目基礎(chǔ)雄厚

國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)已取得顯著成效。教育部從2013年開始,歷時(shí)3年,在全國高校建設(shè)了300個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,覆蓋大多數(shù)部屬高校、一大批地方高校和軍隊(duì)院校[1]。已經(jīng)建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心覆蓋的學(xué)科詳見表1。各省級教育行政主管部門也積極推進(jìn)省級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作,特別是2017年教育部發(fā)布開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)通知以來,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

表1 國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的學(xué)科分布

1.2 虛擬仿真技術(shù)日漸成熟

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是20世紀(jì)80年代開發(fā)的一種綜合集成技術(shù),涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境,可以逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界(甚至是不存在的)的事物和環(huán)境。人在這種虛擬環(huán)境中會(huì)有如“身臨其境”的感覺,自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互[4]。

虛擬仿真技術(shù)以構(gòu)建全系統(tǒng)統(tǒng)一、完整的虛擬環(huán)境為典型特征,并通過虛擬環(huán)境集成與控制為數(shù)眾多的實(shí)體。實(shí)體在虛擬環(huán)境中相互作用,或與虛擬環(huán)境作用,以表現(xiàn)客觀世界的真實(shí)特征。虛擬仿真技術(shù)的這種集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征,充分滿足了現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展需求。

在2016年前后,VR技術(shù)熱潮再次掀起。眾多國際知名互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)相繼在VR領(lǐng)域大手筆發(fā)力,如Google、Facebook、三星等公司都開始開展虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備研發(fā)[5]。

2015年12月,我國虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立,意味著我國具備了建立虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合體系的條件。目前,國內(nèi)有虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)能力的公司約有20家,這些公司為虛擬仿真共享平臺(tái)建設(shè)提供了技術(shù)支持[6]。

1.3 分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠

分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備上。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用存儲(chǔ)服務(wù)器集中存放所有數(shù)據(jù),存儲(chǔ)服務(wù)器也因此成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸,成為系統(tǒng)可靠性和安全性的焦點(diǎn),但往往不能滿足大規(guī)模存儲(chǔ)應(yīng)用的需要。分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用可擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),利用多臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷,利用位置服務(wù)器定位存儲(chǔ)信息。它不但提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率,還易于擴(kuò)展。

從分布存儲(chǔ)系統(tǒng)的典型應(yīng)用來看,分布式存儲(chǔ)方式有塊存儲(chǔ)、對象存儲(chǔ)、文件存儲(chǔ)；開源的項(xiàng)目方式有Ceph、GlusterFS、Sheepdog、Swift；不同的商業(yè)實(shí)現(xiàn)有Google、AWS、微軟、金山、七牛、阿里云、Qingcloud等。分布存儲(chǔ)系統(tǒng)的建設(shè)思路有所不同,可選的硬件種類也很多。分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的快速發(fā)展為虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)行提供了硬件支持。

1.4 高等教育信息化硬件環(huán)境不斷優(yōu)化

我國高等院校信息化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)展迅速,主要包括學(xué)校內(nèi)部的計(jì)算機(jī)與相關(guān)信息通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及地區(qū)性和全國性教育網(wǎng)等。據(jù)對全國120所高校的抽樣統(tǒng)計(jì),截至2014年底,70%以上的高校固定網(wǎng)絡(luò)接口超過1萬個(gè),而有5 000個(gè)以下固定網(wǎng)絡(luò)接口的高校僅占11%；69%的高校出口帶寬超過1 G,81%的學(xué)校出口帶寬利用率超過60%；82%的高校部署了校園無線網(wǎng)絡(luò)；近半數(shù)學(xué)校部署的AP數(shù)量超過500個(gè)。

從以上3方面的分析來看,開展在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的條件已經(jīng)基本具備。

2 在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的意義

2.1 貫徹黨中央決策,增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力

黨中央對增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力給予高度重視,在《關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》中明確將其作為深化教育改革的“重點(diǎn)任務(wù)”。高等教育作為科技第一生產(chǎn)力、人才第一資源和創(chuàng)新第一驅(qū)動(dòng)力的重要結(jié)合點(diǎn),將日漸成為國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場和各行各業(yè)培養(yǎng)人力資源的最重要補(bǔ)充來源。

高等院校畢業(yè)生的實(shí)踐能力與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平密切關(guān)聯(lián)[7]。綜合西方發(fā)達(dá)國家發(fā)展經(jīng)驗(yàn),提升高校畢業(yè)生的實(shí)踐能力,對我國實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量、更有效率、更加公平、更可持續(xù)的發(fā)展,保持經(jīng)濟(jì)中高速增長具有重要意義。利用現(xiàn)代信息手段,充分共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,是快速增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑。

2.2 實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的新舉措

“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃已經(jīng)成為國家“十三五”發(fā)展中拓展發(fā)展新空間的主要內(nèi)容。2015年7月4日,國務(wù)院正式印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》。特別是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的興起,將會(huì)使未來的教學(xué)活動(dòng)都圍繞互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行:教師在互聯(lián)網(wǎng)上教,學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上學(xué),信息在互聯(lián)網(wǎng)上流動(dòng),知識在互聯(lián)網(wǎng)上成型,線上教育將與線下教育共同支撐人才培養(yǎng)的支柱,相耀生輝。在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目植根于互聯(lián)網(wǎng),有效地利用了優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資源,擴(kuò)大了優(yōu)質(zhì)教師的授課覆蓋面,也必將對“互聯(lián)網(wǎng)+教育”形成強(qiáng)力支撐。

2.3 以高等教育需求切實(shí)帶動(dòng)虛擬技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為2015年以來的技術(shù)革命引爆點(diǎn)。全球著名的互聯(lián)網(wǎng)公司相繼推出了自己的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或裝備,例如谷歌眼鏡、Facebook旗下的Oculus Go、三星公司的Gear VR。

中國企業(yè)也在跟進(jìn)發(fā)展。2015年12月23日,中國虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立,成員單位包括虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化領(lǐng)域企業(yè)、大專院校、科研機(jī)構(gòu)、社會(huì)團(tuán)體、政府機(jī)構(gòu)及投資機(jī)構(gòu)等相關(guān)企事業(yè)單位。聯(lián)盟認(rèn)為:我國VR技術(shù)和可視化技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲(chǔ)備和市場開拓者、應(yīng)用者,包括科研機(jī)構(gòu)、眾多的創(chuàng)業(yè)者、投資者,建立虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合體系已經(jīng)具備條件。

有咨詢機(jī)構(gòu)預(yù)測:到2020年,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的市場規(guī)?？赡苓_(dá)到1 000億美元。在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)將通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)合,推動(dòng)我國虛擬技術(shù)的進(jìn)步,促進(jìn)虛擬技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[8]。

3 整體思路

目前,在全球范圍內(nèi)還沒有類似于在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的集成式平臺(tái),這類平臺(tái)的建設(shè)屬于集成創(chuàng)新的范疇,也屬于中國特色高等教育管理的優(yōu)勢領(lǐng)域。開展在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè),需要從頂層設(shè)計(jì)、政策引導(dǎo)、項(xiàng)目建設(shè)、平臺(tái)監(jiān)管等方面持續(xù)綜合發(fā)力、精準(zhǔn)施策,才能使在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目切實(shí)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3.1 做好頂層規(guī)劃

在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有影響面大、受益人群廣等特點(diǎn),必須注意做好頂層規(guī)劃,確保不出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)[9]。頂層規(guī)劃要考慮以下基本原則:

一是堅(jiān)持成熟一批、推出一批,確保推出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)在學(xué)校、區(qū)域或行業(yè)內(nèi)試點(diǎn)獲得基本認(rèn)可；

二是堅(jiān)持符合專業(yè)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展方向,支持那些能夠很好地反映教育教學(xué)規(guī)律、體現(xiàn)專業(yè)教學(xué)需求、適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；

三是堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),鼓勵(lì)與行業(yè)、企業(yè)合作共建、共享,推動(dòng)教學(xué)形式創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、組織模式創(chuàng)新等各項(xiàng)創(chuàng)新；

四是堅(jiān)持互利共贏,確保集成平臺(tái)與分布站點(diǎn)之間的關(guān)系是平等互利關(guān)系,集成平臺(tái)通過資源鏈接的集中,呈現(xiàn)高度可信的良好形象,各分布站點(diǎn)負(fù)責(zé)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)更新和網(wǎng)絡(luò)維護(hù),確保實(shí)驗(yàn)效果和網(wǎng)絡(luò)通暢,平臺(tái)和站點(diǎn)之間溝通形成盈利共享模式[10]。

3.2 制定引導(dǎo)政策

通過制定引導(dǎo)政策,明確項(xiàng)目的發(fā)展方向,支持重點(diǎn)和可持續(xù)發(fā)展機(jī)制。

一是鼓勵(lì)開展在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。要繼續(xù)開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè),夯實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí),要鼓勵(lì)有特色、有條件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)力度。

二是鼓勵(lì)開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)建設(shè)。平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對外開放共享的基礎(chǔ),要通過廣泛發(fā)動(dòng),鼓勵(lì)有實(shí)力、有基礎(chǔ)、有條件的平臺(tái)加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè),爭取形成統(tǒng)一對外發(fā)布和使用的平臺(tái)。

三是鼓勵(lì)校企合作。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展,協(xié)同相關(guān)部門共同出臺(tái)相關(guān)項(xiàng)目、技術(shù)的校企聯(lián)合等政策措施,推動(dòng)企業(yè)和高校在項(xiàng)目、平臺(tái)的技術(shù)開發(fā)升級、平臺(tái)運(yùn)維等方面深度合作。

四是鼓勵(lì)相關(guān)教學(xué)研究。推動(dòng)有關(guān)專家組織和機(jī)構(gòu)開展在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目理論、教學(xué)模式與學(xué)習(xí)方式、共享模式、核心技術(shù)等研究。

3.3 建立共建共享運(yùn)行機(jī)制

制定優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)、共享和可持續(xù)發(fā)展的配套政策,明確高校與科研院所、行業(yè)企業(yè)共建共享優(yōu)質(zhì)資源的途徑,構(gòu)建資源共建共享激勵(lì)機(jī)制,發(fā)揮省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教育中心聯(lián)席會(huì)學(xué)科組的指導(dǎo)作用,制定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)規(guī)范,引導(dǎo)多元化參與和投入,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源有償使用的市場化、產(chǎn)業(yè)化渠道,營造濃厚的共建共享文化環(huán)境,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源優(yōu)化再生和持續(xù)提升,最終實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源在線開放共享和可持續(xù)發(fā)展。

3.4 構(gòu)建平臺(tái)常態(tài)化運(yùn)行模式

加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和宏觀管理,完善多級平臺(tái)管理體系,引入市場力量和企業(yè)化運(yùn)行模式,以集體購買、學(xué)生受益,有償使用、返利資源提供者的方式運(yùn)營,形成可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源在線運(yùn)行機(jī)制。采取措施激勵(lì)平臺(tái)管理及技術(shù)人員,使其能高質(zhì)量地完成職責(zé)范圍內(nèi)的資源共享平臺(tái)及資源建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)等工作,確保共享平臺(tái)管理運(yùn)行順暢,滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)過程模擬要求。

3.5 建立科學(xué)的績效評價(jià)體系

根據(jù)不同專業(yè)大類,以分類指導(dǎo)、分層管理的原則,制定合理化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)績效評價(jià)體系,激勵(lì)高校加大投入建設(shè)共享平臺(tái)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。加強(qiáng)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常態(tài)化績效管理和日常業(yè)務(wù)指導(dǎo),根據(jù)資源性質(zhì)、瀏覽點(diǎn)擊數(shù)、下載次數(shù)及會(huì)員評分等要素,對在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施星級動(dòng)態(tài)評價(jià)制度,促使資源提供者盡可能提升資源質(zhì)量。

3.6 建立完善的服務(wù)支撐體系

實(shí)行成本核算和有償使用原則,建立互補(bǔ)互利、成本均攤、服務(wù)有償、收益共享模式,采用引導(dǎo)性投入,支持虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)和應(yīng)用推廣,鼓勵(lì)行業(yè)企業(yè)和其他社會(huì)力量共同參與開發(fā)虛擬仿真資源、提供資源開放服務(wù)。促進(jìn)校際間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共建共享和課程互選、學(xué)分互認(rèn)；建立以共享為核心,以促進(jìn)學(xué)科交叉和綜合集成、提高共享平臺(tái)使用效率為目的的服務(wù)支撐體系[11]。

3.7 履行監(jiān)管職責(zé)

一是依據(jù)國家網(wǎng)絡(luò)與信息安全的政策法規(guī),協(xié)同國家有關(guān)部門制定相應(yīng)的管理辦法。

二是通過使用評價(jià)、定期檢查等方式,對在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的在線運(yùn)行、實(shí)際應(yīng)用、教學(xué)效果等進(jìn)行跟蹤監(jiān)測和綜合評價(jià)。

三是對在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目公共服務(wù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全、內(nèi)容安全、數(shù)據(jù)安全、運(yùn)行及服務(wù)進(jìn)行規(guī)范管理。

4 結(jié)語

2017年,教育部辦公廳印發(fā)了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》[12],對未來3年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行了全面的規(guī)劃,將建設(shè)1 000個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的運(yùn)行必將對整個(gè)虛擬產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生積極的影響,對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生巨大的沖擊。而如何建設(shè)一套行之有效的管理機(jī)制,建設(shè)一個(gè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的平臺(tái),充分發(fā)揮高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的作用,促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的進(jìn)一步提升,對于管理部門以及高校是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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[9] 李平,毛昌杰,徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[10] 徐進(jìn).2013年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作及2014年申報(bào)建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(8):2-5.

[11] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[A/OL].(2010-07-29)[2017-12-19].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[12] 教育部辦公廳.教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知[A/OL].(2017-07-13)[2017-12-19].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.