高校教育信息化背景下虛擬實驗室應用研究

吳玉春　龍小建

摘 要 隨著5G時代的到來，移動式學習更加便捷，教育資源的數字化是必然趨勢。以井岡山大學為例，文章闡述了虛擬實驗在實踐教學中的應用及相關技術，探討了虛擬實驗管理平臺的建設方案和人才培養(yǎng)模式，為井岡山大學數字化教育發(fā)展提出了應對策略。

關鍵詞 高校 教育信息化 虛擬實驗 數字教學資源

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.009

Abstract With the advent of the 5G era， mobile learning is more convenient， and the digitalization of educational resources is an inevitable trend. Taking Jinggangshan University as an example， the article expounds the application of virtual experiment in practical teaching and related technologies， discusses the construction plan and talent training mode of virtual experiment management platform， and proposes countermeasures for the development of digital education in Jinggangshan University.

Keywords colleges and universities; education informatization; virtual experiment; digital teaching resources

2018年教育部開始評審國家級虛擬實驗項目，以項目為導向的實驗虛擬技術落地課堂教學。近幾年，江西省教育廳將網課建設作為高校教育工作的重點，為這次疫情之下的線上授課提供了大量的數字化教學資源，未來幾年虛擬實驗項目建設將成為新的工作重點。隨著5G時代的到來，移動式學習更加便捷，數字化學習方式將成為一種主流學習方式，[1]虛擬化數字教育資源的建設也將成為高校的硬實力評價指標之一，各大高校開展虛擬教學工作刻不容緩。但高校專業(yè)設置、人才教育層次、經費投入各有不同，虛擬實驗室建設形式多樣化，不同類別在技術、資金投入不同，教學效果也不一樣。針對井岡山大學的專業(yè)設置和辦學特色，本論文給出了多層次、多形式虛擬實驗建設及應用方案和虛擬技術方向的人才培養(yǎng)模式，為井岡山大學數字化教育發(fā)展提出了應對策略，其他與我校相同教學層次的高校也可借鑒參考。

1 現狀

2019年井岡山大學已建成醫(yī)學與建筑虛擬仿真實驗室，擁有面向醫(yī)學、生命科學和運動訓練學專業(yè)的人體解剖等醫(yī)學虛擬仿真實訓平臺和面向建筑學的開放式虛擬仿真實訓平臺，實驗室可同時容納60名學生線上實踐教學，師生也可利用移動終端在校內網絡訪問課程資源，實現在線課程學習和移動學習。2020年初，我校新學期工作部署會議中指出要加快實踐教學平臺的建設，積極申報省級及國家級虛擬仿真教學實驗室。南昌是中國四大虛擬技術生態(tài)基地之一，在虛擬技術成果轉化和人才需求方面十分迫切。教育廳印發(fā)《江西省教育廳關于加快推進虛擬現實產業(yè)發(fā)展行動方案（2019-2013）》明確全省高校要加快建設虛擬教室和仿真實驗室，打造省級重點實驗室和工程研究中心，構建虛擬技術領域人才培養(yǎng)體系，奮力打造虛擬技術人才聚集“江西高地”。我們應當緊抓這個契機，依據本校的實際需求和專業(yè)特色，采用“請進來，走出去”策略，和企業(yè)深度合作開發(fā)，一手抓虛擬現實創(chuàng)新應用實驗室的建設，一手抓師資和學生人才培養(yǎng)，為我省培養(yǎng)高質量的創(chuàng)意人才打下堅實的基礎。

2 虛擬實驗在實踐教學中的應用及相關技術

傳統(tǒng)的實驗教學模式單一，實驗設備依賴性強，并受限于時間和空間，而虛擬實驗運用計算機技術模擬真實的實驗環(huán)境，采用交互式學習模式，學生可以通過移過設備碎片化學習，不受時間和空間約束，并且能反復進行在線操作，[2]實現了真正的綠色實驗。虛擬實驗室的建設是當前高校實驗室建設的重點方向。各大高校都在積極開展虛擬實驗的建設和應用工作，主要集中在機電、建筑、醫(yī)學、電子信息、化工、文化旅游、體育等學科類。在建設虛擬實驗項目時應根據學科的特點和實驗教學目標選擇合適的開發(fā)技術。當前開發(fā)虛擬實驗的主要技術有：動畫技術（Flash VRML? 3DMAX）、系統(tǒng)仿真技術（C++? Java? OPENGL Direct3D）、三維仿真技術（unity3D? Virtools? ?Cult3D）、VR技術、AR技術、MR技術等。虛擬實驗的開發(fā)主要涉及數字模型建立、交互設計、項目發(fā)布這幾個階段。當前高校正在應用的虛擬實驗項目主要有以下幾種類型。

（1）利用現有的實驗室的計算機設備加載虛擬仿真實驗教學軟件，以真實實驗為主，虛擬實驗為輔，虛實結合，提升實驗教學質量，拓寬實驗項目，這種類型的虛擬仿真實驗軟件主要是二維的，運行環(huán)境要求較低，交互性也低、開發(fā)成本不高，不能提供在線模擬學習，一般要求在實驗室環(huán)境下操作。井岡山大學在一些工科實驗室（自動化、通信、計算機等專業(yè)）已開展這類虛實結合的實驗項目。

（2）專業(yè)的虛擬仿真實驗室：這類虛擬實驗室是基于三維視覺的，要求建立專用的計算機實訓室，需配置要求較高的學生終端機和服務器及高清顯示器，建設成本比第一類高。優(yōu)點是通用性強，可支持多學科的虛擬實驗項目的開展，實驗室可接入校園網，學生也可以移動學習。井岡山大學現已建成面向建筑、醫(yī)學專業(yè)的虛擬仿真實驗室，未來還將擴充實驗內容和軟硬件設備。

（3）基于Web的虛擬實驗室：將虛擬實驗放置于專用的遠程虛擬教學管理平臺上，學生可通過電腦或移動設備隨時隨地訪問虛擬實驗室。這類實驗室不需要特定場所，使用方便，應用最為廣泛。今年我校從上半年開始著手和企業(yè)洽談合作建設此類項目。但這類虛擬實驗項目開發(fā)成本也不低，一個實驗項目從場景制作到網絡發(fā)布費用大概要幾十萬。學校如果能利用本校的三維設計和計算機人才資源，培養(yǎng)出自己的開發(fā)團隊，不僅能對內完善各類學科的虛擬實驗課程資源，還能對外接洽該類業(yè)務，有利于提升師資和學生的競爭力。

（4）VR虛擬現實實訓室：提供一種開放、創(chuàng)新型教學模式，將交互、自主、沉浸、多感知等特征融入教學實訓過程中，主要包括虛擬現實應用開發(fā)平臺、高性能圖像生成及處理系統(tǒng)、沉浸式虛擬三維顯示系統(tǒng)（數字手套、頭盔、交互控制器等）、沉浸式虛擬現實交互系統(tǒng)及數字化教學系統(tǒng)?？筛鶕虒W內容及需求實現“展示”“教學”“實訓”“教學資源創(chuàng)作”等功能。這類實訓室要求場地較大，軟硬件要求高，建設成本遠超前三類，但是可以面向多學科通用，交互性學習效果好。我校正在建設實訓大樓，可以從中規(guī)劃一片區(qū)域用于此類虛擬實訓室的建設。

3 建設方案

井岡山大學是一所綜合性的大學，專業(yè)眾多，教育層次多類化，以全日制本科教育為主，兼具成人教育（包括成人函授、電大、成人脫產高職）?，F有的實驗室資源基本上是面向全日制本科生開放，成人教育主要以理論教學為主，鮮有涉及實驗教學。隨著國家對成人教育監(jiān)管力度的加強，今后除了保證足夠的理論教學學時，還必須配比一定的實驗教學。在使用實驗室資源時，為避免和全日制本科生教學沖突，可以對成人教育的實驗環(huán)節(jié)開展線上實驗，彌補了成人教育理工類專業(yè)實驗教學的缺失，也避免了使用實驗資源時和本科生教學產生沖突，學生還可以隨時隨地完成實踐課時。

在建設虛擬實驗項目時，應遵守以下幾點：（1）不能盲目追求實驗項目的數量，應根據我校辦學特色，打造幾個特色專業(yè)，應從實踐教學過程中的實際需求出發(fā)，高度仿真實驗核心要素，提升學生的創(chuàng)新、動手能力。（2）對于一些實驗成本高或危險系數高，或實習效果不理想，或真實實驗難以開展，需要創(chuàng)新多樣教學方法的實驗項目，或設備依賴性高，或有確定操作步驟且設備價格昂貴的實驗項目可以開展虛擬實驗項目。（3）要充分利用現有國家級或省級虛擬實驗共享平臺提供的虛擬實驗項目，根據本校專業(yè)培養(yǎng)特色，直接或優(yōu)化后使用，避免重復建設。（4）建立虛擬仿真項目管理平臺來實現穩(wěn)定、安全、開放、共享的教學模式。（5）建立考核、獎勵管理制度，培養(yǎng)一批專業(yè)的虛擬實驗教學設計人才隊伍。圖1為井岡山大學虛擬實驗實訓平臺架

構圖，圖中標粗的模塊表示已建成，其余為待建。依托我校網絡中心和電子與信息工程學院的兩個云計算機中心，可以建立校級虛擬實驗實訓綜合管理平臺，教師和學生可以通過移動設備和電腦訪問平臺上的實驗教學資源，包括國家級、省級共享虛擬實驗室入口。校內基于Web的虛擬實驗共享項目模塊按學科及專業(yè)將虛擬實驗項目進行分類，共享給全校師生，成人教育的學生也可通過此模塊完成線上實驗任務。素材庫可以分類搜索查詢并實現上傳和下載，教師可以利用素材庫的模型資源開發(fā)虛擬實驗并上傳至Web管理平臺后共享，為理論和實踐教學提供服務。全校教師均可參加進來，對實踐教學進行虛擬課改，提高教學質量和實驗效果。

虛擬現實實訓中心模塊包括虛擬實驗展示及教學、虛擬實訓、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和師資培訓這四個模塊。虛擬實驗展示教學模塊采用沉浸式體驗教學，以演示教學為主，學生以特定角色身份沉浸到虛擬場景中，真實直觀感受現場，開闊視野，激發(fā)學生興趣，提高學習效果。我校的藝術設計、旅游、紅色教育、教育心理學、生命科學等專業(yè)的實踐教學都可以采用這種教學模式。依托井岡山紅色旅游資源，應重點建設紅色旅游、紅色教育演示場景，將其打造成為我校虛擬實驗應用教學的一大亮點。虛擬實訓主要面向工科類的工程虛擬仿真實訓，如機械、化工、電氣、通信、計算機等專業(yè)。通常工程實訓依賴特定貴重設備和特定環(huán)境，有時還需安排學生外出實踐，耗時耗力。通過建設虛擬工程實訓中心，引入VR實訓課程，結合VR體驗沉浸式設備，完全虛擬實訓環(huán)節(jié)，讓學生不出校門就可以完成實訓課程。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及師資培訓模塊主要是通過校企合作，建立一支專業(yè)的VR隊伍（包括教師和學生），對內完善虛擬實驗課程資源，對外承擔各類相關業(yè)務，為我們培養(yǎng)一批雙師型教師，也為學生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的平臺，為學生更好的走向社會打下堅實的專業(yè)基礎。

學生評測和在線考核系統(tǒng)，前者用于深度收集和分析學生參與虛擬實驗的學習行為，為今后虛擬實驗課程優(yōu)化提供數據支撐，后者主要用于虛擬實驗、實訓的考核，采用統(tǒng)一題庫進行實踐測驗，教考分離更有利于提高教師教學態(tài)度，激發(fā)學生自主學習的動力。

虛擬現實仿真實驗室現已建成，主要面向醫(yī)學、生物、建筑等專業(yè)，今后還可以根據學校學科的需求進行擴展，包括軟件和硬件方面。

4 培養(yǎng)模式及師資建設

為實現高校教育資源數字化，大力建立虛擬實驗項目已成必然趨勢。當前，我校已將省、國家級虛擬實驗平臺的建設工作作為各個學院目標制管理的考核指標，但由于起步晚，經驗不足，還需借助外部力量來完成啟動工作。選擇一家有實力、經驗豐富的VR企業(yè)進行深度合作，在項目設計開發(fā)、人才培養(yǎng)、學生就業(yè)等方面共同合作，為我校VR實驗項目的建設及發(fā)展打下良好的基礎。依托有實力的企業(yè)，共同完成平臺建設方案，搭建好校級虛擬實驗實訓管理平臺，培養(yǎng)好合格的平臺管理人員。

虛擬實驗課程資源的建設可以采用定制和合作開發(fā)兩種模式，對于一些復雜的，難度系數高的可以采用定制模式，合作開發(fā)模式校方主要負責實驗項目的設計，企業(yè)方則主要負責技術實現。無論采用哪種模式開發(fā)，合作的企業(yè)應負責提供VR實驗技術教學資源和授課計劃，為我校培養(yǎng)VR方面的雙師型骨干教師，并全程參與虛擬實驗設計開發(fā)過程，為我校今后獨立自主設計開發(fā)打定堅實的基礎。虛擬現實開發(fā)設計主要包括場景制作和應用開發(fā)，涉及多個學科知識。其中場景制作是建設三維模型及動畫，而應用開發(fā)包含了算法、計算機圖形學、程序設計語言等計算機知識。我校藝術學院開設了環(huán)境設計、視學傳達設計專業(yè)，有較好的三維模型與動畫設計基礎，可為場景制作提供人才。電子與信息學院開設了計算機科學技術和軟件工程，可為交互式虛擬程序設計提供人才?？梢詫⑽倚５钠矫嬖O計類專業(yè)增設VR界面設計方向，計算機專業(yè)增設VR應用開發(fā)方向，兩個專業(yè)的師資聯合起來和企業(yè)共建VR孵化中心和VR創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，實現產教深度融合。

總之，應選擇優(yōu)秀的VR企業(yè)進行深度合作，在共同創(chuàng)建校級虛擬平臺時為我校培養(yǎng)出一批專業(yè)的VR實驗項目開發(fā)隊伍，可以自主設計開發(fā)VR教學資源，實現VR教學資源的開發(fā)、應用、教學的閉環(huán)生態(tài)鏈。

5 結語

教育信息化的發(fā)展水平是評價高校綜合實力的重要指標，虛擬實驗教學是高校信息化建設的重要組成部分。 在省教育廳和教育部政策引領下，我校應積極開展虛擬實驗教學建設工作，做好虛擬實驗室的戰(zhàn)略部署，提高我校教育信息化水平，縮小與高水平學校的差距，擴大專業(yè)學科優(yōu)勢，提升區(qū)域產業(yè)服務能力。

研究項目：2020年度吉安市社會科學規(guī)劃項目

參考文獻

[1] 夏水秀，顧芝亞，李永生.虛擬現實技術在法醫(yī)物證實驗教學中的應用[J].法醫(yī)學雜志，2019（6）：759-761.

[2] 謝峰.5G網絡下基于虛擬現實技術沉浸式課堂教學的應用與研究[J].計算機工程與科學，2019（12）：14-16.