虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

段丹萍 項(xiàng)朝陽 江雷 鐘瑜 喬樑

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)在職業(yè)教育中逐漸占有重要的地位。本文首先分析了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)現(xiàn)狀，接著闡述了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)思路、總體框架和建設(shè)內(nèi)容，最后探討了平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)制和實(shí)踐效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)訓(xùn);虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）23-0107-03

計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的快速發(fā)展，以及實(shí)訓(xùn)教育的改革，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，未來，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)將成為職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)的一種重要方式。但目前虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)難度較大，且存在沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理混亂、使用不規(guī)范、沒有足夠的開放性等問題，導(dǎo)致各種虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法開展。因此，為了有效整合、共享、應(yīng)用和管理虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)了校級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。

本文相關(guān)研究述評(píng)

目前，國內(nèi)外大學(xué)建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，主要技術(shù)包括以下幾種類型。

1.單機(jī)版虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

早期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要以單機(jī)版的形式應(yīng)用于一些高校支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)，雖然可以匯總和輸出各種相關(guān)的信息，但存在信息輸入工作量大、維護(hù)性差、信息時(shí)效性差、無法實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享、需要不斷更新等問題。[1]

2.基于C/S架構(gòu)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

美國俄勒岡大學(xué)主辦的虛擬實(shí)驗(yàn)室擁有幾十種虛擬實(shí)驗(yàn)，其中包括能量與環(huán)境、力學(xué)、熱學(xué)、天體物理等。[2]此虛擬實(shí)驗(yàn)室被稱為VLAB物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站，運(yùn)行時(shí)需要客戶機(jī)提前安裝好從服務(wù)器端下載的實(shí)驗(yàn)程序。該系統(tǒng)采用了Java技術(shù)。重慶理工大開發(fā)的“纈沙坦原料藥虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)，采用C/S架構(gòu)，使用者通過下載安裝客戶端軟件，在客戶端啟動(dòng)程序與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

3.基于B/S架構(gòu)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

B/S架構(gòu)是目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主流技術(shù)，于20世紀(jì)80年代在美國開始廣泛應(yīng)用，90年代末逐步引入國內(nèi)，至今我國已有很多適用于不同高校的虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，但大多數(shù)功能較為單一，資源主題也偏向于某一類學(xué)科或?qū)I(yè)，綜合性的功能完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較少。[3]NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室（簡稱NB實(shí)驗(yàn)）采用HTML5前沿技術(shù)，支持臺(tái)式機(jī)、平板電腦等跨平臺(tái)訪問進(jìn)行化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。[4]北京郵電大學(xué)開發(fā)的關(guān)于通信及信號(hào)處理等網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用了B/S架構(gòu)，同時(shí)基于DLL以及多態(tài)技術(shù)、ActiveX組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真的功能。

4.混合架構(gòu)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，采用B/S+C/S的混合架構(gòu)模式，涵蓋化學(xué)化工、食品工程、環(huán)境工程、生物制藥、工程力學(xué)、材料工程、能源電力等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，開發(fā)了實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、半實(shí)物仿真工廠等專業(yè)化仿真教學(xué)平臺(tái)。上海夢(mèng)之路科技有限公司開發(fā)的醫(yī)學(xué)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（MENGOO 4.0）采用混合架構(gòu)模式，涵蓋了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)、公衛(wèi)預(yù)防醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、檢驗(yàn)學(xué)、中醫(yī)學(xué)、中藥學(xué)、生物學(xué)等全醫(yī)學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件資源體系。

本文虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

1.建設(shè)思路

結(jié)合學(xué)校健康類學(xué)科、專業(yè)和課程對(duì)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)管理平臺(tái)的需求，以虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)和VR教學(xué)資源管理為核心，建設(shè)集虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源管理和共享、統(tǒng)計(jì)分析、用戶管理等功能于一體的校級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，高效管理虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源共享，持續(xù)推動(dòng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與發(fā)展。

2.建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理平臺(tái)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，集理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、VR虛擬演示、VR虛擬操作、考核評(píng)價(jià)和教學(xué)管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)（如下圖）。

（1）門戶網(wǎng)站。門戶網(wǎng)站界面設(shè)計(jì)科技感強(qiáng)，簡潔美觀，布局合理，具有VR資源展示、VR項(xiàng)目展示、用戶登錄、新聞資訊、公共通知等功能。

（2）VR資源管理。VR資源管理是平臺(tái)核心功能之一，支持VR資源的分類上傳、修改刪除、收藏使用、按需要開發(fā)共享等，采用WebGl協(xié)議，可支持Unity3D、Quest3D等開發(fā)工具開發(fā)的VR軟件資源，筆者將VR資源分為Unity3D版、Quest3D版、移動(dòng)版、單機(jī)版和超鏈接版五種類型，系統(tǒng)支持這五種類型的上傳和發(fā)布，其中Unity3D版和Quest3D版的資源可直接在瀏覽器端在線運(yùn)行，移動(dòng)版資源需掃描二維碼下載安裝后在移動(dòng)終端運(yùn)行，單機(jī)版需下載到本地計(jì)算機(jī)安裝后運(yùn)行，超鏈接版直接跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)資源的網(wǎng)址使用。

（3）VR項(xiàng)目教學(xué)管理。VR項(xiàng)目教學(xué)管理用于支持教師自主創(chuàng)建、編輯和管理VR項(xiàng)目和教學(xué)班級(jí)及學(xué)生的成績，按需開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)。在教師指定班級(jí)后，該班的學(xué)生即可在學(xué)習(xí)任務(wù)中查看到對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，并開始項(xiàng)目相關(guān)的理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)練習(xí)操作、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)考核、在線測(cè)試、上傳實(shí)訓(xùn)報(bào)告等，同時(shí)還能查看自己的學(xué)習(xí)成績。

（4）統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析主要支持對(duì)VR資源、VR項(xiàng)目、教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、訪問量等的統(tǒng)計(jì)分析。即可對(duì)VR資源的容量、數(shù)量、發(fā)布時(shí)間、版權(quán)信息、所屬學(xué)院和專業(yè)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可對(duì)VR項(xiàng)目的建項(xiàng)人、創(chuàng)建時(shí)間、開放情況、學(xué)生數(shù)量、所屬學(xué)院和專業(yè)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（5）用戶管理。用戶管理支持用戶權(quán)限管理，包含對(duì)院系、專業(yè)、班級(jí)的管理，支持對(duì)教師和學(xué)生賬號(hào)一鍵導(dǎo)入等功能。

（6）系統(tǒng)管理。管理員登錄平臺(tái)后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，主要包括門戶網(wǎng)站后臺(tái)數(shù)據(jù)管理、VR資源后臺(tái)管理、VR項(xiàng)目審批、系統(tǒng)安全管理等。

本文虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行與實(shí)踐

1.平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的有序運(yùn)行依賴于有效的運(yùn)行機(jī)制，主要包括以下方面。

（1）知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制

虛擬仿真教學(xué)資源是平臺(tái)的核心資源，擁有典型的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬性。平臺(tái)的用戶必須經(jīng)過注冊(cè)和審核通過，登錄后才能使用平臺(tái)中的資源。同時(shí)，還要對(duì)VR資源進(jìn)行加密處理，并在發(fā)布VR資源時(shí)注明該資源的版權(quán)信息，不允許用戶對(duì)平臺(tái)的資源私自轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）合理分類、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一機(jī)制

對(duì)校內(nèi)現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)資源的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，將其分為單機(jī)版、超鏈接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版），并根據(jù)市場主流的VR資源運(yùn)行模式，確定WebGL為主流的類型。平臺(tái)同時(shí)支持單機(jī)版、超練接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版）的上傳和發(fā)布，并在未來VR資源建設(shè)中，接收以WebGL為標(biāo)準(zhǔn)的VR資源類型。

（3）協(xié)同共建機(jī)制

教師、開發(fā)人員、學(xué)生、企業(yè)人員深度參與，對(duì)平臺(tái)中的VR資源進(jìn)行協(xié)同共建，建設(shè)既能滿足學(xué)校和企業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求，又能根據(jù)不同學(xué)校和企業(yè)的個(gè)性化要求做出相應(yīng)調(diào)整。

（4）按需開放共享機(jī)制

平臺(tái)支持VR資源的分類管理和教師自主創(chuàng)建VR項(xiàng)目，VR資源和VR項(xiàng)目都可以按照需要設(shè)置是否完全開放或者部分開放。

（5）激勵(lì)機(jī)制

通過鼓勵(lì)教師參加校級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程、校級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目立項(xiàng)建設(shè)，支持教師基于虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)開展教學(xué)改革、參加比賽等，逐步推進(jìn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源在課程日常教學(xué)中的應(yīng)用。

2.測(cè)試應(yīng)用

在平臺(tái)部署完成后，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)對(duì)校內(nèi)60多套資源進(jìn)行了上傳和發(fā)布，并組織了有虛擬仿真教學(xué)需求的8名教師和441名學(xué)生對(duì)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，在新冠疫情期間開展基于平臺(tái)的線上VR教學(xué)，經(jīng)過理論學(xué)習(xí)、自主練習(xí)、操作考核后，采用電子問卷針對(duì)平臺(tái)功能滿意度、平臺(tái)有用性及易用性對(duì)教師和學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。數(shù)據(jù)顯示，使用的教師和學(xué)生對(duì)平臺(tái)均有較高的滿意度。

本文結(jié)語

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)是有效解決職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)中看不到、進(jìn)不去、成本高、危險(xiǎn)性大等特殊困難的重要措施。隨著越來越多的職業(yè)院校注重虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作，建設(shè)可支持虛擬仿真教學(xué)資源集中管理、開放共享和深度應(yīng)用的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)勢(shì)必會(huì)受到更多的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者：段丹萍，女，講師，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字化資源的建設(shè)與應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等。

基金項(xiàng)目：2018年廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“VR技術(shù)條件下工作過程導(dǎo)向的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式研究”（GDJG2019204）、2018年廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目“高職虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源管理平臺(tái)的建設(shè)與研究”（2018ZR026）、2019年廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目“高職虛擬仿真教學(xué)資源共享與應(yīng)用模式研究”。