運用虛擬化教學(xué)平臺技術(shù)搭建技能型人才培訓(xùn)應(yīng)用系統(tǒng)

李長速，董勝利

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，蘭州730060;2.黑龍江工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150050)

延續(xù)了數(shù)千年的口授手傳的技能教學(xué)方法時至今日仍然是技能型人才培養(yǎng)的重要方法，而緊隨教學(xué)技術(shù)與工具的不斷發(fā)展，當(dāng)今已進入信息化技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域擴大應(yīng)用的旺盛時期。信息化技術(shù)在教學(xué)中首先拓展了教學(xué)的時間和空間的廣度，進而使學(xué)生吸納知識與技能的途徑更加多元化、個性化。而通過虛擬化教學(xué)平臺的搭建，將會給學(xué)生提供一個實踐操作的預(yù)覽環(huán)境，在重復(fù)正確預(yù)置體驗訓(xùn)練后，再將其掌握技能應(yīng)用于真實操作中。這將給技能型人才培訓(xùn)方法提供一個更加有效的手段。

1 虛擬化教學(xué)平臺建模

1.1 虛擬化教學(xué)平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)

虛擬化教學(xué)已在航天、航空、危險作業(yè)、軍事訓(xùn)練等技能操作培訓(xùn)領(lǐng)域得到了成熟的應(yīng)用。但鑒于其專業(yè)化程度高，應(yīng)用領(lǐng)域特定，需要借助大量設(shè)備和裝置來對應(yīng)實現(xiàn)。因此在普通的培訓(xùn)條件下，普及程度還遠遠不夠。而在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，一些原來只供專門領(lǐng)域特定的虛擬化教學(xué)，亦可利用運算能力日益強大的計算機硬件和遍布范圍廣泛的Internet網(wǎng)絡(luò)，以及日益普及的數(shù)碼終端產(chǎn)品、跨平臺的軟件編程語言和健壯通用的SQL標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫來組建虛擬化教學(xué)平臺，進而結(jié)合技能型人才培訓(xùn)的特定要求，形成一套技能型人才培訓(xùn)的應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 虛擬化教學(xué)平臺架構(gòu)模型

如圖1所示虛擬化教學(xué)平臺的基本架構(gòu)，模型是以服務(wù)端為中心和多個客戶端為分支構(gòu)成［1］，整個系統(tǒng)分為三個層面:教師層面 (Teacher Side)、通訊界面 (Communication Interface)、學(xué)生層面 (Student Side)。

教師層面為服務(wù)端 SEVER，真人實時教學(xué)(Live real-time Teaching)，提供真人教師實時的教學(xué)授課服務(wù);知識檢索庫 (Knowledge Search Library)，提供各種教學(xué)知識庫關(guān)鍵字及分類和模糊查詢;人工智能模式識別 (Artificial Intelligence Pattern Recognition)，提供高級的人機交互操作，通過人工智能技術(shù)及教學(xué)庫來輔助學(xué)生的實踐操作;以及其他的擴展接口 (Extended Interface)，預(yù)留擴展功能以適應(yīng)各種定制平臺的應(yīng)用。教師端的服務(wù)形成了虛擬化教學(xué)平臺的中心。

在學(xué)生層面，可有1～n個客戶節(jié)點，形成客戶請求的1～n個客戶端CLIENT。學(xué)生層面提供了豐富的學(xué)習(xí)體驗應(yīng)用，基于字符的請求 (Character-based search request)，可適用于學(xué)生通過在線檢索查詢來自多個老師的知識經(jīng)驗庫，實時文字交互通訊;視頻、語音交互界面 (Video，Voice Interface)，對應(yīng)于真實教師講課進行音視頻的實時交互，達到在真實課堂的雙工教學(xué)模式效果;多維空間對象操控界面 (Multidimensional object manipulation interface)，借助監(jiān)視器、定位器等設(shè)備將2D輸入轉(zhuǎn)換為3D數(shù)據(jù)，教師端提供相應(yīng)反饋和展示;其他擴展 (Extended Interface)，預(yù)留擴展功能與教師端進行對應(yīng)擴展。

通訊界面 (Communication Interface)為實現(xiàn)教師層面和學(xué)生層面的通訊連接，通過以串行數(shù)據(jù)線［2］或網(wǎng)絡(luò)的形式構(gòu)成的通訊鏈路實現(xiàn)以下功能，知識請求 (Knowledge request)、知識供給 (Knowledge supply)、感應(yīng)交互 (Induction interaction)。

圖1 虛擬化教學(xué)平臺架構(gòu)圖Fig.1 The virtual teaching platform architecture

2 雙工交互虛擬教學(xué)核心

2.1 信息獲取與傳遞

所謂“雙工交互虛擬教學(xué)”是指通過具備雙工通訊能力的通訊線路進行實時的信息化交互教學(xué)活動。信息的獲取可通過基于字符的信息傳遞方法、含有圖表的富文本的獲取、語音的獲取、視頻圖像的獲取。如圖2所示，虛擬教學(xué)平臺處理核心通過信息獲取設(shè)備及裝置來實現(xiàn)基于文字、圖片富文本、語音視頻以及多維空間對象的交互與操控;又通過信息展示與傳達設(shè)備及裝置進行信息的輸出與反饋，它們可以是字符輸出監(jiān)視器、電子白板、語音輸出裝置、大屏投影裝置、設(shè)備虛擬實境裝置等。經(jīng)過虛擬教學(xué)平臺處理的所有信息都會存儲到教學(xué)平臺數(shù)據(jù)庫中，并可隨時供客戶端進行SQL標(biāo)準(zhǔn)語言檢索。

2.2 3D多維空間對象操控

圖2 虛擬化教學(xué)數(shù)據(jù)流示意Fig.2 Data stream indicating the virtual teaching

實現(xiàn)3D多維空間對象操控是虛擬化教學(xué)平臺的核心，而多維空間對象操控的實質(zhì)是對3維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)處理。教學(xué)平臺從客戶端獲得3維xyz操控坐標(biāo)信息，并將3維信息通過轉(zhuǎn)換，顯示在2維坐標(biāo)的監(jiān)視中。在客戶端，用戶通過2維坐標(biāo)拾取設(shè)備通過時序先傳遞2D平面坐標(biāo)信息，再傳遞第3維坐標(biāo)信息，這樣就可通過2維設(shè)備來虛擬3維空間。這樣的設(shè)計可以廣泛的適用各種2D輸入設(shè)備，如鍵盤數(shù)字輸入、鍵盤方向鍵輸入、鼠標(biāo)，屏幕觸控，光筆等2D輸入。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理示意如圖3所示。

3 虛擬教學(xué)平臺網(wǎng)絡(luò)布局

虛擬教學(xué)平臺的通訊界面可為具備雙工即雙向同步通信的數(shù)據(jù)通道。最簡單的以班級為單位的節(jié)點可以采用通信電纜進行設(shè)計，而如果規(guī)模擴大則應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)進行通訊。在數(shù)據(jù)量和響應(yīng)速度要求高時可采用局域網(wǎng)絡(luò)，在地域要求廣泛條件下宜采用Internet網(wǎng)絡(luò)，在客戶端位置不斷移動變化時可采用無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，亦可根據(jù)需求進行優(yōu)化組合。

圖3 3D多維空間對象操控坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意Fig.3 Coordinate transformation of 3D multidimensional object manipulation

虛擬教學(xué)平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是一個樹形結(jié)構(gòu)［3］，如圖4所示。在這個結(jié)構(gòu)中，最小的單元為班級，而班級中是由一個教師端和n個學(xué)生端構(gòu)成，n個班級歸并到1個院系，n個院系歸并到一個學(xué)校，通過Internet網(wǎng)絡(luò)將n個學(xué)校連接成為一個地域范圍極廣的虛擬教學(xué)平臺網(wǎng)絡(luò)。

圖4 虛擬化教學(xué)平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 Network topology of virtual teaching platform

4 虛擬教學(xué)平臺搭建

4.1 采用B/S結(jié)構(gòu)

搭建虛擬教學(xué)平臺，首先要確定該系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以采用的結(jié)構(gòu)有C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)，而優(yōu)先選用B/S結(jié)構(gòu)。這是因為，隨著服務(wù)器處理能力的不斷加強和網(wǎng)絡(luò)速度的提高，通過Browser客戶瀏覽器與Server服務(wù)端構(gòu)成的系統(tǒng)的響應(yīng)速度得以明顯提高，B/S的免客戶端維護特性可以得到充分應(yīng)用。虛擬化教學(xué)平臺是以教師端為服務(wù)端的系統(tǒng)，客戶端是數(shù)以百計千計的學(xué)生端，當(dāng)服務(wù)器端系統(tǒng)進行升級或修改后，客戶端立即獲得最新的版本，這為迅速部署系統(tǒng)應(yīng)用提供了最佳的方案。

4.2 系統(tǒng)跨平臺特性

虛擬教學(xué)平臺所采用的系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)跨平臺的特性，由于客戶端所采用終端模塊各異，因此到達客戶端的前臺代碼要符合W3C規(guī)范，按照此規(guī)范的所編寫的代碼不但能很好的兼容各種web瀏覽器，也可適應(yīng)各種硬件終端的要求，這樣參與學(xué)習(xí)的學(xué)生終端可以是PC機、智能手機、機頂盒等各種不同的硬件設(shè)備。

而在服務(wù)器端，可采用具備跨平臺特性的計算機語言進行服務(wù)程序的編寫。Java是一種跨平臺的，面向?qū)ο蟮模梢浦驳恼Z言，因此符合虛擬教學(xué)平臺跨平臺的特性，一次編寫代碼，并可在流行的Windows系統(tǒng)、Unix系統(tǒng)上進行搭建服務(wù)端平臺。跨平臺的適應(yīng)性可充分利用現(xiàn)有服務(wù)器設(shè)備的性能，達到較小的投入和快速應(yīng)用的效果。

5 應(yīng)用與實踐

5.1 技能型人才培訓(xùn)對虛擬教學(xué)平臺應(yīng)用的需求

本文所述的虛擬教學(xué)平臺能夠較好地適應(yīng)技能型人才培訓(xùn)對虛擬教學(xué)平臺應(yīng)用的需求。技能型人才培訓(xùn)所需要的平臺環(huán)境主要對實時環(huán)境、容錯與健壯性［4］、可擴展與定制等指標(biāo)提出了響應(yīng)需求。技能型人才培訓(xùn)對教學(xué)平臺中的實施環(huán)境有較高的要求，當(dāng)學(xué)生通過定位器操作指向響應(yīng)的3維坐標(biāo)后，系統(tǒng)應(yīng)在小于50ms的范圍內(nèi)做到及時反饋，使學(xué)生獲得當(dāng)前定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，操作過程與預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的比對是否符合規(guī)定值域。在容錯與健壯性方面，應(yīng)可寬限度接受來自終端的請求，當(dāng)請求超限時，能夠調(diào)出預(yù)定容錯代碼，進行容錯處理，而不至于使系統(tǒng)進入崩潰或停止響應(yīng)。在可擴展與定制指標(biāo)中，系統(tǒng)應(yīng)能具備擴展接口，本系統(tǒng)在模型架構(gòu)設(shè)計時就把擴展接口作為系統(tǒng)架構(gòu)的一個重要指標(biāo)。

5.2 通過虛擬教學(xué)平臺針對技能型人才培訓(xùn)而構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)

虛擬教學(xué)平臺是一個通用的信息化計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)。為了能更好地符合技能型人才培訓(xùn)應(yīng)用的需求，需要針對專門的技能型人才培訓(xùn)定制相應(yīng)的模板庫。比如在電氣類技能型教學(xué)中，可以將電氣類的實驗器具進行虛擬實境的制作，將各種預(yù)定參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值錄入系統(tǒng)，將電氣實驗器具模板庫加載到系統(tǒng)中。學(xué)生可在設(shè)定好的虛擬環(huán)境中進行無限次的重復(fù)練習(xí)。而在土木專業(yè)的測量實訓(xùn)中，可以將水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀等測量儀器的實訓(xùn)內(nèi)容制作為虛擬實境項目，加載到系統(tǒng)中，學(xué)生可以在監(jiān)視器前完成基本的、規(guī)范的虛擬操作，為外業(yè)實際操作打下良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

本文介紹了運用虛擬化教學(xué)平臺技術(shù)搭建技能型人才培訓(xùn)應(yīng)用系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)。通過對虛擬化教學(xué)平臺的架構(gòu)、雙工交互虛擬教學(xué)核心、網(wǎng)絡(luò)布局以及平臺搭建的簡述確立了該系統(tǒng)的框架，為技能型人才培訓(xùn)應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個高效能的參考方案。

［1］王曉東.計算機算法設(shè)計與分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］Denver Allen.Serial Communications in Win32［M］.Seattle:Microsoft Corporation，1995.

［3］Alsuwaiyel M H.Algorithms Design Techniques and Analysis［M］.Singapore:World Scientific，1999.

［4］董勝利.基于精簡系統(tǒng)下的E500與PC數(shù)據(jù)通訊可重用穩(wěn)固算法的實現(xiàn)［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2006(1):39－57.