動畫遠程教育云虛擬實驗平臺設計

【摘 要】 伴隨信息技術的發展，云計算技術已經被廣泛地應用在遠程教育領域。針對動畫專業遠程教育實驗環節設計的云虛擬實驗平臺可以為學習者提供一個即時交流、協作互動、使用靈活、安全高效的實驗環境，該平臺的應用將促成動畫遠程教育向實踐性、多樣化的轉變。

【關鍵詞】 實驗平臺；動畫專業；遠程教育；云計算；虛擬化

【中圖分類號】 G40-057 【文獻標識碼】 B 【文章編號】 1009—458x（2016）08—0054—05

實驗環節對動畫專業遠程教育至關重要。然而，現有的主流遠程教育平臺尚無法滿足動畫專業對于實驗環節的要求。本文從動畫專業的特點和面臨的問題入手，研究設計了一個基于虛擬化技術的遠程實驗平臺，對動畫專業課程實踐進行初步的應用嘗試。該實驗平臺從動畫專業遠程實驗的需求出發，試圖解決分組管理、組內交互、教師管理等問題，是對動畫專業遠程教育實驗平臺的一次有益嘗試，也希望能夠起到拋磚引玉的作用，引起領域內的廣泛關注，以期進一步研究、實踐和提高。

一、動畫專業的特點和動畫

遠程教育面臨的問題

（一）動畫專業的特點

動畫專業課程屬于實踐性較強的課程，有著區別于其他學科專業的顯著特點。主要體現在：

1. 動畫的制作流程決定了其創制過程的協作性

動畫的創制周期較長，制作過程相對復雜，其制作流程包括前期、中期、后期三個階段，在每個階段中，都由不同的人員完成不同的任務。動畫前期策劃階段，包括故事創作、角色造型設計、場景繪制、畫面分鏡頭設計等手繪工作。在這個階段，需要全面收集資料，集思廣益，將抽象的構思轉化為具體的畫面。動畫是一種高度假定性的電影藝術，無論何種藝術形式的動畫，其前期的設計工作最為重要，直接決定了影片風格與未來成片品質的優劣；中期包括設計稿繪制、原動畫、動檢、校對、拍攝等工作，3D動畫則由電腦生成動作，加動畫，最后渲染完成；后期編輯與合成等工作都需要幾個部門合作完成。

2. 動畫專業的實踐性決定了實驗環節的重要性

除了需要具備專業基礎知識、基本理論和軟件操作技能之外，動畫創作更需要動手實踐能力與團隊協作能力。因此，動畫專業的學習環境建設必不可少，需要特別注重對學習者實踐能力的培養。

實踐性強的特點，對遠程教育中開展動畫專業提出更高的要求。例如，在動畫前期的課程設計中，需要學習者創作完成整部動畫片的所有角色造型設計方案。與其他遠程教育課程不同，這些設計方案的最終確定不存在唯一答案和單一評價機制，而是需要教師與學習者之間共同溝通并進行修改。動畫教育注重培養的是創造性思維、藝術感受力和實踐能力，因此，教師應在第一時間親自修改學習者的角色造型設計稿，并讓學習者同時看到圖形圖像的繪制過程和完成效果。在共同討論的氛圍中推進創作進程，這種形式對于動畫專業的教與學都是非常重要的。

（二）動畫遠程教育面臨的主要問題

當前的遠程動畫專業實驗教學受到教學環境的制約，不能解決動畫創作流程中各部門之間有效合作，不能完全滿足基本的教學需求，主要表現在：

（1）動畫前期故事腳本、角色造型、場景、故事板等不同分組的設計，需要幾個小組的設計者在創作過程中即時分享創意和設計圖稿；

（2）同一小組成員需隨時交換意見，并對設計文檔進行修改；

（3）動畫通過畫面表現故事，這種本質特點決定了在創作過程中，最為有效的交流方式是直接使用圖形圖像來說明問題；

（4）教師對不同小組設計進程的監督和指導工作需要一個人性化的模塊設計，并對圖文修改權限進行保護；

（5）動畫中、后期的制作、合成、特效等工作需要提供支持二維、3D等動畫制作軟件和龐大的運行空間，并提供軟件更新與維護服務；

（6）遠程動畫實驗平臺應提供易于操作的界面設計與功能管理，以便教師和學習者之間的相互操作。

學習者進行團隊協作的過程是一個集思廣益、相互協調、相互促進的過程。由于遠程教學環境的局限，導致動畫教學不能進行作品創制過程中的實時交流。缺少協助環境已經成為影響教學質量的重要問題。因此，建立一個適用于動畫學習者合作的虛擬實驗室非常有必要，用于組織、協調學習者在同一個實驗環境下分工協作完成動畫設計制作的各個環節。這種學習方式讓學習者能夠參與豐富多樣的思維活動，經歷實踐與創新的過程，也有助于學習能力的提高。

二、云計算為構建虛擬實驗

平臺提供了可能

開放大學主要以遠程學習與在線教學為主，動畫遠程教育實驗在技術上應突出靈活性、智能性。遠程虛擬實驗平臺應體現集成化，加強學習者的學習體驗。新技術的研究與應用必將促進教育理念、教育方式、教育環境的變革。基于現代信息技術的實驗平臺將作為一種有效的輔助教學手段在動畫遠程教學中發揮重要作用，解決當下存在的實際問題。

（一）云虛擬實驗平臺可以解決組內協調互動和組間資源共享的問題

云計算為遠程虛擬實驗平臺的構建提供了可能。云計算是建立在計算和存儲虛擬化技術的基礎上，以互聯網為中心，使用戶可以按照自身需求申請相關設備進行數據存儲等應用的一種服務（Klems， Nimis， & Tai， 2008）。我國工業和信息化部在2012年5月發布的《通信業“十二五”發展規劃》中將云計算定位為“構建國家級信息基礎設施、實現融合創新的關鍵技術和重點發展方向”。可以看出，虛擬化技術是云計算最重要的關鍵技術之一，也是云計算的理論基石（Armbrust， et al.， 2009； Kaplan， 2008）。

云虛擬實驗平臺就是將云計算技術應用于遠程教育領域，為遠程學習者提供一個“集中式”信息化實驗服務平臺。云虛擬化實驗平臺的設計原則是“組內協同互動，組間資源共享”，根據動畫實驗存儲和運算資源開銷大的特點，云虛擬實驗平臺通過對資源動態調節為廣大學習者提供具有較強的靈活性、實時性、互動性和隔離性的虛擬實驗環境 （Klems， Nimis， & Tai， 2008），每個實驗組可以共享組內資源，組與組之間相互獨立。同時，平臺也繼承了云計算技術的數據安全、高效管理、高可用性等諸多優點，結合教育資源建設，使之成為學習者和教師的輔助教學互動服務平臺。

云虛擬實驗平臺具有可以實時交互、分工協作、共同編輯修改等功能，可以滿足學習者在動畫制作各階段的分工協作需求。另外，云計算技術還可以提供彈性的計算能力、靈活的網絡互聯，具有不受限制的存儲等特點，能夠在上色、動檢、聲畫合成、特效制作、影片剪輯等創制過程中提供超強的共享運算能力和存儲空間，滿足動畫中后期階段的工作需求，供幾個小組同時進行大運算量的操作。通過云虛擬實驗平臺，教師可對學習者進行一對一的協調控制與統一管理，同時也有效地實現了學習者之間的遠程合作。作為有效的實驗教學手段，云虛擬實驗平臺是對現有遠程教學環境實驗室空間和功能的擴展，也是幫助動畫專業學習者提高動手實踐能力的一條新途徑，可以解決當前存在的種種問題，滿足動畫遠程教育的需求。

（二）云虛擬實驗平臺為打造遠程智慧學習環境提供了可能

學習環境建設是實現教和學的方式變革的基礎。為學習者提供更加便利、舒適、高效的學習環境將是未來教育信息化發展的重要方向。智慧學習環境是一個以信息通信技術的應用為基礎、以學習者為中心且具備以下特征的環境，可以適應學習者不同的學習風格和學習能力，可以為學習者終身學習提供支持，為學習者的發展提供支持。智慧學習環境的基本特征可以概括為以下幾點（黃榮懷，楊俊鋒，胡永斌，2012）：① 實現物理環境與虛擬環境的融合。在智慧環境中，對物理環境的感知、監控和調節功能進一步提高，增強現實等技術的應用使虛擬環境與物理環境無縫融合。② 更好地提供適應學習者個性特征的學習支持和服務。③ 智慧學習環境是一種能感知學習情景、識別學習者特征、提供合適的學習資源與便利的互動工具、自動記錄學習過程和評測學習成果，以促進學習者有效學習的學習場所或活動空間。

云虛擬實驗平臺作為“圓桌型”虛擬云教室的設計，試圖提供學習者“智慧學習環境”，開創動畫遠程教學空間的新格局，真正實現“技術促進學習”（Technology Enhanced Learning）的愿景。打造未來新型學習模式，引領動畫教育在人才培養模式上的創新，營造培養學習者實踐能力的良好氛圍，建立以注重培養學習者藝術感知力與合作能力為目標的全新教學觀念，增強學習者自主學習能力。教師也由單方面傳授知識真正轉變為引導、組織、幫助學習者認知動畫行業、獲取新知識的引導者。

（三）現有的兩種主流云計算不能充分滿足需要

目前，教育云平臺主要分為兩種，一種是政府部門、教育機構牽頭建設的非營利性教育信息平臺，一種是社會力量、公司企業建設的營利性資源平臺。但是以上兩種平臺都不適合動畫遠程教育，原因包括：一、教育云平臺通常借助云計算技術和服務模式，建立統一的云計算中心，并搭建基礎設施云、高性能計算云，這種公共云平臺在軟件功能上無法滿足動畫專業教學的基本需求；二、企業推出的營利性資源平臺之間數據、服務共享困難，難以互聯互通，無法滿足動畫專業教學特有的分工協作的要求。目前，開放教育、網絡教育以及遠程教育平臺中多采用B/S工作模式，具有技術成熟、開發周期短、管理要求低、使用簡便等突出優點。動畫專業實驗課程所用軟件升級快、資源需求越來越高，但現有的遠程教育平臺往往存在一些無法克服的弱點，如硬件追加投入高、系統資源共享能力差、軟件升級困難等。

三、云虛擬實驗平臺設計的思路與架構

動畫遠程教育云虛擬實驗平臺基于云計算技術和互聯網技術設計開發，用于動畫專業遠程教育的實驗環節。通過使用池化虛擬機資源為平臺提供充足的計算資源（Gibbs， 2006），同時采用按需分配模式開辟多個獨立的服務端為不同的學習組提供服務。實驗平臺支持多個實驗組同時開展實驗，每個組有若干學習者組成，同組的學習者可以利用各種終端設備連接到實驗平臺，利用實驗平臺提供的交互協同、資源共享和軟件支持服務，各自承擔不同任務并共同完成實驗。如圖1所示，實驗平臺同時為多個實驗組提供服務，組內成員可以登錄到本組的服務域，并使用相關的服務功能。組與組之間相互隔離，但底層的計算、存儲、網絡等硬件資源是共享使用的。云虛擬實驗平臺為各小組之間以及不同分組之間進行學習與討論提供了一個虛擬空間，可以有效實現動畫設計制作過程中“編、導、演”的遠程操作過程，同時為教師進行遠程監督、指導學習者分組協作提供技術支持。

為提高平臺資源的共享利用率、軟件功能的靈活性，采用C/S工作模式（Aymerich， Fenu， Surcis， 2008）。動畫遠程教育云虛擬實驗平臺的體系結構如圖 2所示。

云虛擬實驗平臺的服務端由云計算基礎架構和實驗平臺專用應用構成，主要由物理資源層、軟件支撐層和平臺應用層組成。

物理資源層主要包括平臺運行的服務器、存儲設備、網絡設備、安全設備，構成了整個平臺的硬件支撐環境，這些計算資源被虛擬化后，可以同時向多個實驗組提供完成實驗所需的計算、存儲和網絡資源。動畫遠程教育云虛擬實驗平臺與其他遠程教育云應用的區別在于該平臺依據動畫實驗設計流程，除提供各設計階段所必需的軟件服務外，還為每個設計階段提供組內成員之間互動協作的計算、存儲和軟件服務。

軟件支撐層主要包括虛擬化層、數據庫、調度管理、負載均衡、日志管理、平臺安全管理等模塊，用于對實驗平臺提供軟件支撐。

平臺的關鍵實現技術在于云虛擬實驗平臺應用層，主要包括：① 即時通信模塊。同組學習者之間可實現時點對點、一點對多點的通信服務，消息傳遞、文件共享等快速有效的交互學習。② 設計協作模塊。具備版本控制功能，支持多人對同一文檔或多媒體文件進行修改標注的操作。例如，5-6人的制作小組中擔任編劇、導演、角色造型設計、場景設計、后期合成與特效制作等不同區域工作的參與者，可同時進行討論。動畫劇本、角色造型、場景繪制方案等可以同步完成多人展示與修改工作。③ 電子故事板模塊。實現多人同時在線的多媒體交流功能，可以在故事板上輸入文字或進行繪畫操作，輸入結果即時在屏幕上顯示，并可保存為圖形文件。例如，開展討論時，負責動畫角色造型設計的學習者可直接將設計方案以圖像形式進行展示和討論，聽取意見之后，在故事板上直接繪制修改圖像。另外，利用平臺提供的動畫軟件，也可隨時生成角色三視圖及完成簡單動作展示。設計協作模塊與電子故事板模塊功能提高了組內會議交流的效率。④ 登錄管理模塊。此模塊用于對學習者或教師的登錄進行管理，完成角色的身份認證。教師角色具備對學習者的分組、任務分工、實驗進度查詢、作業點評等管理功能。⑤ 專用軟件管理模塊。實驗平臺中集成了相當數量的動畫專用軟件，這些軟件可隨時被學習者調用，此模塊用于維護軟件的安裝、更新、卸載操作。⑥ 平臺管理模塊，實現實驗平臺的維護、管理功能。云虛擬實驗平臺專有模塊功能虛擬現實的交互功能設計符合動畫產品創制的特點，不但合理優化了小組的分工協作，同時方便教師監督指導整個小組的設計進度與作業質量。教與學的同步也大大增強了動畫學習者的興趣，提高學習者的參與性與學習效率。

需要特別指出的是云虛擬實驗平臺應用層中電子故事版模塊、設計協作模塊是區別于其他實驗平臺的主要部分，也是本平臺的特色與核心。電子故事板模塊和設計協作模塊充分考慮動畫設計的特點，采用了協同合作技術和并發處理技術，在動畫設計過程中有效防止操作死鎖、信息同步慢、用戶體驗差等問題。

終端設備包括筆記本、個人電腦、平板電腦、智能手機等。伴隨著移動設備和互聯網的高速發展，學習者不但可以通過筆記本、個人電腦利用專用軟件連接實驗平臺進行相關實驗，還可以通過移動設備利用專用的客戶端APP連接實驗平臺進行大部分的實驗操作，使得學習者之間或師生之間能以更加快捷的方式交互。

動畫遠程教育云虛擬實驗平臺針對動畫遠程課程實驗環節各個階段的功能需求設計，為動畫遠程教育的實驗環節提供實驗所需的軟硬件支持。該實驗平臺有以下特性：① 硬件成本低，平臺采用云虛擬化技術有效實現硬件資源的共享，降低了硬件采購成本。② 易用性，平臺采用C/S結構，支持多種客戶端設備，利用手持設備學習者可以隨時隨地登錄實驗平臺。③ 可擴展性，基于云計算平臺的設計能夠很好地支持各種軟件的集成，新增功能模塊添加簡便。

四、實驗平臺的實現與驗證

（一）實驗平臺的實現與試行

我們利用8個由1Gbps以太網連接的刀片服務器和一個盤陣搭建了云虛擬實驗平臺的硬件基礎設施。每個刀片服務器包含4個 Xeon X5660 CPU和24GB DDR3內存。盤陣型號為IBM Storwize V3700，容量為12TB，接口為1Gbps iSCSI。云虛擬實驗平臺運行于qemu-kvm-0.12.1.2虛擬化環境之上，服務器軟件均在Windows Server 2008環境下開發，通過100Mbps專網連接互聯網。作為遠程教育的云計算平臺，我們必須考慮基礎設施的成本問題，采用刀片服務器為主的硬件架構主要考慮以下幾個因素：① 硬件成本：與機架安裝式基礎設施相比，刀片服務器的連接線纜和配件成本下降約35%。② 能耗成本：刀片服務器的高集成度可有效降低功耗。③ 資源配給靈活：利用刀片服務器的模塊化設計，加快資源、更換和恢復速度。表1顯示了不同實現方式的對比情況。

（二）實驗平臺的驗證

平臺研制完成后，通過不斷完善和修改，經過2年4學期的在線試用。每學期約有300人使用該平臺進行動畫課程設計，每組5人，分成60組。我們觀察到的最高同時在線人數為246人（58組），用戶操作流暢，系統的CPU使用率和網絡吞吐率最大值分別為58%和73%。試用的結果表明，該實驗平臺的功能達到動畫遠程教學實驗設計的基本要求，平臺運算能力能夠滿足相關課程的需要。

在剛過去的一學年里，我們通過該平臺完成了528人次的課程，130人完成了5門基礎課程的學習任務，學習成績比以前有所提升。學習者合作完成了35個動畫作品。據抽樣調查，87%的學習者對平臺的評價為優良。

五、結語

云計算作為一種新型計算服務模式，正對遠程教育、網絡教育的各個環節產生積極而深遠的影響。本文設計和構建的基于云計算的動畫專業遠程教育實驗平臺，是對本專業實驗環境建設的初步嘗試。案例顯示，該嘗試取得了初步成效，也是利用云計算技術建設低成本、高效能、通用教育平臺的一次實踐。雖然，目前由于動畫專業學生人數相對較少，不能大規模展開以廣泛地檢驗效果，對于最終的大規模教學成效尚缺乏有力的數據支撐，試驗的規模也不夠系統，實施方面也缺乏研究，但是隨著移動終端設備和移動網絡的進一步普及，云計算遠程教育平臺的不斷興起，動畫專業自身的不斷探索和發展，必將極大地促進不同地區間的教育平衡發展，使得泛在學習成為可能，也對進一步細化和深化相關研究奠定堅實的基礎。整體上看，云虛擬實驗平臺的設計符合遠程教育的特征，作為一種豐富、有效的交互學習手段，其建立必將有利于營造一種指導協作、鼓勵創新、互幫互助的學習氛圍。

[參考文獻]

黃榮懷，楊俊鋒，胡永斌. 2012. 從數字學習環境到智慧學習環境——學習環境的變革與趨勢[J]. 開放教育研究，18（1）.

Armbrust， M.，et al. 2009. Above the Clouds： A Berkeley View of Cloud Computing. UCB/EECS-2009-28， Berkeley， Feb.10.

Aymerich， F. M.， Fenu， G.， & Surcis， S. 2008. An Approach to a Cloud Computing Network. Applications of Digital Information and Web Technologies.

Gibbs， T. 2006. Grid 2.0： The Global Grid Gets Hip. On-Demand Enterprise， April.

Kaplan， J. 2008. Time is Right to Consider SaaS and Cloud Computing. Earthweb， Oct.

Klems， M.， Nimis， J.， & Tai， S. 2008. Do Clouds Compute？ A Framework for Estimating the Value of Cloud Computing. Web 2008 workshop on e-Business.

收稿日期：2016-04-21

定稿日期：2016-06-30

作者簡介：王筱竹，博士，講師，國家開放大學文法教學部（100039）。

責任編輯 韓世梅