虛擬仿真教學資源開放共享策略探索

劉亞豐, 蘇 莉, 吳元喜, 唐朝暉, 張日欣, 趙元弟， 余龍江

(華中科技大學 生命科學與技術學院, 湖北 武漢 430074)

虛擬仿真教學資源開放共享策略探索

劉亞豐, 蘇 莉, 吳元喜, 唐朝暉, 張日欣, 趙元弟， 余龍江

(華中科技大學 生命科學與技術學院, 湖北 武漢 430074)

針對虛擬仿真教學資源開放共享程度偏低的問題,從資源共享意義、資源分類、共享體制與共享機制等方面進行了探討,提出頂層規劃設計、學科組與實驗教學示范中心引導和示范、分類建設與管理的開放共享策略,以期推動虛擬仿真教學資源建設、推動高校間教學資源開放共享和虛擬仿真實驗教學中心可持續發展。

虛擬仿真； 教學資源建設； 開放共享

互聯網+概念的出現,為教學資源的開放共享提供了廣闊的空間[1-2]。高校的虛擬仿真實驗教學中心是在教育信息化背景下實現國家互聯網+戰略的一個重要平臺和基地,是實驗教學示范中心的延伸與拓展[3-5]。自2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設以來[6-7],促進了高校虛擬仿真教學資源的建設,也推動了教學模式的升級和實驗室信息化程度的提高。然而目前尚缺乏有效的共享共建制度和措施[8-9],存在教學資源建設重復、內容未體現專業特色或學科優勢、兼容性較差、共享程度偏低等問題[6]。本文結合華中科技大學虛擬仿真實驗教學中心的建設,探討虛擬仿真教學資源開放共享的方案,以期推動優質教學資源的充分利用、促進中心的可持續發展。

1 虛擬仿真教學資源開放共享的意義

1.1 有助于教學資源協調建設、高效管理與應用

每所高校都有自己的學科優勢和辦學特色。在共享機制下,高?？捎行蚪ㄔO一批高水平、有代表性的實驗教學資源,避免重復建設和低水平建設,實現虛擬仿真教學資源建設良性發展。

移動技術、互聯網技術、云計算與云存儲等新技術的快速發展,使得教學資源容易實現優化整合、動態更新、高效管理和應用便捷,容易實現教學資源跨地區、跨院系、跨專業的全面共享,使虛擬仿真實驗教學中心發揮更好的示范與輻射作用。

1.2 有助于提高教學質量,促進高校協調發展

虛擬仿真教學資源的共享,為實驗教學提供了更多的教學手段和支撐材料,有利于在教育信息化背景下提升教學水平和促進教學模式的升級。共享也給學生提供了豐富的線上學習資源,方便學生進行虛擬實驗和仿真操作。這種雙重效用有力地促進了教學目標的實現和高素質人才的培養。

通過優質教學資源的共享,可以使不同地區、不同教學水平的高校持續穩定地獲得成功教學經驗和優質教學成果,形成協調促進、共同發展的局面。

1.3 有助于深化校企合作,整合社會優勢資源

虛擬仿真教學資源是專業知識與信息技術融合的產物,能夠吸引相關企業的積極參與,使高校發揮專業優勢、企業發揮信息技術優勢,構建校企深度合作、互利互惠的長效機制,推動教學資源建設持續跟進。

虛擬仿真教學資源建設不僅需要理念上的變革,也需要技術、經費的長期投入,更需要整合各類社會資源,共建優質教學資源庫,形成共建共享的氛圍。

2 虛擬仿真教學資源分類

要推進虛擬仿真教學資源跨校、跨區域共享的順利實施,就需要制訂規范的、可操作的管理方案。然而，由于教學資源在功能特點、配置需求、執行方式及訪問形式等方面存在千差萬別,只有對教學資源分類并分別建立相應的共享方案,才能確保共享的實現?？蓪⑻摂M仿真教學資源劃分為4類。

2.1 靜態模型

靜態模型是基于真實物品制作的數字化模型或為實現某種需求構建的虛擬模型,它是開發其他類虛擬仿真教學資源的元素?？梢圆捎闷矫嬖O計軟件如Photoshop、CorelDRAW、Illustrator等構建平面模型,也可采用三維設計軟件如Rhino、3ds Max、Maya構建立體模型。基于這些建模軟件,能方便地構建分子細胞、動植物、儀器設備、器具耗材、藥品試劑、實驗室廠房等實物的靜態模型,并轉化為不同的文件格式,方便不同操作系統、應用程序調用和訪問,因而這類資源最易實現共享。模型的維度、大小、精度、復雜度決定開發的工作量與成本。

2.2 虛擬動畫

虛擬動畫是利用動畫開發軟件(如Flash、Unity3D),通過一定流程和交互環節,將靜態模型連接起來的動畫程序,方便運行于多種操作平臺上。這類資源的開發主要是模型構建和編程,通常由美工和程序員合作完成。這類資源方便整合,因而共享的意義更大,一般只需要1臺服務器并接入互聯網即可以實現。

2.3 仿真軟件

仿真軟件是根據物理、化學、數學等模型以及相應的條件參數來模擬真實情況、特定功能或機理的算法程序。相對虛擬動畫資源,它更側重仿真、計算、模擬,是基于某種知識理論的計算編程。電子電路仿真設計軟件PSpice、科學計算與信號處理軟件Matlab、工業機械設計與仿真軟件Solidworks等都是出色的仿真軟件。仿真軟件資源豐富、功能強大,不斷有新的插件、模型、接口,可以完成建模、仿真、可視化、交流等功能,能以更快的速度和更低的成本設計更好的產品。由于這些資源大多是商業開發,有知識產權和授權安裝許可量等方面的限制,對開放共享有一定制約。

2.4 軟硬件交互程序

軟硬件交互程序是借助硬件、接口模塊、傳感單元等來實現軟硬件交互功能的仿真程序。它功能強大、多樣,效果也更逼真,但是要依賴硬件配置,脫離硬件環境將無法完成仿真操作。目前這類教學資源也較多,例如LabVIEW借助開發面板可實現模擬信號采集、信號調理、多種波形信號產生等；基于VR、紅外高分辨攝像機及相關設備,可高精度實時捕捉人體全身細微動作。

3 虛擬仿真教學資源開放共享方案

3.1 建立統籌資源開發建設體制

由于虛擬仿真實驗教學中心受外界條件影響小,各類教學資源跨校、跨區域的整合與共享便利得多；然而從數據分析來看,目前教學資源的開放共享仍存在不少局限性[8]。為此,提出自上而下的、多層次的教學資源統一規劃建設體制(見圖1),以推動和激勵虛擬仿真教學資源共享實施。

教育部是我國教學資源建設與共享體制的頂層設計者。教育部高等學校實驗教學指導委員會、實驗室建設指導委員會以及108個專業委員會可充分發揮其導向作用,協調制訂各學科專業的共享計劃,以虛實結合、以虛促實、以虛補實的原則確立虛擬仿真實驗資源建設內容；從開發技術與開放標準上確立建模程序、編程軟件、數據庫、網絡協議與接口定義等。

由高等學校國家級實驗教學示范中心聯席會及各學科組根據委員會建議,負責制訂國家級實驗教學示范中心的具體建設內容及共享措施。要結合高校的專業特色、學科分布、地區差異、技術儲備、開發成本等因素,統一協調各虛擬仿真實驗教學中心的建設。各省教育廳高教處、省實驗教學指導委員會負責制訂省級實驗教學示范中心建設內容與共享措施,指導各中心的建設和省內國家級示范中心的開放、互通、共享,使教學資源輻射到更多實驗教學中心。

3.2 設置教學資源開放共享準入標準

目前虛擬仿真教學資源開發存在重復和簡單化的問題,已開發教學資源的質量也參差不齊。若將這些資源都放到開放共享平臺上,不僅不利于提高學生綜合設計與實踐操作能力,還將影響教學工作的推進,影響虛擬仿真實驗教學中心的可持續發展。

圖1 虛擬仿真教學資源統籌開發建設體制

開放共享資源應是優質和高水平教學資源。優質和高水平主要體現在學科優勢和專業特色兩方面:一些高校學科專業發展歷史悠久且積淀深厚,可發揮其學科優勢,建設一批高質量教學資源；另一些高校所擁有的學科專業是其他高校沒有開設的,這些學?？山ㄔO一批有特色的高質量教學資源。這些資源的開放共享,將提升學生自主學習、主動學習的熱情，提升教學水平和教學質量,起到良好的輻射示范作用。因此,需要建立教學資源準入標準,只有高水平、高質量的教學資源才可進入開放共享平臺。

3.3 構建開放共享平臺

3.3.1 建立模型素材網上共享平臺

模型素材不受操作系統、應用平臺的限制,可類似電商模式進行網上交易。圖2(a)是已構建并開通的模型素材網上交易網站,用戶注冊后可上傳自己制作的靜態模型或購買模型素材。該交易平臺設置3種不同類型用戶(見圖2(b))。模型素材的類型、分辨率、復雜度、幾何尺寸、外觀等決定了每個模型的實際價值。當用戶上傳模型素材獲得認可,將獲得與實際價值相對應的積分,根據后續共享指數進行二次利益分配。用戶支付相應的貨款將可獲得模型。實現共享的高校用戶,可以用積分來換取對應價值的模型。

圖2 模型素材網上交易平臺頁面

由于目前無法對靜態模型素材進行加密保護,很難避免用戶下載后私下交給其他用戶使用,這是該共享平臺當前面臨的棘手問題。但即使這樣,由于它將分散的靜態模型素材聚集到一個平臺上,必將大大減少資源重復建設,縮短二次開發的周期并降低虛擬仿真教學資源的開發成本。

3.3.2 建立虛擬仿真實驗共享平臺

無論是二維或三維虛擬動畫,還是二維、三維結合的虛擬動畫,都能很容易地構架在同一個共享平臺上。平臺的結構可以采用B/S模式或C/S模式。B/S結構對客戶端要求低、運行速度快,但對網絡要求高；C/S結構技術成熟、穩定性高,是當前大型網游采用的主要模式,但應用之前需花較長時間下載客戶端程序。華中科技大學已開通基于C/S結構的生命科學與技術虛擬仿真平臺,它將多種虛擬動畫資源及輔助學習資源整合到一個系統內,方便學生學習和實驗操作,同時也有利于教師或管理職能部門的管理與監控。

為推進虛擬仿真實驗教學資源的廣泛共享,建設單位應擁有相關知識產權。在共享機制協調下,各單位的優質資源被整合到一個平臺上,并根據提供資源的數量與質量取得積分、分配賬號數量,使資源有序整合和有效對接,方便訪問、更新、維護。隨著資源的增加和用戶的增多,可實現更多資源的優化與分享,提高教學資源的利用效率和系統執行速率。

3.3.3 建立遠程訪問仿真共享平臺

仿真軟件資源主要側重仿真、計算、模擬,大多是商業軟件。商業軟件通常對軟件的使用采取密碼登錄、硬件加密鎖、與計算機網卡綁定等知識產權保護措施,并且限制在1臺電腦上運行或在局域網使用,難以做到共享開放。但商業軟件資源功能強大、在教學上也有需要,而如果每個單位都購置,所花的費用較多。為推進該類資源的利用,可將該類資源配置在1臺電腦上并設置成可遠程訪問,這樣用戶就可以通過網絡遠程訪問該計算機上的所有資源,類似構建一臺虛擬服務器。圖3顯示的是進入遠程電腦,通過客戶端啟動服務器上的Matlab軟件編寫的信號低通濾波程序腳本和仿真運行結果。為方便通過這種方式實現資源共享,需要對遠程電腦開放遠程訪問許可,并公布遠程電腦的IP地址、登錄賬號與密碼、開放時段、操作說明、技術參數、收費標準以及預約、審批等管理信息。

圖3 遠程訪問仿真平臺頁面

3.3.4 建立軟硬件交互開放共享平臺

軟硬件交互程序對硬件、實驗環境要求高而復雜,例如LabVIEW虛擬儀器,除LabVIEW軟件本身外,還包括數據采集卡、信號調理設備等多種外設,以實現信號采集、信號調理、多種波形產生、圖像處理等軟硬件交互測量、控制、仿真功能。受硬件配置限制,此類資源不利于跨地區共享,但可采用當前大型儀器管理模式,做到本地區內共享和跨區域示范。

4 制定開放共享制度

4.1 激勵與考核制度

(1) 激勵制度。高校將自己開發的原創虛擬仿真教學資源提交到開放共享平臺上,應得到相應的報酬,以補償在人力、物力、智力上的投入，同時根據所提供資源的數量、質量及復雜程度獲得訪問平臺內其他教學資源的權限。在一個共享周期內,根據平臺收益和每個教學資源使用率,以獎金或積分形式分配給提供這些資源的單位或個人,做到誰投入誰受益、多投入多使用、多投入多收益。高校內部也應制定鼓勵政策,獎勵主導開發虛擬仿真教學資源的教師。

(2) 考核評估制度。建立相應的監督評估制度,督促學校建設共享教學資源,特別是那些共享不充分或存在共享壁壘的資源。教育主管部門和專業委員會應對虛擬仿真實驗教學中心的建設與開放運行情況進行考核和評估,對于建設質量高、共享程度高、教學效果好的實驗教學中心應給予表彰和獎勵；對于開放差的實驗教學中心應提出整改建議。

4.2 教學資源分類與開發標準

為推動虛擬仿真教學資源的有序建設,需要建立資源分類管理和資源開發的技術標準。

(1) 資源分類管理制度。虛擬仿真教學資源在開發手段、配置需求、執行方式、展現形式等方面有很多不同,只有建立有針對性的資源分類管理制度,才能確保每一類資源充分共享并落到實處,才能把優質教學資源推廣到不同地區、不同高校應用。

(2) 資源開發技術標準。為便于把不同高校開發的虛擬仿真教學資源整合到共享平臺上,也為了教學資源的擴展、更新、升級,需要建立虛擬仿真教學資源開發的技術標準與規范,從模型開發、程序編寫、交互環節設計、數據庫選取、網絡協議制訂、用戶接入等方面精心考慮,使共享平臺可運行在不同終端設備、不同操作系統上。

4.3 教學資源評價制度

(1) 專業知識與信息技術融合的評價制度。虛擬仿真實驗教學是專業知識與信息技術深度融合的結果。在虛擬仿真實驗教學中,如果缺乏信息技術的投入,則開發的教學資源僅能算作一般數字化資源；但如果只注重信息技術渲染而偏離專業知識傳播,也將脫離原有教學目標。因此需要建立專業知識與信息技術融合的評價制度,促進高質量虛擬仿真教學資源建設。

(2) 資源分級制度。在虛擬仿真教學資源進入共享平臺之前,需要根據每一類資源建立準入標準,進而對這些資源進行分級,級別高的資源,其相應的收益也將更多。通過教學資源分級制度的實施,將有利于優質教學資源的開發,有利于提高學生使用共享資源的積極性和興趣。

(3) 用戶評價制度。在共享平臺上應設置用戶反饋和交流模塊,以便用戶在使用虛擬仿真教學資源過程中,能對教學資源的知識容量、教學效果、逼真程度、訪問效率等方面進行評價,推動教學資源的優化、改進與完善,促進虛擬仿真教學資源建設良性發展。

4.4 專業人才隊伍的建設

要建設開放共享的虛擬仿真教學資源,開發人員不僅要精通專業知識,還需掌握必要的信息技術。為確保教學資源持續穩定建設,需要引進具有專業知識和較高信息化水平的復合型教師,提高教師自主開發虛擬仿真實驗項目的能力,打造一支專業知識扎實、思維活躍、有韌性的教師人才隊伍。

應建立教師激勵長效機制,鼓勵教師積極參與虛擬仿真教學資源的建設與開放,吸納和利用社會資源,培養和鍛煉教師在項目開發與管理等方面的能力。

4.5 知識產權的保護

應切實保護資源開發者、建設者的合法權益。平臺內的資源只允許納入共享平臺的單位和個人使用,不能以轉包等形式給其他單位和個人使用,更不得用于商業活動。應從技術層面加強對知識產權的保護:(1)對資源源代碼加密處理；(2)軟件安裝與計算機網卡MAC地址綁定；(3)對模型進行水印處理；(4)安裝網站加密鎖、服務器加密鎖等具備安全防護和安全管理功能的綜合性服務器保護系統。

5 結語

虛擬仿真教學資源的開放共享是虛擬仿真實驗教學中心建設的重要內容,也是教學資源整合、優化的重要途徑和手段。隨著虛擬仿真實驗教學模式的應用與推廣,教學資源開放共享的重要性日益凸顯。華中科技大學國家級虛擬仿真實驗教學中心虛擬仿真教學資源的開放共享,有益于各實驗教學中心協調促進、共謀發展,最大限度地發揮虛擬仿真技術在人才培養上作用,提升互聯網+國家戰略下高等教育信息化程度。

References)

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[7] 教育部辦公廳.教育部辦公廳關于批準北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心等100個國家級虛擬仿真實驗教學中心的通知[EB/OL].(2014-03-06)[2016-06-10].http://www.lab.pku.edu.cn/document/20140310142126621421.doc.

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Exploration on opening and sharing strategy for virtual simulation teaching resources

Liu Yafeng, Su Li, Wu Yuanxi, Tang Zhaohui, Zhang Rixin, Zhao Yuandi, Yu Longjiang

(College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In the current situation of the low level of opening and sharing of teaching resources, this paper puts forward a strategy including top level planning and design, guiding and demonstrating of discipline department and demonstration center, and classifying and management of teaching resources for the opening and sharing of virtual simulation teaching resources after analyzing sharing importance, resource classification, sharing mechanism and system in detail. These suggestions and ideas will contribute to the construction, opening and sharing of of teaching resource, and also promote the sustainable development of virtual simulation teaching mode.

virtual simulation; construction of teaching resources; opening and sharing

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.034

2016-06-19

湖北省教學研究項目(2014070，2015060);中國高等教育學會“十三五”規劃課題(16YB149)

劉亞豐(1976—),男,河南漯河,博士,工程師,中心副主任,主要研究方向為生物醫學光子學、光遺傳學、電生理學

E-mail：yfliu@mail.hust.edu.cn

余龍江(1966—)，男，湖北黃梅，博士，教授，副院長，主要研究方向為資源生物學和生物技術.

E-mail：yulj@hust.edu.cn

G642；TP391.9

: A

: 1002-4956(2016)12-0137-05