開放式虛擬實驗教學(xué)平臺研究與實踐

李林++陳宇峰++李鳳霞

摘 要 隨著虛擬實驗教學(xué)的大規(guī)模推廣，眾多高校和企業(yè)建設(shè)了一批虛擬實驗資源，并得到初步應(yīng)用。針對現(xiàn)階段虛擬實驗教學(xué)平臺各自獨立，實驗資源無法共享的問題，研發(fā)一種開放式虛擬實驗教學(xué)平臺，提供規(guī)范化接口，允許第三方用戶利用平臺共享實驗資源及發(fā)布實驗課程，同時與MOOC相結(jié)合開展在線實驗教學(xué)，實現(xiàn)虛擬實驗資源的共享與推廣。

關(guān)鍵詞 虛擬實驗；教學(xué)平臺；實驗教學(xué)；MOOC

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）10-0033-03

Study and Practice of Open Teaching Platform for Virtual Expe-

riment//LI Lin， CHEN Yufeng， LI Fengxia

Abstract As the large-scale popularization of virtual experiment teaching， many universities and enterprises have built a batch of vir-tual experiment resources， which obtained preliminary application. To solve the problem caused by independence of virtual experiment teaching platform and monopoly of experiment resources， we deve-loped an open virtual experiment teaching platform that provides a

standardized interface， and allows third-party user to share expe-riment resources and publish experiment courses. Combined with MOOC online experimental teaching， we complete the sharing and promotion of virtual experiment resources.

Key words virtual experiment； teaching platform； experiment tea-ching； MOOC

1 前言

近年來，隨著大規(guī)模在線教育的應(yīng)用和推廣[1-2]，虛擬實驗受到越來越多的重視。教育部陸續(xù)建立數(shù)百個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，同時國內(nèi)多家高校和企業(yè)也致力于虛擬實驗教學(xué)的研究，形成一系列虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)和資源，在各自的領(lǐng)域和用戶中獲得初步應(yīng)用，對在線教育形成良好的相互促進(jìn)。

然而，在虛擬實驗教學(xué)模式的應(yīng)用和推廣中缺乏公共虛擬實驗教學(xué)平臺的支撐，這也是目前研究的熱點問題[3]，比如具有全球影響力的GENI[4]。清華大學(xué)[5]等機(jī)構(gòu)做了相關(guān)研究，認(rèn)為在虛擬實驗教學(xué)資源共享方面還存在很多亟待解決的問題。

一方面，實驗教學(xué)平臺的建設(shè)局限于軟件。例如：網(wǎng)絡(luò)硬件虛擬化，專注于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共享實驗；通過虛擬機(jī)提供虛擬實驗環(huán)境，供用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問進(jìn)行虛擬實驗；還有面向特定目的的專業(yè)軟件環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)共享平臺等，這些平臺之間差異較大，多專注于網(wǎng)絡(luò)上軟硬件資源的共享，而不是虛擬實驗內(nèi)容本身。

另一方面，虛擬實驗資源建設(shè)缺乏規(guī)范化。很多實驗教學(xué)中心、教師在自己的課程中有很多好的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源，卻僅限于自己創(chuàng)建的平臺或課程內(nèi)使用，即使推廣也缺乏共享平臺的支持。從總體上來看，分散的虛擬實驗內(nèi)容建設(shè)難以滿足系統(tǒng)化的教學(xué)要求，因此，如何建設(shè)共享虛擬實驗資源成為一個重要的問題。

2 虛擬實驗共享機(jī)制

虛擬實驗作為一種軟件資源，具有先天的共享優(yōu)勢，沒有實現(xiàn)大規(guī)模共享是受制于以下四個方面的問題。

首先，虛擬實驗共享需要專業(yè)技術(shù)支持。分散于高校、企業(yè)的虛擬實驗課程內(nèi)容眾多，而且存在重復(fù)建設(shè)、無統(tǒng)一規(guī)劃等。虛擬實驗共享需要有一個平臺支撐，讓所有實驗都集中于同一個平臺，便于管理、選擇和發(fā)布。虛擬實驗平臺與MOOC平臺相比更難以集成：在MOOC平臺中的課程表現(xiàn)形式包括視頻、文本、講義文件以及典型的客觀題，這些目前在網(wǎng)站上都有較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)模式，便于推廣；而虛擬實驗教學(xué)平臺中的關(guān)鍵部分是在線實驗程序軟件，需要制定一系列標(biāo)準(zhǔn)化的平臺軟件接口、圖形引擎以及接口設(shè)計。

其次，虛擬實驗共享需要資源規(guī)范化管理。高校或企業(yè)開發(fā)的虛擬實驗受到開發(fā)者經(jīng)驗和專業(yè)的影響，可能在某些實驗上具有鮮明特色，一旦擴(kuò)展到其他實驗則缺少亮點，難以形成豐富的系統(tǒng)化的虛擬實驗課程群。借助于網(wǎng)絡(luò)共享經(jīng)濟(jì)的概念，開放式的虛擬實驗教學(xué)平臺支持符合共享接口標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢實驗資源，供實驗課程選擇，從而形成一系列經(jīng)典的虛擬實驗課程。

再次，虛擬實驗共享需要良好的運(yùn)行機(jī)制。如何保持虛擬實驗教學(xué)平臺的活力，讓虛擬實驗不斷擴(kuò)充？這需要一套類似于應(yīng)用商店的付費機(jī)制。根據(jù)用戶的使用量對開發(fā)者進(jìn)行激勵，從而鼓勵更多更好的實驗資源填充到實驗庫。從機(jī)制設(shè)置上鼓勵優(yōu)秀的虛擬實驗，從版權(quán)上保證開發(fā)者的權(quán)利和利益，從而形成可持續(xù)發(fā)展的虛擬實驗資源建設(shè)模式。

最后，虛擬實驗共享需要支持廣泛的教學(xué)場景。虛擬實驗作為課堂教學(xué)的一個環(huán)節(jié)，可以獨立開展，輔助線下課堂教學(xué)，需要獨立的用戶和課程管理系統(tǒng)。虛擬實驗也可以作為現(xiàn)有大規(guī)模在線課程的一個實驗環(huán)節(jié)，支持與MOOC

平臺結(jié)合[6]，無縫融合在一起，為在線教學(xué)提供實驗支持，并且解決在線教育缺少實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的問題。endprint

3 虛擬實驗教學(xué)平臺設(shè)計

為解決上述問題，設(shè)計研發(fā)開放式虛擬實驗教學(xué)平臺，即虛擬實驗工場[7]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。作為一個中間平臺，虛擬實驗工場提供以下三方面服務(wù)。

為虛擬實驗開發(fā)者提供實驗孵化和發(fā)布服務(wù) 虛擬實驗工場的定位是實驗孵化和發(fā)布平臺，不僅可以發(fā)布符合平臺規(guī)范的虛擬實驗，而且可以為具有好的實驗設(shè)計理念的開發(fā)者提供包括開發(fā)規(guī)范、開發(fā)工具、開發(fā)資源等，以便快速開發(fā)實驗內(nèi)容。孵化的作用不僅限于實驗開發(fā)，而且包括對實驗的推廣和評價。虛擬實驗工場根據(jù)實驗內(nèi)容、興趣方向、難易程度、教材匹配等方面進(jìn)行實驗推薦，打包成實驗課程；再根據(jù)實驗課程的選用次數(shù)、學(xué)生完成情況以及學(xué)生評價，對該實驗進(jìn)行綜合評分，優(yōu)化推薦系統(tǒng)參數(shù)，從而實現(xiàn)實驗內(nèi)容優(yōu)勝劣汰，逐步孵化出優(yōu)秀的虛擬實驗資源。

為教師用戶提供課程配置和教學(xué)服務(wù) 教師可以根據(jù)教學(xué)需求、學(xué)生情況、課程內(nèi)容分布以及難易程度，選擇相應(yīng)的實驗組合成自己的課程，訂購并生成該實驗課程，并發(fā)布到虛擬實驗工場上。發(fā)布的形式包括以獨立實驗課程的形式發(fā)布，學(xué)生可以直接登錄虛擬實驗工場進(jìn)行實驗操作；也可以與典型的MOOC平臺關(guān)聯(lián)，直接發(fā)布為MOOC課程的實驗鏈接。

為學(xué)生用戶提供虛擬實驗服務(wù) 學(xué)生可以借助以上兩種發(fā)布方式，利用瀏覽器直接打開基于Unity3D的虛擬實驗，登錄后選擇教師的課程并開展實驗，同時提供實驗報告的模板和實驗報告評分服務(wù)，并最終匯總為實驗成績。學(xué)生和教師可以在權(quán)限范圍內(nèi)對成績進(jìn)行查詢、分析，對實驗進(jìn)行反饋，提出改進(jìn)意見。

為提供以上服務(wù)，創(chuàng)建基于B/S架構(gòu)模式的系統(tǒng)平臺，服務(wù)器端部署于微軟Azure云服務(wù)平臺上，采用可擴(kuò)展式的軟件設(shè)計支持自適應(yīng)擴(kuò)展，可以同時支持?jǐn)?shù)萬用戶的并發(fā)訪問以及高效的實驗操作。

在前端瀏覽器采用基于Unity3D輕量級圖形引擎的虛擬實驗平臺，通過提供開發(fā)模板和接口標(biāo)準(zhǔn)，減少開發(fā)者的開發(fā)難度。實驗內(nèi)容采用基于用戶賬戶身份驗證和服務(wù)器系統(tǒng)信息校驗的雙重加密技術(shù)，確保虛擬實驗軟件的安全，以保護(hù)開發(fā)者的利益。

4 開放式虛擬實驗課程實踐

依托北京理工大學(xué)國家級大學(xué)計算機(jī)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，創(chuàng)建面向共享服務(wù)的虛擬實驗工場，同時以所在團(tuán)隊開發(fā)的大學(xué)計算機(jī)和程序設(shè)計課程的虛擬實驗為基礎(chǔ)，提供一系列大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的實驗方案，并構(gòu)建典型課程虛擬實驗教學(xué)體系。

虛擬實驗通過平臺上傳到實驗庫，在實驗庫中對其進(jìn)行分類管理、檢索和統(tǒng)計分析，并開設(shè)課程對外提供服務(wù)。開課教師根據(jù)教學(xué)重點與難點需求，選配覆蓋該課程知識點的虛擬實驗，創(chuàng)建并公布實驗課程。

2016年9月至今，國內(nèi)58所高等院校在虛擬實驗工場開設(shè)了66門課程，200多位教師建立了課堂，學(xué)生用戶近1.4萬人。此外，還應(yīng)用于教育部中國大學(xué)MOOC平臺的大學(xué)計算機(jī)課程虛擬實驗教學(xué)模塊[8]。截至2017年1月，該MOOC課程已經(jīng)開設(shè)三個學(xué)期，累計選課人數(shù)達(dá)12萬多人。僅2016年秋季一個學(xué)期，選課人數(shù)就達(dá)到近8.2萬人。

5 結(jié)語

隨著在線教育的興起，虛擬實驗成為課程實踐的一個重要環(huán)節(jié)，虛擬實驗平臺建設(shè)是目前研究和教學(xué)的一個熱點。本文所開展的虛擬實驗工場研究是以實現(xiàn)虛擬實驗內(nèi)容的共建和共享為目標(biāo)，結(jié)合目前互聯(lián)網(wǎng)的共享經(jīng)濟(jì)模型，進(jìn)行的一種在線虛擬實驗?zāi)Ｊ降奶剿鳌Ｄ壳埃摂M實驗工場初步建立，在教育部中國大學(xué)MOOC平臺上已經(jīng)取得初步的應(yīng)用，并正在與多所高校進(jìn)行虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用的探索，期待取得理想的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]伍民友，過敏意.論MOOC及未來教育趨勢[J].計算機(jī)教育，2013（20）：5-8.

[2]王文禮.MOOC的發(fā)展及其對高等教育的影響[J].江蘇高教，2013（2）：53-57.

[3]王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[4]GENI.GENI-Global Environments for network innovations

[EB/OL].[2011-10-17].http：//www.geni.net/.

[5]周燁，李勇，王芳，等.基于Open Flow的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺技術(shù)[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012（11）：1540-1544.

[6]李鳳霞，陳宇峰，余月，等.基于MOOC/SPOC的課程協(xié)同建設(shè)與思考[J].計算機(jī)教育，2016（1）：17-18.

[7]虛擬實驗工場[EB/OL].http：//www.vrsygc.com.

[8]中國大學(xué)MOOC課程平臺[EB/OL].http：//www.icourse163.org/course/bit-47004#/info.endprint