虛擬仿真教育資源云共享平臺的構建及應用

萬晨 朱宗曉

摘要：文章從論述虛擬現實技術在輔助教育教學方面的應用入手，分析虛擬仿真系統在建設、使用和管理中存在的諸多問題，針對現存的問題提出了一種新穎的虛擬仿真教育資源云共享平臺。深入探討了平臺的建設意義和建設目標。設計了平臺的總體技術架構和功能，并對該平臺在基于虛擬樣機的微縮智能車自動駕駛仿真實驗課程中的應用進行分析，通過該平臺在云端實現虛擬仿真系統資源統一部署和統一管理，提高了資源的利用率，促進了教育模式、教學方法和學習方式的革新，推動虛擬仿真技術與教育教學深度融合，為高校虛擬仿真一流課程的建設起到支撐作用。

關鍵詞：虛擬仿真；教育資源；云共享

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1009-3044（2023）13-0123-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

虛擬現實技術簡稱為VR 技術，是當前新興的融合信息、藝術與科學等多學科于一身的綜合性技術[1]，通過VR 技術能構造出與真實世界具有相同視覺、聽覺、觸覺感受的虛擬世界，突破時間、空間和其他條件的限制，讓用戶在虛擬世界中產生身臨其境的感覺[2-3]。VR技術具有沉浸性、交互性、想象性、智能化的特征，將其應用于教育領域，能有效豐富和完善現有教學手段，增強學生的學習體驗，提高學生的學習興趣，提升學校的整體教學質量。在《中國教育現代化2035》《教育信息化2.0行動計劃》《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》等文件的指導下，我國高校加快推進信息技術與教育教學的深度融合，深入研究將VR技術應用于課堂教學[4-6]、實驗教學[7-8]、創新創業教育[9]、非正式學習空間[10-11]、新工科[12-13]、新文科[14-15]及創新型人才培養等方面。由此可見，VR已成為輔助高校教育教學的重要技術手段，并在拓展教學內容的廣度和深度、延伸教學時間和空間，探索自主式、合作式、探究式的教學模式，打造智慧學習環境，提高教學質量中發揮著越來越重要的作用[16]。

雖然VR技術在教學方式、學習技術和學習環境等方面帶給人們全新的體驗，但是虛擬仿真系統的建設、使用和管理仍然存在諸多問題，例如虛擬仿真系統建設布局沒有統一規劃；系統間的集成和資源共享程度低；已建系統使用的軟件和硬件環境各不相同，用戶安裝和使用難度大；系統缺乏教學過程、教學效果的評價功能；軟件硬件維護人才的儲備不足等[17]，導致虛擬仿真系統在實際使用過程中功能和作用無法得到充分發揮。如何借助大數據、云計算、云存儲、云渲染等新興技術向上融合已有虛擬仿真系統，壓縮系統管理和維護成本，向下整合計算能力，最大程度發揮虛擬仿真系統的作用，已成為當前亟須解決的問題。

1 虛擬仿真教育資源云共享平臺建設的意義

建設虛擬仿真教育資源云共享平臺（以下簡稱“平臺”） ，可有效整合高校已有的虛擬仿真資源，為待建的虛擬仿真系統提供標準接入接口，提高資源的利用率，進一步推動虛擬仿真技術與教育教學深度融合，促進教育模式、教學方法和學習方式的革新，對提升高校教育質量具有較大意義。具體體現在以下四個方面。

1.1 降低虛擬仿真系統的建設和維護成本

經過多年的積累，高校建立了大量的虛擬仿真系統，但是目前仍然以分散式建設模式為主，不同時期建設的系統，開發引擎和系統架構各不相同，加之系統運行對服務器及終端硬件要求較高，有的甚至需要配置專門的計算機圖形工作站，使得系統升級困難、維護工作量大、難以統一管理。平臺能兼容不同開發引擎和軟件架構，為已建系統和待建系統提供統一的接入接口和資源管理平臺，實現虛擬仿真資源的統一部署、集中管理，同時將虛擬仿真系統運行時用到的海量存儲、高性能計算和圖形渲染等服務遷移到云端，降低了使用終端的硬件要求，有效解決虛擬仿真系統維護成本高、擴展性差的問題。

1.2 集中管理虛擬仿真資源，優化資源的開放與共享

高校已建設的各類虛擬仿真資源比較豐富。但在資源的整合、開放與共享上還存在一些問題，主要包括：虛擬仿真資源的種類眾多、數量眾多、但資源存儲格式不一；各系統平臺間以各自的技術標準和要求為準，使得不同系統間對接、集成、資源共享困難；云平臺能通過統一的技術標準和規范的接口，便捷地將已有虛擬仿真資源和應用上傳至云端，所有資源在線使用統一管理，并根據學校要求及各類資源的特點，對其進行分類整合，實現資源的開放和共享，極大提升用戶獲取和使用虛擬仿真資源的能力。

1.3 為虛擬仿真一流課程建設奠定基礎

平臺支持SR、VR、AR等多種形式的高精度內容，支持電腦、手機、平板、全息、大屏、VR/AR眼鏡等終端，能將以前分散建設的不同虛擬仿真系統整合于一個平臺中，使各系統形成相互支撐和互為補充的整體，構建一套完整的虛擬仿真實踐和教學課程支撐體系。教師可基于平臺構建高度仿真、內容可視化、超強沉浸感的虛擬教學環境和實驗對象，有效補充傳統教育形式不足，激發學生的學習熱情和想象空間，為學生帶來全新的學習體驗，為虛擬仿真一流課程建設奠定基礎。

1.4 打通教育業務系統大數據，構建教育虛擬仿真生態系統

平臺支持多種開發引擎，能將虛擬課堂教學、虛擬實驗教學、虛擬實訓教學、虛擬學習空間、虛擬非學習空間等各種孤立的虛擬仿真系統和資源集成管理，并通過大數據技術實現教育業務系統大數據與虛擬仿真系統數據互聯互通，構建集教學環境、學習過程支持、教育評價、高校服務與管理等方面于一體的教育虛擬仿真生態系統。

2 平臺的設計

平臺設計目的是通過利用大數據、云計算、虛擬現實等技術的融合，將所有虛擬仿真教育資源運行在云端，實現虛擬仿真教育資源的整合、重構、組織和管理，以此提升虛擬仿真教育資源的復用效率，降低使用虛擬仿真資源終端配置的要求，搭建集虛擬仿真教育資源統一部署、統一管理的云端平臺。

2.1 平臺的總體架構設計

平臺的總體架構如圖1所示，平臺通過中心節點接收用戶的服務請求，動態調度云渲染服務和云存儲服務器協同工作，通過云端計算資源渲染，將高質量的虛擬仿真資源實時推送各類終端，實現隨時隨地任意終端的在線訪問，降低對終端硬件的配置、系統等差異化要求。平臺兼容Unity3D、Unreal、OSG等引擎，通過統一的接口接入校內的虛擬仿真系統：如虛擬仿真直播課、虛擬實驗教學、虛擬實訓教學、虛擬學習空間、虛擬非學習空間、云智慧教室等，并通過學校數據中心提供的數據API接口獲取學工系統、教務系統、研究生系統、人事系統的數據，完成訪問平臺用戶的身份驗證，并能將老師、學生、課程數據及操作行為數據進行關聯分析。

2.2 平臺的功能設計

平臺主要功能包括：用戶權限管理、虛擬仿真資源管理、業務系統數據集成共享管理、開發者管理、 虛擬仿真資源使用統計與分析等。用戶權限管理功能主要包括：用戶管理、角色管理、權限管理等，根據學校的組織架構數據和人員數據，將在校師生用戶數據自動導入，并根據不同的用戶角色及預設定的規則，自動給用戶分配相應的系統權限。虛擬仿真資源管理功能：支持虛擬仿真資源的上傳、部署、發布、權限分配及資源下架，支持虛擬仿真資源的搜索、共享及統一管理，最大化地提高資源的復用效率。業務系統數據集成共享管理功能：通過數據API接口獲取教師、學生、課程等數據，并將相關數據轉換為本系統的數據標準進行存儲，同時能存儲虛擬仿真資源操作的行為數據，為數據關聯分析提供數據支撐。開發者管理功能：為開發者分配開發權限，讓其有效調用平臺提供的API接口和SDK，滿足用戶多元化的開發需求。虛擬仿真資源使用統計與分析：對平臺中各虛擬仿真資源統一運維監控和管理、對用戶操作數據進行統計和分析，并能生成不同形式的統計圖表。

3 平臺在基于虛擬樣機的微縮智能車自動駕駛仿真實驗課程中的應用

自動化專業系統仿真課程在講授虛擬仿真樣機與應用、智能系統仿真等章節時，往往只能用圖片、視頻和動畫進行展示，無法讓學生真正體會虛擬樣機的強大功能。為激發學生的學習興趣，提升學生的動手能力，讓學生理解工業產品開發從數字仿真、物理仿真到實物仿真的三級仿真體系，實驗課程參照第十四屆全國大學生智能汽車競賽官方的賽道和規則，基于unity3D引擎自主提出、自主設計、自主開發了微縮智能車自動駕駛虛擬仿真實驗教學軟件，軟件包含六個不同難度賽道，實現了集仿真系統、算法平臺、交互式學習網站三位一體的課程實驗環境，課程實驗環境技術框架如圖2所示，其中仿真系統主要是基于unity3D引擎開發了微縮智能車自動駕駛虛擬仿真實驗教學軟件，將現實環境中的物理微縮智能車比賽場景1：1地放到了仿真環境中。算法平臺主要是基于深度學習的端到端自動駕駛實驗算法平臺，實現數據采集及用于深度學習訓練及識別[18]。交互式學習網站主要包括：實驗簡介、思考題管理、成績管理等。本課程虛擬仿真系統最初是以單機模式上線，需要學生自主下載，而系統所占空間大，對電腦配置要求較高，因此使用較低配置電腦的學生無法順利完成本課程的學習，同時在系統迭代升級后，難以及時共享給學生，不利于課程的開展，需對課程實驗環境的技術框架進行優化。

三位一體實驗環境技術框架

3.1 云端共享虛擬仿真教學資源，延伸實驗教學時間和空間

將課程的虛擬仿真教學資源集成至云端的虛擬仿真教育資源共享平臺，實現課程虛擬仿真系統從單機、單任務系統向線上多終端系統的B/S架構進化，通過云計算、云存儲、云渲染以及交互式視頻流等技術實現虛擬仿真內容的云端采集、存儲、計算、渲染和管理，建設為線上可訪問的微縮智能車自動駕駛虛實結合實驗室，提高了系統的交互性，學生可通過手機、iPad、電腦等多種類終端開展實驗課程，無須下載仿真軟件，提高了虛擬仿真實驗的簡便性，打破時間和空間的限制，激發學生的學習興趣、積極性和創造力。在平臺中實現了對課程的虛擬仿真系統統一管理、發布及升級更新，從根本上解決了課程的虛擬仿真資源共享難、系統體驗差、系統維護及管理不便等問題，云端微縮智能車自動駕駛仿真系統如圖3所示。

3.2 云重塑虛擬仿真教學模式，探索在線教學新實踐

平臺將微縮智能車自動駕駛仿真實驗課程的教學空間從以課堂為主向線上線下結合轉變，采用新的教學模式打破了時空限制，提高了學習效率，滿足了不同學生的學習需求，同時結合課程在線學習的需求，將本課程三位一體的課程實驗環境，延伸為集仿真系統、算法平臺、交互式學習網站、在線課程學習網站、在線算法源碼學習網站五位一體的在線學習環境，如圖4所示，搭建起聯通課前、課中、課后的泛在式智能型在線學習環境，教學方式從以教為主向以學為主轉變，增強了教學效果，能滿足不同層次、選修過不同課程學生的學習需求，形成了以網上教學為主的教育資源拓展和教育形式的創新，探索了在線教學的新實踐。

4 總結

虛擬仿真教育資源云共享平臺有效地將虛擬仿真技術、教師、學生和虛擬仿真資源融合在一起，延伸教學的時間和空間，實現了虛擬現實技術與教育教學的深度融合，為啟發式、互動式和探究式教學提供技術支撐。微縮智能車自動駕駛虛擬仿真實驗教學軟件可基于本平臺提供的API接口和SDK進行二次開發，不斷豐富和完善系統的功能，切實解決課程中“教”與“學”的難題，體現了平臺對高校建設虛擬仿真一流課程的支撐作用。

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【通聯編輯：梁書】