虛擬仿真實訓教學統(tǒng)一數(shù)字化平臺和服務器部署研究

楊家蓉，鄧昌全，唐華

（眉山職業(yè)技術(shù)學院，四川眉山 620000)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化教育資源越來越普及，虛擬仿真技術(shù)作為一種新型的教育技術(shù)，具有直觀、生動、逼真的特點，可以有效地提高教育教學的質(zhì)量和效率。然而，當前虛擬仿真教學資源存在著重復建設(shè)、內(nèi)容脫節(jié)、教師素質(zhì)有待提升等問題，給用戶的使用帶來了諸多不便。為了解決這些問題，本研究旨在推進虛擬仿真實訓教學統(tǒng)一數(shù)字化平臺和服務器部署的研究，實現(xiàn)虛擬仿真教學資源的共享和統(tǒng)一管理，提高教育教學的數(shù)字化水平。

1 虛擬仿真實訓教學環(huán)境建設(shè)現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)是一種利用計算機模擬真實世界的技術(shù)，將真實環(huán)境和對象通過數(shù)字化方式呈現(xiàn)出來，從而讓使用者感受到真實世界的存在。虛擬仿真技術(shù)主要包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、三維動畫技術(shù)等多種技術(shù)手段，具有省時省力、可視化呈現(xiàn)、交互性等特點，在教學中的應用場景非常廣泛，包括虛擬實驗、虛擬實訓、虛擬演練、虛擬展示等。

1.1 國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》的指導意見，教育部在2013—2015 年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)工作，得到了社會各界的積極的響應和支持。現(xiàn)已遴選出300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分別分布在26個省市自治區(qū)，其中理工類211個，農(nóng)林醫(yī)藥類53個，人文社科類36個[1]。

1.2 高職類虛擬仿真實訓中心建設(shè)

2015年《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2015-2018 年）》的出臺，正式開啟虛擬仿真實訓中心建設(shè)，但是在2019年的成果認定中，整體成果卻不理想，僅有46項獲得國家級認定[2]，其中主要原因仍然在于項目建設(shè)偏重于硬件環(huán)境，缺乏專業(yè)內(nèi)容支撐，導致實訓教學實驗室重復建設(shè)、利用率低，造成資源浪費。虛擬仿真實訓中心專業(yè)內(nèi)容缺乏實用性，致使仿真實訓的作用無法有效發(fā)揮。

2020 年，教育部職成司發(fā)布《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真基地建設(shè)工作的通知》，開啟了新一輪職業(yè)教育領(lǐng)域虛擬仿真實訓教學項目的建設(shè)熱潮[3]。

2 職業(yè)院校虛擬仿真實訓環(huán)境建設(shè)存在的問題

對國內(nèi)幾所具有代表性的公辦和民辦高職院校的虛擬仿真實訓教學環(huán)境進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前高職院校虛擬仿真實訓環(huán)境的建設(shè)還存在諸多問題，本文重點闡述以下具有代表性的三個問題。當然，文章只調(diào)查了部分院校，在研究上還存在一些局限性。

2.1 教學設(shè)施重復建設(shè)，設(shè)備閑置利用率低

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超過半數(shù)的職業(yè)院校在建設(shè)虛擬仿真實訓環(huán)境時，存在重復建設(shè)、設(shè)備閑置、利用率低的問題。一方面，缺乏整體規(guī)劃和合理布局，沒有充分考慮資源共享和利用，重復建設(shè)虛擬仿真教學實驗室。同一個學校內(nèi)部，不同的專業(yè)之間，甚至是相同專業(yè)內(nèi)部不同學科之間，都爭相建設(shè)各自的虛擬仿真教學實驗室，這些機房被冠以“xxx專業(yè)虛擬仿真實訓實驗室”的名字。設(shè)備的充分建設(shè)，并沒有結(jié)合學校或?qū)W院實際需求，致使設(shè)施重復，成本攀升。虛擬仿真實訓實驗室的建設(shè)需要投入較高的成本，就服務器來講，其支出成本能占到整個仿真實訓室總支出的30%以上。

另一方面，雖然虛擬仿真實驗室“遍地開花”，但建設(shè)好的實驗室又沒有發(fā)揮其服務學生、服務教學的功效，多數(shù)陷入閑置的尷尬境地。部分實訓室只提供給指定學科的實訓教學使用，限制了實訓教學的范圍；或者僅僅將虛擬仿真實訓教學作為“噱頭”，用于招生宣傳；再或者只是為了響應上級建設(shè)虛擬仿真實訓教學實驗室的要求，應付上級檢查。如此種種，造成了實訓設(shè)備長時間處于閑置狀態(tài)，使用率低下，無法高效地發(fā)揮設(shè)備的價值。

2.2 教學內(nèi)容缺乏深度，與行業(yè)需求脫節(jié)

從多所高職院校的調(diào)查研究結(jié)果來看，當前職業(yè)院校虛擬仿真實訓環(huán)境的建設(shè)還存在內(nèi)容缺乏專業(yè)深度，與行業(yè)需求脫節(jié)的問題。一方面，在內(nèi)容上缺乏深度和挑戰(zhàn)性，例如，某些實訓任務設(shè)計過于簡單，學生不需要過多思考就能夠完成，這一定程度上限制了學生創(chuàng)新思維的發(fā)揮，影響了學生實踐能力的提升，也達不到理想的教學效果；另一方面，一些實訓的任務與專業(yè)課程、行業(yè)需求聯(lián)系并不緊密，實訓項目過于單一。這主要在于仿真軟件的內(nèi)容、場景、資源已經(jīng)固定，擴展性受限，這也導致很多仿真實訓僅僅只是進行了簡單的模擬，如果教師在實訓中僅僅停留在表面的模擬，而無法全面地融入專業(yè)內(nèi)容，很容易降低學生的興趣和參與度，無法讓學生掌握最新的技能和知識，也無法滿足不同專業(yè)和職業(yè)領(lǐng)域的需求，發(fā)揮出實訓的最大效果。

究其原因，教學內(nèi)容與行業(yè)需求脫節(jié)的原因主要在于一線教學人員與虛擬仿真教學軟件和資源的開發(fā)的割裂，設(shè)計者與使用者之間存在著“鴻溝”，致使一些設(shè)計虛浮表面，無法真正達到教學的良好效果。

2.3 教學人員專業(yè)性不強，素質(zhì)有待提高

虛擬仿真實訓環(huán)境需要教學人員具備相應的技術(shù)知識和技能，比如，在教學過程中，需要進行軟件設(shè)計，教學資源開發(fā)等，以便能夠有效地運用虛擬仿真實訓系統(tǒng)進行教學。然而，現(xiàn)實情況中，這些技術(shù)對于大多數(shù)教學人員而言仍然存在一定難度，目前許多教學人員仍然欠缺這方面的知識和技能，這就陷入了教學人員“懂專業(yè)，不懂技術(shù)”的窘境，難以充分發(fā)揮虛擬仿真實訓環(huán)境的優(yōu)勢。同時，教學人員技術(shù)操作困難。虛擬仿真實訓環(huán)境的技術(shù)操作相對較為復雜，需要教學人員具備一定的技術(shù)能力和經(jīng)驗，然而，許多教學人員在實際操作中面臨困難，無法有效地完成實訓教學任務。此外，教學人員掌握新技能的速度滯后于技術(shù)更新的速度。虛擬仿真實訓環(huán)境的技術(shù)更新速度非常快，需要教學人員不斷學習和掌握新的技術(shù)知識和技能。然而現(xiàn)實情況中，許多教學人員缺乏持續(xù)學習和更新技術(shù)知識的意識，導致技術(shù)在不斷更新，而教學人員的技能卻相對滯后。

3 職業(yè)院校虛擬仿真實訓環(huán)境建設(shè)優(yōu)化策略

3.1 整合教學設(shè)備資源，避免資源閑置

面對虛擬仿真實訓設(shè)備閑置的問題，要多措并舉。首先，職業(yè)院校可以聯(lián)合進行虛擬仿真實訓環(huán)境的規(guī)劃建設(shè)，統(tǒng)一采購設(shè)備和資源，避免實訓實驗室的重復建設(shè)；其次，在建設(shè)虛擬仿真實訓環(huán)境時，需要考慮設(shè)備的合理布局，以便能夠更好地利用設(shè)備資源。可以將設(shè)備按照功能和用途進行分類，然后根據(jù)使用頻率和重要性進行布局，確保設(shè)備能夠滿足教學需求，同時避免浪費和閑置；最后，要積極建立共享平臺，讓各個職業(yè)院校都可以共享虛擬仿真實訓環(huán)境資源和設(shè)備，提高實訓室的利用效率的同時，有效降低成本支出。同時，借助共享平臺實現(xiàn)技術(shù)交流和資源共享，促進職業(yè)院校之間的合作與發(fā)展。

3.2 整合行業(yè)需求，拓展教學深度

在虛擬仿真實訓教學中，要不斷整合行業(yè)、企業(yè)，拓展教學內(nèi)容的深度。通過定期更新虛擬仿真實訓環(huán)境的內(nèi)容，保持與行業(yè)發(fā)展的同步。同時，要加強與相關(guān)行業(yè)、企業(yè)的合作，積極引入最新的專業(yè)技能和知識，確保實訓內(nèi)容的實用性和前瞻性，保持與行業(yè)需求的緊密掛鉤；其次，要根據(jù)不同專業(yè)和職業(yè)領(lǐng)域的需求，設(shè)計多樣化、創(chuàng)新性，并且與專業(yè)課程緊密聯(lián)系的實訓項目，項目要涵蓋實際工作中可能遇到的各種場景和問題。通過設(shè)計各種不同的實訓項目，讓學生體驗不同的職業(yè)場景和工作任務，提高學生的學習興趣和參與度，培養(yǎng)他們的綜合素質(zhì)和職業(yè)技能；最后，在設(shè)計實訓內(nèi)容時，注重知識的深度和難度，以挑戰(zhàn)性的方式引導學生思考和創(chuàng)新。通過設(shè)置復雜的問題和任務，培養(yǎng)學生的分析能力、解決實際問題的能力。同時，可以根據(jù)學生的實際能力和水平，設(shè)計不同難度的實訓任務，讓每個學生都能夠在自己的能力范圍內(nèi)得到挑戰(zhàn)和提升。

3.3 加強教學人員隊伍建設(shè)，提高教學人員綜合素質(zhì)

職業(yè)院校在推進虛擬仿真實訓教學的過程中，也不能忽視學學人員隊伍建設(shè)。要定期組織教學人員的技能培訓，提高他們的技術(shù)知識和技能水平。培訓內(nèi)容可以包括虛擬仿真實訓系統(tǒng)的操作技巧、技術(shù)更新和應用案例等。通過培訓，教學人員可以更好地掌握虛擬仿真實訓環(huán)境的技術(shù)操作和方法，提高教學效果；其次，要建立技術(shù)支持團隊，為教學人員提供及時的技術(shù)支持和指導。當教學人員在操作過程中遇到問題時，可以快速得到解決，從而提高教學效率和質(zhì)量。同時，支持團隊可以定期對虛擬仿真實訓環(huán)境進行維護和更新，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能；最后，要加強與行業(yè)企業(yè)或者其他高校的合作，建立技術(shù)交流與合作機制，共享技術(shù)和經(jīng)驗資源。通過合作，教學人員可以了解最新的技術(shù)發(fā)展和應用情況，學習到更多的技術(shù)知識和操作方法，提高自身的技術(shù)水平和綜合素質(zhì)。

4 虛擬仿真服務器部署

4.1 局域網(wǎng)方式部署

虛擬仿真實訓實驗室由局域網(wǎng)中多個工作站和服務器組成，使用時需要將虛擬仿真軟件和資源安裝在本地服務器上，形成局域網(wǎng)方式部署，也就是本地部署。由于仿真軟件耗費硬件和網(wǎng)絡資源的情況不同，服務器的性能要求也不同，這也就造成了資金投入的不可控。仿真軟件要求高并發(fā)和高運算性能的服務器，這也意味著整個虛擬仿真實訓實驗室的投入成本直線攀升。局域網(wǎng)部署方式雖然有建設(shè)周期短、部署靈活的優(yōu)勢，但是也存在虛擬仿真資源單一，硬件環(huán)境無法多專業(yè)共享，擴展難度大，形成信息孤島等諸多問題。

客戶端學生機訪問速度由局域網(wǎng)速度決定，這就要求局域網(wǎng)規(guī)劃合理，網(wǎng)絡交換設(shè)備性能優(yōu)良。所以，在實際使用過程中，需要配備專業(yè)的管理人員對服務器進行日常安全維護、系統(tǒng)升級、用戶管理，這無形中增加了實訓室的運營管理成本。如果虛擬仿真實驗室日常管理不到位，可能會導致仿真實驗室無法長期持續(xù)正常運行，造成硬件設(shè)備形同虛設(shè)、閑置浪費，或者無法真正發(fā)揮虛擬仿真的教學功能。

4.2 統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺

虛擬仿真實訓實驗室由局域網(wǎng)中多個工作站和遠程統(tǒng)一數(shù)字化平臺服務器組成，如圖1所示。虛擬仿真軟件和資源安裝在遠程統(tǒng)一數(shù)字化平臺服務器上。服務器由第三方公司運營管理，提供專業(yè)的軟件管理和硬件管理，包括網(wǎng)絡安全監(jiān)控、虛擬仿真軟件維護升級、用戶認證鑒權(quán)、虛擬仿真教學資源共享等。

圖1 虛擬仿真實訓實驗室

統(tǒng)一數(shù)字化采用高性能服務器，實現(xiàn)分布式部署，數(shù)字化平臺則采用云化微服務化部署。服務器性能可隨業(yè)務增加而動態(tài)擴展，分布式計算可以滿足虛擬仿真的巨大算力需求，使仿真教學效果不受影響。客戶端學生機訪問速度受學校公網(wǎng)出口帶寬影響，服務器支持多專業(yè)虛擬仿真資源，安全有保障，易于擴展，利于打破信息孤島[4]。

4.3 本地服務器與統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺

結(jié)合對于成熟度高、無特殊專業(yè)要求的虛擬仿真資源，可以選用第三方提供的虛擬仿真服務器和資源，對于一些小眾的或需要結(jié)合學科教學特點自行開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)，可選擇本地服務器運行。此方案支持多專業(yè)虛擬仿真資源，易于擴展，成本較高。

5 建設(shè)統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺

統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺的建設(shè)，可以有效解決虛擬仿真實訓室重復建設(shè)，減少設(shè)備資金投入。使用統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺可以改造利用原有的計算機機房，完成多學科虛擬仿真實訓環(huán)境建設(shè)。不但可以減少計算機機房重復建設(shè)，也可以減少設(shè)備閑置浪費。

5.1 統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺建設(shè)

要建設(shè)全國范圍統(tǒng)一的職業(yè)院校虛擬仿真數(shù)字化平臺。平臺需要具有涵蓋學校管理、虛擬仿真實驗室、虛擬仿真資源建設(shè)、練習與考試、過程評價、教學管理等功能模塊。管理者支付平臺管理費用后[5]，注冊成功后，就可以開啟平臺的使用。

管理者在平臺上可以建設(shè)院系、專業(yè)、班級等教學單位，導入學生信息。同時，可以進行教學資源的購買或者教學資源的開發(fā)，進行自主資源開發(fā)時，通過將已有資源上傳平臺，服務教學。自主開發(fā)的教學資源可以通過設(shè)置共享或私有的方式自主決定使用者的范圍。管理者在教學正式開始前，需要在平臺中選擇課程所需仿真教學資源，再將仿真資源發(fā)布到班級。如此學生可以通過終端進行仿真實驗，實驗結(jié)束系統(tǒng)自動給出評分結(jié)果及指導意見。

同時，學生在籍期間也可以免費使用平臺的海量資源，學生可以在平臺上自主搜索選擇適配的資源，而平臺可以根據(jù)學科方向自動建立虛擬仿真資源學習鏈，學生可以按照此學習鏈進行循序漸進的仿真實訓實驗。

5.2 統(tǒng)一虛擬仿真教學資源庫建設(shè)

在虛擬仿真實訓教學統(tǒng)一數(shù)字化平臺建設(shè)過程中，一定離不開資源庫的建設(shè)，在資源庫的建設(shè)中，要明確虛擬仿真教學資源庫的建設(shè)目標，包括要覆蓋的學科、提供的教學資源類型、服務于的學生層次等。根據(jù)建設(shè)目標，制定詳細的建設(shè)規(guī)劃，規(guī)劃要涵蓋資源庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計、資源分類、資源收集與制作、技術(shù)實現(xiàn)等方面。根據(jù)規(guī)劃建一個能夠整合存儲、搜索、管理等功能的虛擬仿真教學資源庫的平臺。

虛擬仿真教學資源庫通常包括標準庫、私有庫和共享庫，由平臺運營商統(tǒng)一完成各類學科虛擬仿真資源標準庫建設(shè)，標準庫里涵蓋著一些常態(tài)化的資源。高職院校可以通過補充仿真教學資源建設(shè)獨屬于自己院校的私有庫，私有庫是院校資源個性化的體現(xiàn)，僅限自己院校使用。而共享庫中的資源是對平臺所有用戶可見，平臺運營商、職業(yè)院校和教學人員個體都可以向共享庫推送虛擬仿真教學資源，平臺根據(jù)評分標準對上傳的資源進行評級，按照級別和資源數(shù)量給予上傳者積分獎勵。當資源共享被其他院校使用后，就可以獲得額外積分。

需要注意的是，對于虛擬仿真教學資源庫的使用情況要定期檢查，定期收集用戶反饋，及時進行改進和更新，確保資源庫的質(zhì)量的同時，也要保證其內(nèi)容的實用性。

6 總結(jié)

通過建立區(qū)域范圍內(nèi)統(tǒng)一虛擬仿真實訓教學數(shù)字化平臺，旨在統(tǒng)一虛擬仿真資源標準，提高硬件設(shè)備和資源利用率，減少資源浪費。同時實現(xiàn)虛擬仿真設(shè)備和資源專業(yè)化管理，安全有保障、資源更專業(yè)，打破信息數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)高職院校虛擬仿真實訓教學數(shù)字化轉(zhuǎn)型。