云教育平臺虛擬實驗室構(gòu)建

張新朝 李夢雪

摘 要：為使學(xué)生自主設(shè)置實驗條件、節(jié)約實習(xí)經(jīng)費，結(jié)合云教育平臺和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提出一種新穎的虛擬實驗室環(huán)境構(gòu)建方法。首先，利用云計算技術(shù)搭建云教育數(shù)據(jù)中心，并配置應(yīng)用程序和用戶終端服務(wù);其次，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室場景，主要包括虛擬教師人物、虛擬儀器設(shè)備和虛擬實驗工具;然后，將虛擬機實驗室資源轉(zhuǎn)化為云服務(wù)資源，同時整合云教育平臺的優(yōu)勢;最后，學(xué)生通過云終端進入虛擬實驗環(huán)境。測試結(jié)果表明，基于云教育平臺構(gòu)建的虛擬實驗室具有較高的使用價值。

關(guān)鍵詞：云教育平臺;虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬實驗室;教育環(huán)境;資源整合

DOI：10. 11907/rjdk. 182631

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）006-0151-03

Abstract：In order to enable students to set experimental conditions and reduce internship funds， this paper proposes a novel virtual laboratory environment based on cloud education platform and virtual reality technology. First， the cloud computing technology is used to build a cloud education data center， and applications and user terminal services are configured. Secondly， virtual lab scenarios which mainly include virtual teacher characters， virtual instruments and virtual experiment tools are created through virtual reality technology. Then the virtual machine lab resources are transformed into cloud service resources， while the advantages of the cloud education platform are integrated. Finally， students are set in a virtual lab environment by the cloud terminal. The test results show that the virtual laboratory built on the cloud education platform has high use value.

Key Words：cloud education platform;virtual reality;virtual laboratory;educational environment;resource integration

0 引言

虛擬實驗室是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）和網(wǎng)頁技術(shù)建構(gòu)的開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，可將現(xiàn)有多種教學(xué)和實驗設(shè)備及實驗室數(shù)字化、虛擬化[1]。近年來，國外虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用常見表現(xiàn)形式主要有以多媒體技術(shù)為主的交互式虛擬實驗室、以增強現(xiàn)實技術(shù)為主的3D虛擬實驗室、以3D打印技術(shù)為主的綜合設(shè)計實驗室和以遙現(xiàn)技術(shù)為主的運程協(xié)同實驗室等，其特點主要表現(xiàn)在可移動性、即時性、共享性和遠(yuǎn)程控制等方面[2]。與此同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實訓(xùn)平臺教育資源也逐漸受到我國教育界人士的青睞，但目前國內(nèi)投入運營的虛擬仿真實訓(xùn)平臺屈指可數(shù)[3]。

虛擬教學(xué)方法在國內(nèi)外教學(xué)中均改善了教學(xué)效果，但在具體應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題，如部分學(xué)校計算機設(shè)備老舊，網(wǎng)絡(luò)資源匱乏，虛擬平臺運行速度較慢;推廣速度、覆蓋院校范圍不盡如人意;虛擬仿真實訓(xùn)平臺使用頻率較低，平臺資源沒有得到充分利用。本文通過引入云計算技術(shù)手段，對解決上述問題提供一條新思路，以期推廣虛擬仿真實訓(xùn)平臺在實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

1 需求分析

因受更新成本、地域經(jīng)濟發(fā)展、運維水平等因素約束，教育資源使用效率與逐年遞增的更新成本的矛盾日益突出。重視課堂理論教學(xué)，忽視成本高、難度與質(zhì)量彈性較大的實踐教學(xué)已成趨勢，這與競爭激烈的市場經(jīng)濟所需的創(chuàng)新、實踐能力要求逐步提高的人才發(fā)展方向背道而馳?；谠朴嬎憬逃脚_的虛擬實驗室研究，要求將云計算低成本運維、高性能、可伸縮的服務(wù)定制、穩(wěn)定高效等優(yōu)勢與教育資源信息化原則有機結(jié)合[4-6]。裝備一間標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)實驗室時，搭建標(biāo)準(zhǔn)機房和云計算虛擬實驗室費用見表1。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與云教育平臺結(jié)合是一種嘗試性的技術(shù)創(chuàng)新，目標(biāo)是實現(xiàn)低成本、高效率、高可用性和便捷性。低成本在于云教育平臺客戶端的更新、維護成本低;高效率表現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實大量三維實時數(shù)據(jù)的處理來自于云計算超高計算能力的運作[2];高可用性則是云教育平臺構(gòu)建的容錯技術(shù)和負(fù)載均衡可有力支持用戶數(shù)據(jù)安全與穩(wěn)定;便捷性則充分體現(xiàn)了云計算無所不在，提供瀏覽器的各種設(shè)備如智能手機、平板電腦等，均可借助云教育平臺的支持，獲得對虛擬實驗室實時、交互性訪問。以上特性為偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村與經(jīng)濟欠發(fā)展、教育失衡地區(qū)的遠(yuǎn)程教育提供了符合教材要求的實驗環(huán)境[6-7]。

2 研究內(nèi)容

本文研究內(nèi)容為采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建一個PC機組裝、維護與維修的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，作為云教育平臺的應(yīng)用實例[8]。在該虛擬場景中，可實現(xiàn)實驗教學(xué)資源共享、實驗原理和操作動態(tài)演示、沉浸式PC機組裝、維護與維修元器件（包括工具使用）的仿真操作、實驗教學(xué)管理、教師在線實驗答疑等主要功能[9-10]。然而，在形成貼近實際環(huán)境，具有實時、流暢自然的交互操作時，需要計算機提供高性能的計算能力、大容量的存儲空間及穩(wěn)定、安全地處理海量數(shù)據(jù)的能力，在現(xiàn)有計算環(huán)境中無法實現(xiàn)低成本、高效率、高可用運作。具備高性能、高可用的計算環(huán)境、大容量存儲、低成本客戶端運行與維護、可伸縮與擴展的服務(wù)提供等特征的云計算教育平臺，為實現(xiàn)虛擬實驗室全三維、高交互提供了較為理想的解決方案。虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

文中選擇PC機組裝、維護與維修虛擬實驗室作為研究對象。其中，設(shè)計由虛擬人物引導(dǎo)，完整模擬PC機拆裝、測試、維護與維修的板卡級操作與數(shù)據(jù)處理，并能對實現(xiàn)操作對象給予貼近自然的交互性操作。以往由于大量三維數(shù)據(jù)的處理依賴于單臺計算機軟、硬件的局限，從而導(dǎo)致 VR 技術(shù)構(gòu)建的三維實時性交互場景難以流暢實現(xiàn)[11]。同時，采用多臺高性能計算機組建集群受限于網(wǎng)絡(luò)帶寬，難以完成低成本、高效率、貼近自然交互的虛擬場景目標(biāo)。云計算教育平臺以低成本、高效率、易用、易維護、需求可伸縮的原則，對上述VR技術(shù)中出現(xiàn)的眾多難以解決的問題給予了較為理想的支持。如云數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)提供了多臺虛擬機組建超高性能資源池，充分保障了處理三維海量數(shù)據(jù)的實時性;再者，虛擬現(xiàn)實技術(shù)描述虛擬場景生成的計算力全部來自于云計算教育平臺，云終端用戶VR場景設(shè)計、實施與本地設(shè)備性能高低關(guān)系不大，從而使獲得三維實時場景交互變得簡單易行[12-13]。因此，在研究采用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室系統(tǒng)的各種方案基礎(chǔ)上，包括系統(tǒng)架構(gòu)模式、實現(xiàn)方法和技術(shù)路線，綜合比較后確定案例實驗室構(gòu)建將基于云教育平臺，采用3DS Max、Maya等建模工具及Virtools整合工具實現(xiàn)。具體實現(xiàn)內(nèi)容見圖2。

首先，構(gòu)建云計算教育平臺數(shù)據(jù)中心，為虛擬實驗室全三維、高交互、低成本運維提供良好的實現(xiàn)平臺;其次，構(gòu)建虛擬實驗室場景中的虛擬教師人物、儀器、必備的實驗工具等模型，并為實時交互操作提供合理的分層方案（例如設(shè)備組裝、部件維修均需分層表現(xiàn)細(xì)節(jié)部分）;第三，在低成本的云終端上實現(xiàn)基于RDP或PCoIP協(xié)議的虛擬桌面、高性能云服務(wù)應(yīng)用，并進行海量數(shù)據(jù)的集群存儲等技術(shù)開發(fā)與實現(xiàn);最后，整合云計算教育平臺的優(yōu)勢及虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)提供的特色內(nèi)涵，建立實用的PC機組裝、維護與維修網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。部分關(guān)鍵技術(shù)與需要注意的問題說明如下：

（1）層次化建模表現(xiàn)虛擬儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其各零部件是成功實現(xiàn)PC機組裝、維護與維修的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中樹形層次結(jié)構(gòu)作為參考構(gòu)架，可實現(xiàn)部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)清晰化、組裝規(guī)范化、維修可控化和部件模型修改靈活性等優(yōu)勢，為今后交互控制腳本中代碼編寫與維護打下良好基礎(chǔ)[14]。另外，建立適應(yīng)發(fā)展需要的部件庫是必不可少的。

（2）設(shè)計一名女性教師，可在實驗室場景中漫游，引導(dǎo)學(xué)生開展虛擬實驗。在3DS Max設(shè)計環(huán)境中將臉部形狀進行UV坐標(biāo)圖像展開后，轉(zhuǎn)到Photoshop中進行臉部和衣物的繪制以構(gòu)建虛擬人物;利用角色工作室設(shè)置骨骼動畫，表情動畫可選擇通過 Maya工具軟件實現(xiàn);虛擬人物導(dǎo)入到虛擬場景的工作則由Virtools軟件工具實現(xiàn)[15]。因此，需要為場景中的每個物體創(chuàng)建合理的材質(zhì)。利用貼圖烘培、次世代圖形圖像技術(shù)對材質(zhì)信息進行優(yōu)化與簡化，如何導(dǎo)入到虛擬開發(fā)平臺中獲得優(yōu)異表現(xiàn)是虛擬場景材質(zhì)構(gòu)建中需要注意的重要問題之一。

（3）虛擬實驗室場景的交互設(shè)計實現(xiàn)需要完成4個內(nèi)容：①動作交互，即需要對不同的虛擬部件提供旋轉(zhuǎn)方向、壓力大小、正負(fù)極區(qū)別與選擇等模擬動作，而這些行為必須與實際操作過程中的相關(guān)內(nèi)容一致;②視角交互，主要表現(xiàn)在模擬設(shè)備故障定位時采用溫控法獲取目標(biāo)，實現(xiàn)的難點在于如何將在虛擬環(huán)境中表現(xiàn)的溫度控制特征與現(xiàn)實生活中的表現(xiàn)統(tǒng)一。若將虛擬操作順序、操作錯誤、得分及操作時耗作為評定手段，必然涉及到數(shù)據(jù)管理工作[14，16-17];③同時，軟件安裝、維護與維修能力評定等在虛擬場景中的實時數(shù)據(jù)表現(xiàn)也是需要重點解決的問題;④實驗設(shè)計交互，目的在于用戶可自由選擇實驗種類，依據(jù)性能指標(biāo)完成對應(yīng)板卡選擇和軟、硬件性能測試等方案的設(shè)計，讓虛擬實驗室成為一個極佳的測試平臺。在上述復(fù)雜的交互過程中，參數(shù)優(yōu)化、部件超頻等操作將是研究中不可避免的問題。

3 技術(shù)路線

目前虛擬實驗室的開發(fā)技術(shù)主要包括：VRML技術(shù)、X3D技術(shù)、Flash技術(shù)、Viewpoint技術(shù)、Cult 3D技術(shù)、Java技術(shù)和Virtools技術(shù)。主流3D建模軟件如3DS Max、Maya等均配有專用導(dǎo)出插件，完全支持動作數(shù)據(jù)處理和3D角色控制，自身也提供腳本語言支持，從而能快速簡潔地生成豐富、對話式的3D作品等優(yōu)點[18-20]。因此，本文擬采用Virtools技術(shù)構(gòu)建基于云教育平臺的PC機組裝、維護與維修虛擬實驗室，云教育平臺基礎(chǔ)架構(gòu)采用VMware公司提供的ESX Sphere云操作系統(tǒng)。技術(shù)路線總體框架如圖3所示。

為構(gòu)建虛擬實驗室的各種PC機及眾多如板、卡、部件、外設(shè)等設(shè)備模型，必須在建模前分清儀器設(shè)備可控部件與固定不變部件。對于固定部分，在建模時可作為一個整體使用;對于可控部分，則需單獨建模從而有利于交互對象的選擇和交互事件的添加。由于需要展示PC機內(nèi)部結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)故障定位、診斷與維修功能，需構(gòu)建虛擬設(shè)備內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)，虛擬儀器通常由成百上千個零部件組成，各個零部件之間存在一定的主從關(guān)系[21-22]。

在虛擬實驗中，虛擬角色可以是教師、學(xué)生或教學(xué)員工，用戶可把這些角色作為指導(dǎo)教師或自己的化身，與虛擬角色進行情感交流，使軟件更加人性化、更貼近現(xiàn)實。其次，實驗場景設(shè)計需解決布局及實驗設(shè)備擺放問題，基本原則是真實美觀、方便實驗對象操作和實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)。構(gòu)建的實驗室環(huán)境應(yīng)包括實驗室房間、試驗臺、黑板、投影儀、打印機、壁櫥、空調(diào)、座椅、壁報等。

采用Virtools作為基于云教育平臺下三維虛擬實驗室的開發(fā)平臺，開發(fā)流程可分模型構(gòu)建階段、模型導(dǎo)入階段、內(nèi)容開發(fā)階段、體驗測試階段等4個階段。系統(tǒng)具體開發(fā)過程采用Autodesk公司提供的3DS Max 2009構(gòu)建虛擬實驗室模型，結(jié)合Photoshop軟件修改和創(chuàng)建模型貼圖素材，并導(dǎo)入到Virtools開發(fā)平臺中[23]。通過Virtools強大的實時渲染引擎和云教育平臺提供的高性能計算、負(fù)載均衡和高可用性，同時，利用其完善的交互引擎BB模塊和VSL編程，模擬實驗操作全部過程并進行數(shù)據(jù)采集和處理，其結(jié)果通過網(wǎng)頁形式發(fā)布并利用三維設(shè)備輸出。

4 結(jié)語

本文將云計算技術(shù)引入虛擬實驗室構(gòu)建中，消除了傳統(tǒng)虛擬實驗室計算力度、存儲空間、終端運行、維護成本與應(yīng)用可伸縮性等多方面的瓶頸問題，擴大了虛擬實驗室應(yīng)用范圍，同時也為今后該種模式建立規(guī)范的評測標(biāo)準(zhǔn)和可擴展軟件的設(shè)計提供參照?？梢灶A(yù)見，虛擬實驗環(huán)境在教育行業(yè)的應(yīng)用也將呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等. 虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)原則與標(biāo)準(zhǔn)[J].？實驗技術(shù)與管理，2017（5）：8-10.

[2] 劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等. 虛擬仿真教學(xué)資源開放共享策略探索[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（12）：137-141+145.

[3] 姜學(xué)智，李忠華. 國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2014，23（2）：238-240.

[4] 李洪亮，李想，崔浩龍，等. 基于虛擬仿真教學(xué)平臺的云計算技術(shù)實驗教學(xué)[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016，33（11）：125-129.

[5] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤. 高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源開放共享機制探究[J]. 實驗室研究與探索，2015，34（2）：140-144，201.

[6] 孫青，艾明晶，曹慶華. MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)研究[J]. 實驗技術(shù)與管理，2014（8）：192-195+214.

[7] 劉鑫. 基于云教育平臺下移動學(xué)習(xí)活動的過程模型構(gòu)建[J]. 信息與電腦：理論版，2017（9）：234-236.

[8] 王強. 移動智能教育平臺在職業(yè)教育中的應(yīng)用[J]. 自動化與儀器儀表，2016（11）：145-146.

[9] 叢丹丹. 高校云教育平臺專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（17）：223-224 .

[10] 王華. 云教育平臺在實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 電腦知識與技術(shù)，2016，12（30）：53-154.

[11] 董堅峰，肖麗艷. 基于移動云的教育信息資源共享機制研究[J]. 電腦與電信，2017（Z1）：13-16.

[12] 劉世偉，田世鵬，甘濤，等. 虛擬實驗室的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（9）：82-83.

[13] 劉志廣，張明旭，張永策，等. 滴定分析虛擬實驗室的構(gòu)建模式與方法的研究和探索[J].計算機與應(yīng)用化學(xué)，2016，33（4）：485-490.

[14] 高圓，席生岐，孫巧艷，等. 虛擬仿真技術(shù)在材料實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2016（5）：94-98.

[15] 王開宇，李安琪，馬馳，等. 基于仿真技術(shù)的數(shù)字電路3D虛擬實驗室的設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34（2）：11-15.

[16] 高義棟，閆秀敏，李欣. 沉浸式虛擬現(xiàn)實場館的設(shè)計與實現(xiàn)——以高校思想政治理論課實踐教學(xué)中紅色VR展館開發(fā)為例[J]. 電化教育研究，2017，38（12）：85.

[17] 王立新，錢揚義，李言萍，等. 手持技術(shù)支持下概念學(xué)習(xí)的“多重轉(zhuǎn)化、比較建構(gòu)”認(rèn)知模型——以“溫室效應(yīng)”概念學(xué)習(xí)為例[J]. 電化教育研究，2017，38（10）：128.

[18] 趙一鳴，郝建江，王海燕，等. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用研究演進的可視化分析[J]. 電化教育研究，2016（12）：26-33.

[19] 高媛，劉德建，黃真真，等. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進學(xué)習(xí)的核心要素及其挑戰(zhàn)[J]. 電化教育研究，2016（10）：77-87.

[20] 王開宇. 基于C#的數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控上位機軟件設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2017（10）：62-64.

[21] 蔣德志，姚文龍，張均東. Unity3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機艙資源管理模擬器開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 中國航海，2015，38（3）：13-17.

[22] 牛慶麗，薛煥唐，黃海林. 基于Unity3D的黃河風(fēng)景名勝區(qū)虛擬漫游的實現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)，2015，11（20）：149-151+154.

[23] 孫建剛，崔利富，王振，等. 藏族民居砌體材料物理力學(xué)性能試驗研究[J]. 大連民族學(xué)院學(xué)報，2015（1）：61-64.

（責(zé)任編輯：江 艷）