分布式MOOC虛擬實驗平臺構建研究

摘? 要 我國MOOC虛擬實驗平臺的薄弱現(xiàn)狀已成為影響和制約MOOC實驗教學發(fā)展的瓶頸之一，加強MOOC虛擬實驗平臺建設是現(xiàn)實的迫切需要。分布式MOOC虛擬實驗平臺以其突出的靈活性、經(jīng)濟性和適用性，應作為當前教育信息化建設的重點領域予以支持和加強。從分布式MOOC虛擬實驗平臺的功能模塊、系統(tǒng)架構和技術工具三個方面，對其構建問題進行詳細探討和分析。

關鍵詞 教育信息化;MOOC實驗教學;分布式MOOC虛擬實驗平臺;Virtools;VRML;LabVIEW;Java 3D

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）20-0027-04

Study on Construction of Distributed Virtual Experiment Plat-forms for MOOCs//XIE Shaoping

Abstract The weak present situation of virtual experiment platforms for MOOCs has become the one of bottlenecks that influence and restrict the development of experiment instruction of MOOCs， and?it is the urgent realistic needs to strengthen the building of virtual?experiment platforms for MOOCs. The distributed virtual experi-ment platforms for MOOCs should be as the important field of edu-cation informatization building to support and strengthen for their outstanding flexibility， economy and applicability. This paper dis-cusses and analyzes in detail the construction problems of distributedvirtual experiment platforms for MOOCs with their functional mo-dules， system architecture and technical tools.

Key words education informatization; experiment instruction of?MOOCs; distributed virtual experiment platforms for MOOCs; Vir-tools; VRML; LabVIEW; Java 3D

0? 引言

鑒于我國MOOC實驗教學的薄弱現(xiàn)狀和虛擬實驗的優(yōu)勢，大力發(fā)展虛擬實驗是改變MOOC實驗教學薄弱現(xiàn)狀的必經(jīng)之路[1]。MOOC虛擬實驗平臺作為開展MOOC虛擬實驗教學的重要載體，在其中發(fā)揮著關鍵作用。然而我國還比較缺乏專門的MOOC虛擬實驗平臺，這已經(jīng)成為影響和制約我國MOOC實驗教學發(fā)展的瓶頸之一。雖然許多高校開發(fā)了一些小型的虛擬實驗平臺，但這些虛擬實驗平臺還存在實驗資源單一、共享性弱（服務對象一般僅局限于本校師生）、各自為政和重復建設等問題[2]。如何把這些虛擬實驗平臺的資源進行優(yōu)化整合和MOOC化升級改造，這是MOOC虛擬實驗平臺建設的一個重要方向。

通過構建分布式MOOC虛擬實驗平臺，既可以把已有的虛擬實驗平臺的資源實現(xiàn)優(yōu)化整合和MOOC化升級改造，也可以根據(jù)實際需要開發(fā)新的虛擬實驗項目和虛擬實驗資源，從而實現(xiàn)全方位的MOOC虛擬實驗教學功能，具有非常強的靈活性、經(jīng)濟性和適用性。本文試對分布式MOOC虛擬實驗平臺的構建問題進行探討，以期為推動和促進我國MOOC實驗教學發(fā)揮積極的作用。

1? 分布式MOOC虛擬實驗平臺功能模塊

分布式MOOC虛擬實驗平臺的功能模塊由管理模塊、實驗模塊、交流模塊、教學模塊和接口模塊組成，具體結構如圖1所示。

1.1? 管理模塊

1.1.1? 用戶管理? 用戶管理子模塊負責用戶的身份識別和權限管理。平臺的用戶共有四種類型，即學習者、教師、游客和管理者，分別對應不同的操作權限。學習者可以操作虛擬實驗儀器，測量和處理實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告，觀看實驗教學視頻，接受教師指導，與其他學習者進行協(xié)作交流等。教師可以發(fā)布實驗講義和實驗教學視頻，開展同步或異步實驗教學，對學習者進行指導和答疑等。游客可以瀏覽課程講義和課件，觀看實驗教學視頻等，但一般不能進行實驗操作。管理者負責虛擬實驗資源管理和更新、平臺的安全運行維護和技術升級等。分布式MOOC虛擬實驗平臺用戶數(shù)量多、分布范圍廣，他們的身份信息數(shù)據(jù)一般存儲在主服務器中。

1.1.2? 實驗資源管理? 分布式MOOC虛擬實驗平臺的實驗資源主要包括實驗課程資源（講義、課件等）、虛擬儀器、虛擬實驗軟件、虛擬機、實驗測評系統(tǒng)和教學視頻資源等。實驗資源的管理包括對實驗課程資源的增刪和更新，虛擬儀器和虛擬實驗軟件的升級和維護，虛擬機資源的配置和調度，實驗測評系統(tǒng)的調試和維護，視頻資源的上傳和更新，分布式虛擬實驗資源的協(xié)調、整合和優(yōu)化。實驗資源存儲于分布式實驗服務器中，主要由各協(xié)作單位的實驗教師和管理者負責進行維護和管理。

1.1.3? 教學管理? 教學管理包括實驗課程管理、實驗過程管理和實驗教學評價管理等。實驗課程管理包括實驗課程的創(chuàng)建、修改和發(fā)布，學習者的注冊、名單生成和導出等。實驗過程管理包括實驗預習的組織及測試結果的運用、實驗操作過程的記錄和保存、實驗報告的撰寫和提交。實驗教學評價管理包括實驗成績管理（實驗成績的生成和導出）和實驗報告批閱（人工批閱或自動批閱）。由于分布式MOOC虛擬實驗平臺的資源分布比較分散，因此對其教學管理帶來很大的挑戰(zhàn)。

1.1.4? 平臺數(shù)據(jù)管理? 分布式MOOC虛擬實驗平臺涉及大量的用戶信息、實驗過程和實驗結果、實驗項目、虛擬仿真實驗元件等數(shù)據(jù)，需要通過完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對它們進行高效管理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對平臺的數(shù)據(jù)管理功能包括用戶賬號數(shù)據(jù)管理、實驗數(shù)據(jù)管理、實驗項目和實驗設備數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)回放和實時數(shù)據(jù)發(fā)布等。通過對平臺數(shù)據(jù)的有效管理，達到減少數(shù)據(jù)存儲冗余、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、保障數(shù)據(jù)安全以及高效地處理數(shù)據(jù)的目的。

1.2? 實驗模塊

1.2.1? 實驗預習? 為了保證虛擬實驗的順利開展，學習者在正式開始虛擬實驗操作之前需要對實驗內容進行必要的預習。實驗預習子模塊為學習者提供關于實驗原理、實驗步驟、實驗儀器操作要領等知識的預習和測驗功能。預習方式包括學習實驗講義和課件，觀看實驗教學視頻以及與其他學習者進行交流討論等。平臺通過提供相應的測試題以檢驗學習者的實驗預習效果，學習者根據(jù)這些反饋信息對實驗預習內容及時進行查漏補缺。

1.2.2? 實驗操作? 實驗操作子模塊為學習者提供虛擬實驗儀器的在線操作和控制、實驗現(xiàn)象的觀察和記錄、實驗數(shù)據(jù)的分析和處理、實驗結果的輸出等功能，是平臺的核心子模塊。Web瀏覽器是學習者和虛擬實驗資源進行交互的客戶端軟件。學習者在客戶機端通過Web瀏覽器訪問平臺的分布式虛擬實驗資源，通過鼠標、鍵盤或觸摸屏等實現(xiàn)對遠程虛擬實驗儀器設備的操作和控制：客戶機發(fā)出的實驗操作指令通過網(wǎng)絡傳輸給實驗服務器，實驗服務器接受客戶端發(fā)送的實驗操作指令并對其進行分析、處理和執(zhí)行，最終將分析、處理和執(zhí)行的結果返回給客戶機并顯示。

1.2.3? 實驗數(shù)據(jù)處理? 在學習者進行虛擬實驗操作活動過程中，實驗服務器端的虛擬儀器或虛擬實驗軟件輸出對應的實驗數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)處理子模塊負責對這些實驗數(shù)據(jù)的分析和處理工作，包括對實驗數(shù)據(jù)有效性和準確性的檢驗、實驗數(shù)據(jù)的運算處理、處理結果的保存和輸出等。實驗數(shù)據(jù)的處理過程在實驗服務器端進行，其處理結果的數(shù)據(jù)一般保存在實驗服務器端（可以根據(jù)需要進行共享），對于一些保密性的結果數(shù)據(jù)也可單獨保存在客戶機端。

1.2.4? 實驗測評? 實驗測評子模塊負責對學習者的實驗過程和實驗結果進行測評，并據(jù)此生成實驗成績。實驗過程的測評側重于對學習者的實驗操作規(guī)范性、實驗方案合理性的評價，實驗結果的測評側重于對實驗數(shù)據(jù)處理結果精確性和實驗結論科學性的評價。測評的方式分為自動測評和人工測評?？紤]到平臺的學習者數(shù)量龐大、實驗測評任務量大的特點，主要采用自動測評方式，由服務器端的自動測評軟件完成;人工測評由實驗教師完成，平臺提供相應的技術支持。

1.3? 交流模塊

1.3.1  智能答疑? 智能答疑子模塊為學習者提供關于實驗學習過程中的疑難和困惑問題的智能答疑服務。該子模塊通過自然語言處理技術分析和自動匹配學習者提出的問題，通過搜索引擎技術和文本挖掘技術在答疑知識庫中快速找到問題的答案并把它們推送給學習者。由于分布式MOOC虛擬實驗平臺的實驗項目數(shù)量眾多，學習者面臨的問題也是多種多樣的，因此，答疑知識庫應該盡可能全面覆蓋這些問題的答案。問題—答案匹配的精確性、答疑知識庫的全面性是影響智能答疑效果的關鍵。

1.3.2? 教師輔導? 由于學習者在實驗過程中遇到的問題千差萬別，智能答疑并不能完全滿足學習者的答疑需求，而教師輔導能為學習者提供更專業(yè)、精準的答疑服務，因此，教師輔導是智能答疑的有效補充。教師輔導子模塊通過提供在線聊天室、站內信和論壇等工具，支持教師對學習者的實驗學習和實驗操作進行輔導和答疑。教師輔導的問題和結果又可自動納入智能答疑知識庫中，從而促進教師輔導和智能答疑之間的貫通和協(xié)作。

1.3.3? 學習者交流協(xié)作? 學習者之間的交流協(xié)作對于減少虛擬實驗中的孤獨感、保證實驗學習效果具有很重要的意義，而一些實驗項目也需要多個學習者協(xié)作才能順利完成，因此，平臺需要提供支持學習者交流協(xié)作的功能。該子模塊通過提供群聊、私聊、討論組等方式，支持學習者在實驗前后、實驗過程中隨時進行交流討論;通過相應虛擬實驗軟件和網(wǎng)絡的支持，實現(xiàn)學習者之間的協(xié)作實驗。

1.4? 教學模塊

1.4.1? 異步實驗教學? 為了給學習者提供更全面、深入的支持和幫助，虛擬實驗平臺有必要提供異步和同步實驗教學服務。異步實驗教學即把教師的實驗教學內容預先錄制成視頻并以流媒體格式存儲在實驗服務器端，學習者可以隨時隨地通過在線播放教學視頻進行學習。實驗教學內容主要包括實驗原理和實驗方法的講解、實驗操作的示范演示等。異步實驗教學靈活、方便，是虛擬實驗教學的主要形式。

1.4.2? 同步實驗教學? 同步實驗教學即教師通過網(wǎng)絡直播課堂實時對學習者進行實驗內容的教學。虛擬實驗平臺通過內置的直播插件和交互工具軟件實現(xiàn)同步實驗教學功能，支持一對一、一對多的視音頻互動、文字彈幕、課堂練習和反饋等。同步實驗教學的實時交互性強，教師在教學過程中能實時為學習者答疑解惑，但對網(wǎng)絡環(huán)境、軟硬件性能的要求更高，它是異步實驗教學的有效補充。

1.5? 接口模塊

1.5.1? 虛擬實驗室接口? 虛擬實驗室接口是虛擬實驗室與虛擬實驗平臺之間進行信息交換的樞紐，是分布式MOOC虛擬實驗平臺實現(xiàn)開放式組織體系結構的重要支撐。各高校的眾多虛擬實驗室通過虛擬實驗室接口與虛擬實驗平臺相連，實現(xiàn)虛擬實驗資源的跨平臺、跨校際的共享，從而極大地增強了分布式MOOC虛擬實驗平臺的開放性、共享性和協(xié)作性。

1.5.2? 登錄接口? 登錄接口用于實現(xiàn)用戶登錄設備和虛擬實驗平臺之間的高效連接和匹配，并支持多種登錄方式（包括文本密碼、人臉識別、指紋等）的應用。由于登錄接口與用戶的身份驗證、操作權限密切相關，而且用戶的登錄設備和登錄方式差異很大，因此，可靠的安全性和靈活的適應性是登錄接口的必然要求。

2? 分布式MOOC虛擬實驗平臺的系統(tǒng)架構

由于采用B/S架構的虛擬實驗平臺比較穩(wěn)定，可擴展性好，系統(tǒng)的維護和升級比較方便、快捷[3]，因此，分布式MOOC虛擬實驗平臺采用B/S（Browser/Server）架構?；贐/S架構的分布式MOOC虛擬實驗平臺由主服務器、Web服務器、實驗服務器和客戶機四部分組成，具體如圖2所示。

2.1? 主服務器

主服務器主要負責分布式MOOC虛擬實驗平臺的用戶管理、實驗項目管理和教學管理。在用戶管理方面，主服務器以數(shù)據(jù)庫的形式存儲了所有用戶的身份信息，當用戶訪問平臺時，主服務器對用戶身份進行識別驗證，并根據(jù)用戶類型（學習者、教師、游客或管理者）授予相應的操作權限。在實驗項目管理方面，主服務器對平臺的所有實驗項目進行集中、統(tǒng)一管理，包括實驗項目的發(fā)布和增刪、實驗資源的整合和協(xié)調、實驗內容的修改和優(yōu)化等。主服務器承擔的教學管理任務主要包括實驗課程管理和實驗教學評價管理。

2.2? Web服務器

Web服務器用于建立客戶機、主服務器和實驗服務器之間的網(wǎng)絡連接，從而實現(xiàn)基于Web的數(shù)據(jù)通信和交互服務功能。用戶通過Web瀏覽器訪問虛擬實驗平臺時，從Web服務器端獲取相應的虛擬實驗應用程序和配置文件等。Web服務器根據(jù)用戶的操作請求，將用戶的操作指令發(fā)送給主服務器和實驗服務器，主服務器和實驗服務器將相應的虛擬實驗資源以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給客戶機。用戶通過Web瀏覽器生成動態(tài)網(wǎng)頁的形式獲得對實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)以及實驗操作的顯示與反饋。因此，Web服務器可看作系統(tǒng)中為客戶機、主服務器和實驗服務器提供網(wǎng)絡服務的中介。

2.3? 實驗服務器

實驗服務器提供虛擬實驗資源的應用和管理、虛擬實驗操作和測評等功能。為了最大限度地實現(xiàn)虛擬實驗資源的共享和提高系統(tǒng)的運行效率，實驗服務器采用分布式的結構，即分散在各高校的眾多實驗服務器通過Internet聯(lián)網(wǎng)，由主服務器對它們進行集中的協(xié)調、控制和管理。實驗服務器運用軟件技術創(chuàng)建各種虛擬仿真實驗環(huán)境，根據(jù)客戶機和主服務器發(fā)送的操作請求和指令，模擬產(chǎn)生相對應的實驗現(xiàn)象，輸出對應的實驗數(shù)據(jù)。實驗服務器中設有專門的數(shù)據(jù)庫，用于存儲各種虛擬實驗資源和實驗過程/結果的數(shù)據(jù)。

2.4? 客戶機

客戶機為用戶端的計算機或其他智能終端，其主要應用程序為Web瀏覽器。Web瀏覽器通過可視化操作界面為用戶提供虛擬實驗平臺的各項功能，包括用戶注冊和登錄、實驗教學、實驗操作和交流討論等。由于B/S架構的應用程序均部署在服務器端，客戶機不需要安裝復雜的客戶端軟件，這樣就大大降低了對客戶機的性能要求，也簡化了用戶的操作復雜度;用戶借助于Web瀏覽器、通過Internet即可實現(xiàn)對服務器端各種虛擬實驗資源的訪問，開展相應的虛擬實驗操作或管理維護。

3? 分布式MOOC虛擬實驗平臺的技術工具

分布式MOOC虛擬實驗平臺所應用的技術工具有VRML、Virtools、LabVIEW、Java 3D等虛擬現(xiàn)實建模語言，它們是實現(xiàn)虛擬實驗平臺功能的技術基礎。

3.1? VRML

VRML是一種具有3D建模功能的虛擬現(xiàn)實建模語言，具有豐富的多媒體表現(xiàn)形式、強大的可視化管理和交互的協(xié)同環(huán)境等優(yōu)點。用VRML進行MOOC虛擬實驗平臺的開發(fā)，既可以增強虛擬實驗的操作體驗，又可以很好地實現(xiàn)協(xié)作式的虛擬實驗環(huán)境。VRML在分布式MOOC虛擬實驗平臺應用的基本過程是：首先在實驗服務器端用文本進行3D虛擬實驗場景的創(chuàng)建，然后將這些文本信息數(shù)據(jù)通過Internet傳輸給客戶機，最后在客戶機的瀏覽器中還原生成3D虛擬實驗場景。VRML只需傳輸很少的數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)3D虛擬實驗場景的瀏覽和交互，對網(wǎng)速的要求很低，因此非常適合作為分布式MOOC虛擬實驗平臺的建模語言。

3.2? Virtools

Virtools是一款3D互動程序開發(fā)工具，除了提供基本的行為模塊以外，還提供很多可選模塊，因此具有很強的靈活性和適應性。Virtools以其便捷的人機交互、圖形化的用戶界面、模塊化的技術開發(fā)路線、高效的協(xié)作平臺等優(yōu)勢，廣泛應用于各種虛擬現(xiàn)實的開發(fā)環(huán)境[4]。在分布式MOOC虛擬實驗平臺開發(fā)過程中，用Virtools可以實現(xiàn)對2D或3D虛擬實驗模型以及音視頻等元素的整合，生成具有豐富交互功能的虛擬實驗場景。此外，開發(fā)者還可以選用Virtools自帶的500多種行為模塊或自己編制行為模塊，開發(fā)出類型多樣、功能豐富的虛擬實驗模型以用于各種虛擬實驗場景的創(chuàng)建。

3.3? LabVIEW

LabVIEW是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)工具，通過軟面板來替代傳統(tǒng)的儀器面板，通過操作軟面板來完成信號采集、分析與處理、測量結果的存儲與輸出等傳統(tǒng)儀器的各種功能。用戶可以根據(jù)自己的需要靈活定義虛擬儀器的功能。所構建的虛擬儀器能方便地與網(wǎng)絡、外設及其他應用連接，實現(xiàn)多用戶的數(shù)據(jù)共享[5]。LabVIEW可用于分布式MOOC虛擬實驗平臺的虛擬儀器開發(fā)過程中，開發(fā)人員無須進行煩瑣的程序代碼編寫工作，而是以圖形方式組裝儀器單元模塊和生成虛擬儀器，從而大大降低虛擬儀器開發(fā)的工作強度。開發(fā)好的虛擬儀器程序儲存在實驗服務器中，隨時供學習者進行遠程訪問和實驗操作。

3.4? Java 3D

Java 3D是Java編程語言在3D圖形領域的拓展，可以編寫出基于網(wǎng)頁3D場景的應用程序。Java 3D通過采用3D場景自動消隱、硬件加速等方法，具有很高的運行效率，對3D場景的網(wǎng)絡傳輸速度快、響應時間短、用戶體驗好[6]，還具有良好的跨平臺運行特性。因此，Java 3D比較適用于分布式MOOC虛擬實驗平臺的虛擬實驗場景創(chuàng)建。Java 3D創(chuàng)建虛擬實驗場景一般要經(jīng)過虛擬實驗場景3D建模、動畫設計、交互設計和調試發(fā)布這幾個階段。Java 3D提供了用于創(chuàng)建和操作3D場景的高層次架構，開發(fā)人員利用這些高層次架構可方便、高效地創(chuàng)建3D虛擬實驗場景，以此構成分布式MOOC虛擬實驗平臺的重要虛擬實驗資源。

4? 結語

包括虛擬實驗平臺在內的數(shù)字教育資源建設是教育信息化建設的重要內容之一，對于促進信息技術與教學的深度融合、實現(xiàn)教育教學模式的創(chuàng)新具有重要意義。教育部在2018年頒布的《教育信息化2.0行動計劃》中提出：要以在線開放課程、虛擬仿真實驗教學平臺等建設為抓手，加強大容量智能教學資源建設，加快建設智能實驗室，形成泛在化、智能化的學習體系[7]。分布式MOOC虛擬實驗平臺就屬于一種大容量的智能教學資源類型，具有強大的靈活性、經(jīng)濟性和適用性，能有效支持學習者泛在化、智能化的實驗學習和實驗操作，從而為改變MOOC實驗教學薄弱現(xiàn)狀發(fā)揮積極的作用，因此，應把分布式MOOC虛擬實驗平臺建設作為當前教育信息化建設的重點領域予以支持并不斷加強?！?/p>

參考文獻

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