虛擬仿真教育資源云共享平臺(tái)的構(gòu)建及應(yīng)用

萬(wàn)晨 朱宗曉

摘要：文章從論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輔助教育教學(xué)方面的應(yīng)用入手，分析虛擬仿真系統(tǒng)在建設(shè)、使用和管理中存在的諸多問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題提出了一種新穎的虛擬仿真教育資源云共享平臺(tái)。深入探討了平臺(tái)的建設(shè)意義和建設(shè)目標(biāo)。設(shè)計(jì)了平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)和功能，并對(duì)該平臺(tái)在基于虛擬樣機(jī)的微縮智能車自動(dòng)駕駛仿真實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)該平臺(tái)在云端實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)資源統(tǒng)一部署和統(tǒng)一管理，提高了資源的利用率，促進(jìn)了教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的革新，推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，為高校虛擬仿真一流課程的建設(shè)起到支撐作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；教育資源；云共享

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-3044（2023）13-0123-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱為VR 技術(shù)，是當(dāng)前新興的融合信息、藝術(shù)與科學(xué)等多學(xué)科于一身的綜合性技術(shù)[1]，通過(guò)VR 技術(shù)能構(gòu)造出與真實(shí)世界具有相同視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)感受的虛擬世界，突破時(shí)間、空間和其他條件的限制，讓用戶在虛擬世界中產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)[2-3]。VR技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性、智能化的特征，將其應(yīng)用于教育領(lǐng)域，能有效豐富和完善現(xiàn)有教學(xué)手段，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)校的整體教學(xué)質(zhì)量。在《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018—2022年）》《教育部關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》等文件的指導(dǎo)下，我國(guó)高校加快推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，深入研究將VR技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)[4-6]、實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7-8]、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[9]、非正式學(xué)習(xí)空間[10-11]、新工科[12-13]、新文科[14-15]及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)等方面。由此可見(jiàn)，VR已成為輔助高校教育教學(xué)的重要技術(shù)手段，并在拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸教學(xué)時(shí)間和空間，探索自主式、合作式、探究式的教學(xué)模式，打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[16]。

雖然VR技術(shù)在教學(xué)方式、學(xué)習(xí)技術(shù)和學(xué)習(xí)環(huán)境等方面帶給人們?nèi)碌捏w驗(yàn)，但是虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)、使用和管理仍然存在諸多問(wèn)題，例如虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)布局沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃；系統(tǒng)間的集成和資源共享程度低；已建系統(tǒng)使用的軟件和硬件環(huán)境各不相同，用戶安裝和使用難度大；系統(tǒng)缺乏教學(xué)過(guò)程、教學(xué)效果的評(píng)價(jià)功能；軟件硬件維護(hù)人才的儲(chǔ)備不足等[17]，導(dǎo)致虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中功能和作用無(wú)法得到充分發(fā)揮。如何借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云渲染等新興技術(shù)向上融合已有虛擬仿真系統(tǒng)，壓縮系統(tǒng)管理和維護(hù)成本，向下整合計(jì)算能力，最大程度發(fā)揮虛擬仿真系統(tǒng)的作用，已成為當(dāng)前亟須解決的問(wèn)題。

1 虛擬仿真教育資源云共享平臺(tái)建設(shè)的意義

建設(shè)虛擬仿真教育資源云共享平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”） ，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(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)接入接口，提高資源的利用率，進(jìn)一步推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，促進(jìn)教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式的革新，對(duì)提升高校教育質(zhì)量具有較大意義。具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

1.1 降低虛擬仿真系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本

經(jīng)過(guò)多年的積累，高校建立了大量的虛擬仿真系統(tǒng)，但是目前仍然以分散式建設(shè)模式為主，不同時(shí)期建設(shè)的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)引擎和系統(tǒng)架構(gòu)各不相同，加之系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)服務(wù)器及終端硬件要求較高，有的甚至需要配置專門的計(jì)算機(jī)圖形工作站，使得系統(tǒng)升級(jí)困難、維護(hù)工作量大、難以統(tǒng)一管理。平臺(tái)能兼容不同開(kāi)發(fā)引擎和軟件架構(gòu)，為已建系統(tǒng)和待建系統(tǒng)提供統(tǒng)一的接入接口和資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真資源的統(tǒng)一部署、集中管理，同時(shí)將虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用到的海量存儲(chǔ)、高性能計(jì)算和圖形渲染等服務(wù)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(tǒng)維護(hù)成本高、擴(kuò)展性差的問(wèn)題。

1.2 集中管理虛擬仿真資源，優(yōu)化資源的開(kāi)放與共享

高校已建設(shè)的各類虛擬仿真資源比較豐富。但在資源的整合、開(kāi)放與共享上還存在一些問(wèn)題，主要包括：虛擬仿真資源的種類眾多、數(shù)量眾多、但資源存儲(chǔ)格式不一；各系統(tǒng)平臺(tái)間以各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求為準(zhǔn)，使得不同系統(tǒng)間對(duì)接、集成、資源共享困難；云平臺(tái)能通過(guò)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的接口，便捷地將已有虛擬仿真資源和應(yīng)用上傳至云端，所有資源在線使用統(tǒng)一管理，并根據(jù)學(xué)校要求及各類資源的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分類整合，實(shí)現(xiàn)資源的開(kāi)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(shè)奠定基礎(chǔ)

平臺(tái)支持SR、VR、AR等多種形式的高精度內(nèi)容，支持電腦、手機(jī)、平板、全息、大屏、VR/AR眼鏡等終端，能將以前分散建設(shè)的不同虛擬仿真系統(tǒng)整合于一個(gè)平臺(tái)中，使各系統(tǒng)形成相互支撐和互為補(bǔ)充的整體，構(gòu)建一套完整的虛擬仿真實(shí)踐和教學(xué)課程支撐體系。教師可基于平臺(tái)構(gòu)建高度仿真、內(nèi)容可視化、超強(qiáng)沉浸感的虛擬教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，有效補(bǔ)充傳統(tǒng)教育形式不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和想象空間，為學(xué)生帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，為虛擬仿真一流課程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1.4 打通教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建教育虛擬仿真生態(tài)系統(tǒng)

平臺(tái)支持多種開(kāi)發(fā)引擎，能將虛擬課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬學(xué)習(xí)空間、虛擬非學(xué)習(xí)空間等各種孤立的虛擬仿真系統(tǒng)和資源集成管理，并通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)與虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，構(gòu)建集教學(xué)環(huán)境、學(xué)習(xí)過(guò)程支持、教育評(píng)價(jià)、高校服務(wù)與管理等方面于一體的教育虛擬仿真生態(tài)系統(tǒng)。

2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)目的是通過(guò)利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的融合，將所有虛擬仿真教育資源運(yùn)行在云端，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教育資源的整合、重構(gòu)、組織和管理，以此提升虛擬仿真教育資源的復(fù)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(tǒng)一部署、統(tǒng)一管理的云端平臺(tái)。

2.1 平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示，平臺(tái)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)接收用戶的服務(wù)請(qǐng)求，動(dòng)態(tài)調(diào)度云渲染服務(wù)和云存儲(chǔ)服務(wù)器協(xié)同工作，通過(guò)云端計(jì)算資源渲染，將高質(zhì)量的虛擬仿真資源實(shí)時(shí)推送各類終端，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地任意終端的在線訪問(wèn)，降低對(duì)終端硬件的配置、系統(tǒng)等差異化要求。平臺(tái)兼容Unity3D、Unreal、OSG等引擎，通過(guò)統(tǒng)一的接口接入校內(nèi)的虛擬仿真系統(tǒng)：如虛擬仿真直播課、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬學(xué)習(xí)空間、虛擬非學(xué)習(xí)空間、云智慧教室等，并通過(guò)學(xué)校數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)API接口獲取學(xué)工系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)、人事系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，完成訪問(wèn)平臺(tái)用戶的身份驗(yàn)證，并能將老師、學(xué)生、課程數(shù)據(jù)及操作行為數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

2.2 平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要功能包括：用戶權(quán)限管理、虛擬仿真資源管理、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成共享管理、開(kāi)發(fā)者管理、 虛擬仿真資源使用統(tǒng)計(jì)與分析等。用戶權(quán)限管理功能主要包括：用戶管理、角色管理、權(quán)限管理等，根據(jù)學(xué)校的組織架構(gòu)數(shù)據(jù)和人員數(shù)據(jù)，將在校師生用戶數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，并根據(jù)不同的用戶角色及預(yù)設(shè)定的規(guī)則，自動(dòng)給用戶分配相應(yīng)的系統(tǒng)權(quán)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(fā)布、權(quán)限分配及資源下架，支持虛擬仿真資源的搜索、共享及統(tǒng)一管理，最大化地提高資源的復(fù)用效率。業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成共享管理功能：通過(guò)數(shù)據(jù)API接口獲取教師、學(xué)生、課程等數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)能存儲(chǔ)虛擬仿真資源操作的行為數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析提供數(shù)據(jù)支撐。開(kāi)發(fā)者管理功能：為開(kāi)發(fā)者分配開(kāi)發(fā)權(quán)限，讓其有效調(diào)用平臺(tái)提供的API接口和SDK，滿足用戶多元化的開(kāi)發(fā)需求。虛擬仿真資源使用統(tǒng)計(jì)與分析：對(duì)平臺(tái)中各虛擬仿真資源統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控和管理、對(duì)用戶操作數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并能生成不同形式的統(tǒng)計(jì)圖表。

3 平臺(tái)在基于虛擬樣機(jī)的微縮智能車自動(dòng)駕駛仿真實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

自動(dòng)化專業(yè)系統(tǒng)仿真課程在講授虛擬仿真樣機(jī)與應(yīng)用、智能系統(tǒng)仿真等章節(jié)時(shí)，往往只能用圖片、視頻和動(dòng)畫進(jìn)行展示，無(wú)法讓學(xué)生真正體會(huì)虛擬樣機(jī)的強(qiáng)大功能。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生理解工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從數(shù)字仿真、物理仿真到實(shí)物仿真的三級(jí)仿真體系，實(shí)驗(yàn)課程參照第十四屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽官方的賽道和規(guī)則，基于unity3D引擎自主提出、自主設(shè)計(jì)、自主開(kāi)發(fā)了微縮智能車自動(dòng)駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，軟件包含六個(gè)不同難度賽道，實(shí)現(xiàn)了集仿真系統(tǒng)、算法平臺(tái)、交互式學(xué)習(xí)網(wǎng)站三位一體的課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境技術(shù)框架如圖2所示，其中仿真系統(tǒng)主要是基于unity3D引擎開(kāi)發(fā)了微縮智能車自動(dòng)駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物理微縮智能車比賽場(chǎng)景1：1地放到了仿真環(huán)境中。算法平臺(tái)主要是基于深度學(xué)習(xí)的端到端自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)算法平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及用于深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練及識(shí)別[18]。交互式學(xué)習(xí)網(wǎng)站主要包括：實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、思考題管理、成績(jī)管理等。本課程虛擬仿真系統(tǒng)最初是以單機(jī)模式上線，需要學(xué)生自主下載，而系統(tǒng)所占空間大，對(duì)電腦配置要求較高，因此使用較低配置電腦的學(xué)生無(wú)法順利完成本課程的學(xué)習(xí)，同時(shí)在系統(tǒng)迭代升級(jí)后，難以及時(shí)共享給學(xué)生，不利于課程的開(kāi)展，需對(duì)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境的技術(shù)框架進(jìn)行優(yōu)化。

三位一體實(shí)驗(yàn)環(huán)境技術(shù)框架

3.1 云端共享虛擬仿真教學(xué)資源，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間

將課程的虛擬仿真教學(xué)資源集成至云端的虛擬仿真教育資源共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)課程虛擬仿真系統(tǒng)從單機(jī)、單任務(wù)系統(tǒng)向線上多終端系統(tǒng)的B/S架構(gòu)進(jìn)化，通過(guò)云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云渲染以及交互式視頻流等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真內(nèi)容的云端采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、渲染和管理，建設(shè)為線上可訪問(wèn)的微縮智能車自動(dòng)駕駛虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室，提高了系統(tǒng)的交互性，學(xué)生可通過(guò)手機(jī)、iPad、電腦等多種類終端開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程，無(wú)須下載仿真軟件，提高了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)便性，打破時(shí)間和空間的限制，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性和創(chuàng)造力。在平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)課程的虛擬仿真系統(tǒng)統(tǒng)一管理、發(fā)布及升級(jí)更新，從根本上解決了課程的虛擬仿真資源共享難、系統(tǒng)體驗(yàn)差、系統(tǒng)維護(hù)及管理不便等問(wèn)題，云端微縮智能車自動(dòng)駕駛仿真系統(tǒng)如圖3所示。

3.2 云重塑虛擬仿真教學(xué)模式，探索在線教學(xué)新實(shí)踐

平臺(tái)將微縮智能車自動(dòng)駕駛仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)空間從以課堂為主向線上線下結(jié)合轉(zhuǎn)變，采用新的教學(xué)模式打破了時(shí)空限制，提高了學(xué)習(xí)效率，滿足了不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，同時(shí)結(jié)合課程在線學(xué)習(xí)的需求，將本課程三位一體的課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境，延伸為集仿真系統(tǒng)、算法平臺(tái)、交互式學(xué)習(xí)網(wǎng)站、在線課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站、在線算法源碼學(xué)習(xí)網(wǎng)站五位一體的在線學(xué)習(xí)環(huán)境，如圖4所示，搭建起聯(lián)通課前、課中、課后的泛在式智能型在線學(xué)習(xí)環(huán)境，教學(xué)方式從以教為主向以學(xué)為主轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了教學(xué)效果，能滿足不同層次、選修過(guò)不同課程學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，形成了以網(wǎng)上教學(xué)為主的教育資源拓展和教育形式的創(chuàng)新，探索了在線教學(xué)的新實(shí)踐。

4 總結(jié)

虛擬仿真教育資源云共享平臺(tái)有效地將虛擬仿真技術(shù)、教師、學(xué)生和虛擬仿真資源融合在一起，延伸教學(xué)的時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，為啟發(fā)式、互動(dòng)式和探究式教學(xué)提供技術(shù)支撐。微縮智能車自動(dòng)駕駛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件可基于本平臺(tái)提供的API接口和SDK進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，不斷豐富和完善系統(tǒng)的功能，切實(shí)解決課程中“教”與“學(xué)”的難題，體現(xiàn)了平臺(tái)對(duì)高校建設(shè)虛擬仿真一流課程的支撐作用。

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【通聯(lián)編輯：梁書】