運用虛擬化教學平臺技術搭建技能型人才培訓應用系統

李長速，董勝利

(1.蘭州石化職業技術學院電子電氣工程系，蘭州730060;2.黑龍江工程學院土木與建筑工程學院，哈爾濱150050)

延續了數千年的口授手傳的技能教學方法時至今日仍然是技能型人才培養的重要方法，而緊隨教學技術與工具的不斷發展，當今已進入信息化技術在教學領域擴大應用的旺盛時期。信息化技術在教學中首先拓展了教學的時間和空間的廣度，進而使學生吸納知識與技能的途徑更加多元化、個性化。而通過虛擬化教學平臺的搭建，將會給學生提供一個實踐操作的預覽環境，在重復正確預置體驗訓練后，再將其掌握技能應用于真實操作中。這將給技能型人才培訓方法提供一個更加有效的手段。

1 虛擬化教學平臺建模

1.1 虛擬化教學平臺構建的基礎

虛擬化教學已在航天、航空、危險作業、軍事訓練等技能操作培訓領域得到了成熟的應用。但鑒于其專業化程度高，應用領域特定，需要借助大量設備和裝置來對應實現。因此在普通的培訓條件下，普及程度還遠遠不夠。而在信息化技術飛速發展的今天，一些原來只供專門領域特定的虛擬化教學，亦可利用運算能力日益強大的計算機硬件和遍布范圍廣泛的Internet網絡，以及日益普及的數碼終端產品、跨平臺的軟件編程語言和健壯通用的SQL標準數據庫來組建虛擬化教學平臺，進而結合技能型人才培訓的特定要求，形成一套技能型人才培訓的應用系統。

1.2 虛擬化教學平臺架構模型

如圖1所示虛擬化教學平臺的基本架構，模型是以服務端為中心和多個客戶端為分支構成［1］，整個系統分為三個層面:教師層面 (Teacher Side)、通訊界面 (Communication Interface)、學生層面 (Student Side)。

教師層面為服務端 SEVER，真人實時教學(Live real-time Teaching)，提供真人教師實時的教學授課服務;知識檢索庫 (Knowledge Search Library)，提供各種教學知識庫關鍵字及分類和模糊查詢;人工智能模式識別 (Artificial Intelligence Pattern Recognition)，提供高級的人機交互操作，通過人工智能技術及教學庫來輔助學生的實踐操作;以及其他的擴展接口 (Extended Interface)，預留擴展功能以適應各種定制平臺的應用。教師端的服務形成了虛擬化教學平臺的中心。

在學生層面，可有1～n個客戶節點，形成客戶請求的1～n個客戶端CLIENT。學生層面提供了豐富的學習體驗應用，基于字符的請求 (Character-based search request)，可適用于學生通過在線檢索查詢來自多個老師的知識經驗庫，實時文字交互通訊;視頻、語音交互界面 (Video，Voice Interface)，對應于真實教師講課進行音視頻的實時交互，達到在真實課堂的雙工教學模式效果;多維空間對象操控界面 (Multidimensional object manipulation interface)，借助監視器、定位器等設備將2D輸入轉換為3D數據，教師端提供相應反饋和展示;其他擴展 (Extended Interface)，預留擴展功能與教師端進行對應擴展。

通訊界面 (Communication Interface)為實現教師層面和學生層面的通訊連接，通過以串行數據線［2］或網絡的形式構成的通訊鏈路實現以下功能，知識請求 (Knowledge request)、知識供給 (Knowledge supply)、感應交互 (Induction interaction)。

圖1 虛擬化教學平臺架構圖Fig.1 The virtual teaching platform architecture

2 雙工交互虛擬教學核心

2.1 信息獲取與傳遞

所謂“雙工交互虛擬教學”是指通過具備雙工通訊能力的通訊線路進行實時的信息化交互教學活動。信息的獲取可通過基于字符的信息傳遞方法、含有圖表的富文本的獲取、語音的獲取、視頻圖像的獲取。如圖2所示，虛擬教學平臺處理核心通過信息獲取設備及裝置來實現基于文字、圖片富文本、語音視頻以及多維空間對象的交互與操控;又通過信息展示與傳達設備及裝置進行信息的輸出與反饋，它們可以是字符輸出監視器、電子白板、語音輸出裝置、大屏投影裝置、設備虛擬實境裝置等。經過虛擬教學平臺處理的所有信息都會存儲到教學平臺數據庫中，并可隨時供客戶端進行SQL標準語言檢索。

2.2 3D多維空間對象操控

圖2 虛擬化教學數據流示意Fig.2 Data stream indicating the virtual teaching

實現3D多維空間對象操控是虛擬化教學平臺的核心，而多維空間對象操控的實質是對3維坐標的數據處理。教學平臺從客戶端獲得3維xyz操控坐標信息，并將3維信息通過轉換，顯示在2維坐標的監視中。在客戶端，用戶通過2維坐標拾取設備通過時序先傳遞2D平面坐標信息，再傳遞第3維坐標信息，這樣就可通過2維設備來虛擬3維空間。這樣的設計可以廣泛的適用各種2D輸入設備，如鍵盤數字輸入、鍵盤方向鍵輸入、鼠標，屏幕觸控，光筆等2D輸入。坐標轉換的原理示意如圖3所示。

3 虛擬教學平臺網絡布局

虛擬教學平臺的通訊界面可為具備雙工即雙向同步通信的數據通道。最簡單的以班級為單位的節點可以采用通信電纜進行設計，而如果規模擴大則應采用網絡進行通訊。在數據量和響應速度要求高時可采用局域網絡，在地域要求廣泛條件下宜采用Internet網絡，在客戶端位置不斷移動變化時可采用無線網絡環境，亦可根據需求進行優化組合。

圖3 3D多維空間對象操控坐標轉換示意Fig.3 Coordinate transformation of 3D multidimensional object manipulation

虛擬教學平臺網絡拓撲圖是一個樹形結構［3］，如圖4所示。在這個結構中，最小的單元為班級，而班級中是由一個教師端和n個學生端構成，n個班級歸并到1個院系，n個院系歸并到一個學校，通過Internet網絡將n個學校連接成為一個地域范圍極廣的虛擬教學平臺網絡。

圖4 虛擬化教學平臺網絡拓撲圖Fig.4 Network topology of virtual teaching platform

4 虛擬教學平臺搭建

4.1 采用B/S結構

搭建虛擬教學平臺，首先要確定該系統所采用的系統結構，可以采用的結構有C/S結構和B/S結構，而優先選用B/S結構。這是因為，隨著服務器處理能力的不斷加強和網絡速度的提高，通過Browser客戶瀏覽器與Server服務端構成的系統的響應速度得以明顯提高，B/S的免客戶端維護特性可以得到充分應用。虛擬化教學平臺是以教師端為服務端的系統，客戶端是數以百計千計的學生端，當服務器端系統進行升級或修改后，客戶端立即獲得最新的版本，這為迅速部署系統應用提供了最佳的方案。

4.2 系統跨平臺特性

虛擬教學平臺所采用的系統應能實現跨平臺的特性，由于客戶端所采用終端模塊各異，因此到達客戶端的前臺代碼要符合W3C規范，按照此規范的所編寫的代碼不但能很好的兼容各種web瀏覽器，也可適應各種硬件終端的要求，這樣參與學習的學生終端可以是PC機、智能手機、機頂盒等各種不同的硬件設備。

而在服務器端，可采用具備跨平臺特性的計算機語言進行服務程序的編寫。Java是一種跨平臺的，面向對象的，可移植的語言，因此符合虛擬教學平臺跨平臺的特性，一次編寫代碼，并可在流行的Windows系統、Unix系統上進行搭建服務端平臺。跨平臺的適應性可充分利用現有服務器設備的性能，達到較小的投入和快速應用的效果。

5 應用與實踐

5.1 技能型人才培訓對虛擬教學平臺應用的需求

本文所述的虛擬教學平臺能夠較好地適應技能型人才培訓對虛擬教學平臺應用的需求。技能型人才培訓所需要的平臺環境主要對實時環境、容錯與健壯性［4］、可擴展與定制等指標提出了響應需求。技能型人才培訓對教學平臺中的實施環境有較高的要求，當學生通過定位器操作指向響應的3維坐標后，系統應在小于50ms的范圍內做到及時反饋，使學生獲得當前定位坐標數據，操作過程與預定標準的比對是否符合規定值域。在容錯與健壯性方面，應可寬限度接受來自終端的請求，當請求超限時，能夠調出預定容錯代碼，進行容錯處理，而不至于使系統進入崩潰或停止響應。在可擴展與定制指標中，系統應能具備擴展接口，本系統在模型架構設計時就把擴展接口作為系統架構的一個重要指標。

5.2 通過虛擬教學平臺針對技能型人才培訓而構建的應用系統

虛擬教學平臺是一個通用的信息化計算機輔助教學系統。為了能更好地符合技能型人才培訓應用的需求，需要針對專門的技能型人才培訓定制相應的模板庫。比如在電氣類技能型教學中，可以將電氣類的實驗器具進行虛擬實境的制作，將各種預定參數和標準值錄入系統，將電氣實驗器具模板庫加載到系統中。學生可在設定好的虛擬環境中進行無限次的重復練習。而在土木專業的測量實訓中，可以將水準儀、經緯儀、全站儀等測量儀器的實訓內容制作為虛擬實境項目，加載到系統中，學生可以在監視器前完成基本的、規范的虛擬操作，為外業實際操作打下良好的基礎。

6 結束語

本文介紹了運用虛擬化教學平臺技術搭建技能型人才培訓應用系統的幾個關鍵技術。通過對虛擬化教學平臺的架構、雙工交互虛擬教學核心、網絡布局以及平臺搭建的簡述確立了該系統的框架，為技能型人才培訓應用系統的實現提供了一個高效能的參考方案。

［1］王曉東.計算機算法設計與分析［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［2］Denver Allen.Serial Communications in Win32［M］.Seattle:Microsoft Corporation，1995.

［3］Alsuwaiyel M H.Algorithms Design Techniques and Analysis［M］.Singapore:World Scientific，1999.

［4］董勝利.基于精簡系統下的E500與PC數據通訊可重用穩固算法的實現［J］.黑龍江工程學院學報，2006(1):39－57.