云計算背景下的虛擬實現技術在高校中的應用

歐躍發,黃春迪

（1.梧州職業學院，廣西梧州 543002；2.桂林市秀峰區教育局，廣西桂林 541004 ）

引言

在今天高校教育網絡化建設發展的過程當中，受到各高校地理位置、師資、資金投入、網絡傳輸速度、服務器的數據處理能力等諸多因素的影響，導致教育網絡化建設的平臺不能滿足當今師生學習的需要，師資、信息和資源無法有效共享等問題。這些問題成了教育信息化發展的瓶頸。因此，我們亟待尋求一種新的技術來解決這些問題。正是在這種需求背景下，誕生了一種新的網絡計算模型——云計算。它的出現，將會使用戶以桌面為核心，轉移到以Web為核心，特別是云計算結合虛擬實現技術，將會給我們的教育帶來全新的革命。

一 云計算與虛擬實現技術概述

“云計算”實際上是一種基于互聯網的超級計算模式，在遠程的數據庫里，成千上萬臺計算機和服務器連接成一片計算機云，它通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，使得高校數據中心的運行將更與互聯網相似。

虛擬現實技術是近年來出現的高新技術、也稱人工環境或靈境技術。虛擬現實是利用計算機技術模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、無限制地觀察三維空間內的事物。虛擬實現借助3D技術，來構建真實的現實生活場景，它可以是某一現實世界的真實實現，也可以是虛擬構想成的虛擬世界，人在虛擬現實環境中可以獲得與在自然環境中相同的感受，真實體驗視覺、聽覺、觸覺及智能感知的直觀、自然的效果。虛擬現實技術所具有的沉浸性、交互性、構想性的特點突出了形象思維和邏輯思維的結合，認知和感知的并用，使其應用于教育可以彌補現有網絡教育體態語交互和親身體驗等缺陷，還可以解決教育資金投入不足的問題和幫助學生理解所學的專業技術理論，并可以讓學生通過虛擬實現技術進行一些現實中難以展開的實驗。

二 高校教學發展現狀

教學基礎設施和軟、硬件資源及師資等是教學工作展開的基礎，目前國內高校的教學現狀歸納起來主要表現在以下幾方面。

（一）教學投入不平衡

部屬、知名高校等院校社會影響力大，國家比較重視投入較多，又加之一些慈善企業家捐贈，資金投入多，因此擁有更多、更優質、更先進的教學資源，比如師資力量強，實驗、實訓設備齊全且先進。相反大部分地方高校以及部分民辦高校，由于辦學歷史不長，或者地域分布在經濟欠發達的地區，又加之社會影響力有限。資金投入相對不足，進而造成師資的培訓和各方面建設的投入不足，師資水平較低，實驗實訓設備陳舊且缺乏，跟不上新技術更新的步伐。以上情況，說明這兩類院校的教學資源和師資存在很大差距，使得教學水平的差距進一步拉大，進而導致了教育不公平的現狀日益嚴重。

（二）教師、教學資源分布不均衡、共享程度低

當前高校基本都是一個教師對一個班級上課，一個學校的教師都是只對本校的學生授課，本校的教學資源只供本校學生使用，更有同一學校的不同院系的教學資源和師資都不共用。導致大部分資源不共享和資源的閑置，造成資源投入的浪費。

近些年來隨著高校網絡教學和遠程教育的發展，以及部分高校的合并和聯合辦學，使得部分資源在不同區域、不同院校之間得以一定程度和一定范圍內的共享，但由于高校區域分布的不平衡，以及部分資源（如先進的實驗室和硬件資源等）本身就難以共享與整合，使得資源整體共享率依然很有限。

三 云計算背景下的虛擬實現技術在高校教學中的應用

虛擬實現和云計算技術，是近幾年IT技術發展的熱點。虛擬實現技術已經為用戶節約了大量成本的投入，提升了高校資源的運營效率，更重要的是下一代的云計算數據中心和生活中實際場景的模擬也將基于虛擬化來進行構建與支撐。而新技術的出現總是首先應用在教育領域，接下來我將談談基于云計算技術背景下虛擬實現技術在未來教育領域的應用方向：

(一)高校數據中心的虛擬實現

高校的數據中心通過服務器虛擬化、構建虛擬化、應用虛擬化等，不但可解決各種資源利用率和辦公效率的問題，以及教育資金缺乏等問題，同時也賦予了高校教學管理更大的靈活性和先進性。

虛擬實現技術可以幫助高校數據中心減少教學服務器數量、優化教學資源配置并簡化教學資源管理。隨著新一輪云計算技術的發展和應用以及全球IT技術的發展趨勢，利用虛擬化服務實現高校動態 IT基礎設施環境，進一步改善現有的數據中心架構和管理模式，實現教學面向服務、面向應用、面向大眾化、面向綠色安全的數據中心，將是未來教育發展的方向。為實現綠色IT、降低“碳排”，對數據中心的服務器實施監控，有計劃地淘汰高能耗、低效率的舊式服務器，對不受管理或低利用率的服務器進行重新虛擬實現。以使院校內各部門、各院系減少服務器采購的數量，優化資源利用率，并同時使得這些部門網站的信息安全得到較為徹底的改善，這更適應高校擴招及信息化教學持續擴張的需求，同時也大大降低了關鍵應用災難備份所需的服務器采購數量與維護成本，從而大大節約了教學資金的投入。

（二）教師的虛擬實現

云計算時代的虛擬教師被定義為：計算機借助3D技術生成的三維虛擬學習環境中，能夠模擬真實教師的形象及動作表情、模擬真實教師的教學功能的技術實體。虛擬教師有以下幾個特點：有自身的幾何模型；可以與整個云計算環境交互，感知并影響云計算環境；虛擬教師的行為可以由計算機程序控制，也可以由現實生活中的真實人控制，虛擬教師與學生之間可以通過自然的方式，如自然語言、體態語等進行交流。虛擬教師借助人體建模技術、運動生成與控制技術、手勢識別技術、人體姿態識別技術、語言識別技術、面部表情識別和生成技術產生具有表情豐富、動作生動、行為逼真的仿真場景，可以極大地增強學生在線學習的興趣和效果。特別是這些虛擬教師，不但可以承擔某些課程的教學工作，還可以對學生的學習過程進行全方位的跟蹤指導，能利用紅外線和虹膜技術自動評估不同學生的學習能力，以及學生的知識掌握程度，根據評估的情況可以對學生進行輔導和學習方法引導，還可以對不同學生的學習情況給予提供適合的課程學習與建議。虛擬教師可以利用不同的教學工具和不同的授課方法，對不同的學生采取不同的教學和輔導方法，此外，還可以給學生布置課外作業，并對作業進行批改與評分。

學生在這種虛擬教師的教學下，不管家庭貧困與富有，都可以享受到每一學科領域的一流教師授課，還可以向學術界最具權威的專家和教授請教，享受最有效，最科學的教學方法。虛擬教師在教學活動過程中，不再是定位于某個課堂，某個學校，某個地區，而是一種全球化的教學活動，真正實現了全球化的師資在云計算下的聚集與共享。

（三）教室的虛擬實現

什么是虛擬教室？簡單的說，就是網絡上的教室，即數字教室，它能實現模擬、仿真傳統課堂教學。有了虛擬教室，就可以開展遠程教學，可以突破時間、地點、人員、場地的限制。它是一個能媲美“傳統課堂教學”的網上課堂 。在當前云計算背景下虛擬教室主要有以下特色：

（1）投入少，方便使用，即租即用：

只需要根據開設課程的情況、學生人數、授課時間，在第三方服務商提供的教學平臺上租賃即可。不需要新增任何硬件和軟件，不需要投入大筆資金，就能夠擁有“高效的、簡單的、可靠的、安全的”虛擬教室，同時利用先進的加密算法，還能保證您課程的信息安全和知識產權。

（2）教師授課特色：

虛擬教室不再受授課時間、地點的限制，可以不受學生打擾，可以同時兼顧所有學生的學習進度，可以充分的根據自己的教學經驗，盡情講解。而且針對不同地點的多個班級，只需要講解一次，這樣可以騰出更多的時間用于同學生交流、答疑，最終達到傳道授業解惑的教學目的。

（3）學生學習特色：

學生自主安排學習，不受時間、地點限制，甚至是進度的限制，可以根據自己的學習情況，進行安排。可以多次反復聽講，直到自己完全理解掌握為止 ，而這在實際傳統的教學中，這是不可能做得到的，而且還可以隨時暫停，進行同步練習和實踐，這是IT時代學習知識的最佳方式，真正做到：“耳、眼、手”三位一體學習，把獲取知識和練習實踐合二為一，從而大大的提高了學生的學習興趣和質量。

（四）實驗實訓的虛擬實現

在云計算時代背景下，借助虛擬實現的實驗、實訓可以模擬真實逼真的實驗場景，讓學生足不出戶便可參與各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解，特別是虛擬實驗避免了真實實驗或操作所帶來的各種危險，以前對于危險的以及對人體有害的實驗，一般采用電視錄像的方式來取代實驗，學生無法直接參與實驗，而利用虛擬實現技術，則可以避免這些麻煩，學生可以放心的去做各種危險的或危害身體健康的實驗了。例如，虛擬的化學實驗，可以避免化學反應所產生的燃燒、爆炸所帶來的危險；虛擬的外科手術，可避免由于學生操作失誤，而造成“病人”死亡的醫療事故；虛擬的飛機駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。利用虛擬現實技術，可以打破空間的限制。小至原子粒子，大到宇宙天體，我們都可以進入這些物體的內部進行觀察。虛擬技術還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生觀察。例如，生物中的孟德爾遺傳定律，用果蠅做實驗往往要幾個月的時間，而虛擬技術在幾分鐘內就可以實現。而對于實驗實訓內容的變更及現實生活和工作的實際，可以通過修改仿真軟件系統的參數來實現，所以十分方便和靈活，從而大大減少了教育經費的投入，改善了教學條件不足的現狀。

此外，虛擬實驗和實訓，它借助3D虛擬仿真系統，可以讓不同的學生在同一虛擬實驗實訓中會有不同的經歷和感受，也就是他們可以對同一個實驗的仿真情況進行不同的分析，可以得出不同的結果，這就為學生探索式學習、探索式研究、交互式學習提供了前提條件，真正達到了創新人才培養的目的。

（五）校園的虛擬實現

眾所周知，校園文化底蘊，學習氛圍等對人類教育的影響及其作用是深遠的。教師、校友、圖書館、教室、課堂，實驗樓等等，校園的一草一花，每一次活動無不潛移默化地影響著我們求學的每一個人，伴隨著我們成長。從中得到的教益從某種程度來說，遠遠超出書本所給予我們的。網絡教育的特點，虛擬現實技術的特點，決定了我們可以仿真我們的校園環境，可以模擬具有任何學習氛圍和教學設備的數字化校園。在未來云時代背景下，實際物理意義上的校園已經完全由3D虛擬實現技術通過網絡公司和教學軟件虛擬實現了，它具有完整的科學的電子教學方法，具有大容量的電子圖書館，具有暢通的寬帶網絡，具有豐富的虛擬社區生活場景，具有能夠深刻影響人們的文化氛圍環境，具有便捷的入學和畢業手續，具有公正的科學的不限時的考試體制等。這必將對我們的未來的學習與生活產生巨大的影響。

四 結語

云計算背景下的虛擬實現技術在高校教學中的應用，當數據中心采用云計算服務時，不論采用公有云還是私有云，其相應的工作模式處理數據的時候，都存在如阻斷服務、網絡安全等很多問題，特別是目前不安全不成熟的云管理系統，其相應的資料中心容易受到黑客的攻擊，像錯綜復雜的租用關系可能帶來新的網絡威脅。特別是云計算與虛擬實現技術的復雜結合，使得資源共享、數據集成、網絡安全、虛擬仿真效果、經濟成本、適用性等方面遇到很多難以解決的問題，這些都是需要我們新一代技術人員和專家的深入研究來解決。可喜的是，目前很多專家、很多企業花費巨資至力于云計算和虛擬實現技術的研究，相信在不久的將來云計算和虛擬實現技術遇到的上述問題會有較大的改善，這必將為未來的教育事業帶來全新的革命。

中國國家級人才工程“萬人計劃”

作為中國國家級人才工程，“萬人計劃”和“千人計劃”一樣，由中央人才工作協調小組統一領導，中組部牽頭，中宣部、教育部、科技部、人力資源社會保障部等共同實施。2012年9月，“萬人計劃”正式啟動實施。這一計劃準備用10年左右時間，遴選支持1萬名自然科學、工程技術、哲學社會科學和高等教育領域的高層次人才。中央人才工作協調小組辦公室負責人介紹，該計劃不鋪新攤子，不設新項目，主要是對國家人才發展規劃相關重大人才工程進行整合打包，從國家層面提供特殊支持，形成與“千人計劃”同等地位的國家人才工程。

該計劃包括3個層次7類人才。第一層次100名，為具有沖擊諾貝爾獎、成長為世界級科學家潛力的杰出人才。第二層次8000名，為國家科技和產業發展急需緊缺的領軍人才，包括科技創新領軍人才、科技創業領軍人才、哲學社會科學領軍人才、教學名師、百千萬工程領軍人才。第三層次2000名，為35歲以下具有較大發展潛力的青年拔尖人才。對“萬人計劃”入選對象，在有關部門和單位原有支持的基礎上，國家再給予直接特殊支持、提供特殊條件，形成集成效應。

在經費支持方面。中國為科技創新領軍人才、哲學社會科學領軍人才、百千萬工程領軍人才、教學名師安排每人約100萬元用于自主選題研究、人才培養和團隊建設等。地方和用人單位還可配套給予適當支持。 中央人才工作協調小組辦公室負責人表示，這與平時的課題申報、評審不同，入選者可以瞄準自己專注的領域開展自主研究，把他們從繁瑣的項目申報、評估中解脫出來。