盧 民 榮
(福建江夏學院會計學院 福建 福州 350108)
基于“互聯網+”虛擬技術的實驗教學平臺研究
盧 民 榮
(福建江夏學院會計學院 福建 福州 350108)
以“互聯網+”、虛擬技術視角,從技術層面搭建“互聯網+”虛擬技術框架,提出虛擬實驗室教學設計,然后使用虛擬化技術設計實驗教學平臺,包括實驗虛擬交互、SPOC云、開放共享等。以校企共建實驗室的理念和學科專業特點,搭建與企業接軌的仿真實驗教學平臺,包括3D仿真財務決策平臺、財務與會計核心課程平臺(含課程實驗、綜合實訓、社會實踐)、實驗室管理平臺等,并以該平臺設計“互聯網+”實驗流程和財務會計相關專業案例分析。通過“互聯網+”虛擬實驗室構建在線教學共同體,并對該共同體進行優化設計,建立優化模型,以提升MOOC學習效率和實踐效果。同時對國內外高校“以職業能力為導向”的教學模式設計進行了應用比較分析。最后總結虛擬實驗室利用率的相關影響。
互聯網+ 虛擬技術 虛擬實驗室 實驗教學平臺 MOOC SPOC
慕課即大規模在線開放課程MOOC(Massive Online Open Course)的核心理念是開放共享知識,可高效地實現優質教育資源的全球共享,是學習方式和方法的突破性創新。目前,主要MOOC提供商以美國為主(Coursera、Udacity、edX);而小規模限制性在線課程SPOC(Small Private Online Course)更加強調“線上線下”相結合的新型教學模式,對實驗教學更有幫助[1-3]。MOOC在我國的發展晚于歐美,2013年我國清華大學加入了由哈佛大學、麻省理工學院聯合發起的大規模開放在線課程平臺edX;2014年教育部在線教育研究中心在清華大學成立;2015年國內學者逐步研究MOOC視頻替代模式、“MOOC視頻+自制視頻”模式、二次開發模式等多種新型教學模式[4-5]。我國教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)中明確提出“要注重信息技術與教育的全面深度融合,實現優質教育資源廣泛共享、推動教育理論變革以及培養具有國際競爭力的創新人才等”[6]。隨著計算機互聯網和移動設備快速發展,“互聯網+”成為國家戰略,以及MOOC和SPOC被我國教育界逐步認可,“互聯網+教育”將成為在線教育的新趨勢。在“互聯網+”時代背景下研究“互聯網+教育”理念及模式,探討“互聯網+”虛擬實驗室的教學模式等可以把封閉的教育資源走向開放,把被動的學習引導到自主學習[7]。
本研究以傳統教學模式轉變到基于互聯網的MOOC教學模式為契機,結合福建江夏學院會計學院實驗教學中心(簡稱“實驗教學中心”)的特點,以“央地共建”研究型實驗平臺為背景,充分利用互聯網的優勢,將“互聯網+”、云計算、SPOC教學模式融入到虛擬實驗教學的開放課程中。通過研究虛擬化理論技術、使用云計算平臺的體系結構和現有高校虛擬實驗室解決方案,提供虛擬化教學服務和提升實驗教學層次。在設計MOOC云平臺中核心理念是實現實驗課程SPOC化和實驗教學虛擬化。SPOC云平臺在成熟的MOOC理論教學基礎上,引入實驗課程教學資源開發,結合互聯網環境、虛擬實驗室技術設計實驗教學環節,提升MOOC的實驗學習效果,推廣虛擬實驗室應用及擴大MOOC課程應用范圍。
在“互聯網+”時代,處理信息數據的核心資源主要在服務器,服務器的資源動態配置能力不僅要實現用戶需求,還要快速響應、方便使用等。通過云計算、大數據等技術將服務器資源整合,配置虛擬化服務器,結合虛擬化軟件,能夠方便地實現實驗環境的部署和統一管理[8]。目前比較流行的桌面虛擬化軟件主要由VMware和Citrix公司提供(微軟公司的Microsoft Windows Thin PC也可以提供類似的服務,但這個軟件只支持Windows 7及以上操作系統且必須取得軟件保障),桌面虛擬化架構如圖1所示。然而,虛擬化軟件在虛擬桌面時需要消耗一定的時間,為此,高校在新學期開始,實驗室就要根據學校實驗教學任務準備好相關的實驗環境(含物理實驗室和虛擬實驗室)。虛擬技術所需要的服務器系政府、高校的貴重設備,基于“互聯網+”虛擬技術的實驗教學平臺研究亦探討了服務器在虛擬實驗室中如何為MOOC課程教學、實踐教學提供更好的服務,以及如何提高其利用率。

圖1 “互聯網+”桌面虛擬化架構
桌面虛擬化與應用虛擬化概念比較接近,前者是以應用領域來劃分的,后者是以實現層次來定義的,而當前應用虛擬化不像桌面虛擬化有比較權威性的定義,Wikipedia[9]是這么定義應用虛擬化的:將應用程序及其依賴軟硬件環境從底層操作系統中包裝出來的軟件技術。其大致原理是將服務器硬件、操作系統、應用軟件及訪問控制等資源整合在云計算平臺中,實現了軟件環境與硬件環境的分離,客戶端不需要安裝應用軟件,在“互聯網+”環境下能獲得更加靈活配置;應用虛擬化軟件針對應用資源進行集中化管理,提供了多用戶遠程訪問。“互聯網+”應用虛擬化訪問過程如圖2所示,當用戶訪問虛擬化的應用時,客戶端將處理需求和交互數據提交到服務器端,服務器端會對每個客戶端進行獨立的處理,并將處理結果回傳到客戶端,讓用戶操作服務端應用程序能夠像本地操作一樣[10]。高校實驗室可以針對不同專業、不同課程的教學需求,利用服務器虛擬化軟件將服務器虛擬成多個教學平臺,互聯網用戶(教師、學生或工程師)可以根據個性化的需求進行配置,形成“互聯網+”教育內容、教育管理、教學平臺等[11]。高校實驗室服務器主要用于實驗教學,較多提供應用服務,從安裝、配置、管理便捷方面考慮,高校實驗室服務器建議安裝Windows服務器操作系統。

圖2 “互聯網+”應用虛擬化訪問過程
虛擬實驗室是基于虛擬原型技術的計算機虛擬實驗室,目前高校在形象化教學中已經初步應用,其虛擬仿真技術越來越普遍;在校企合作模式中虛擬實驗室主要設計為實踐教學中虛擬仿真任務,與MOOC實驗教學結合度還很低[12]。利用硬件虛擬化技術,將虛擬實驗室中服務器的硬件資源抽象成一個擁有巨大計算能力的“云”資源池(或共享池),教師(或工程師)、學生(或社會學習者)可根據學習需求申請、使用、注銷虛擬資源[13-14]。虛擬實驗室中服務器配備的虛擬仿真軟件是虛擬實驗室的靈魂,目前虛擬仿真商業軟件價格不菲,這迫切需要多校多企共建模式和“互聯網+”共享模式的展開,提升虛擬仿真軟件共享度,降低虛擬實驗室的建設成本。虛擬實驗室在改變傳統實驗教學環境的同時,教師的教與學生的學也相應的發生結構性的變化,學生的學習渠道不再是單一高校教師的指導,還有工程師的參與;教師教學范圍也得到很大擴展和挑戰,包括社會人員。虛擬實驗室、參與者(教師、工程師、學生)在虛擬實驗教學管理平臺下的關系如圖3所示,虛擬實驗室和參與者之間關系不是強制的,以實驗主題區別,通過虛擬實驗教學管理平臺進行管理。在虛擬實驗室環境下的實驗教學,教師、工程師、學生等參與者由各自需求而定,教師不受限特定教學群體,工程師不受限工作時間,學生不受限實驗環境。高校現有許多實驗、實踐等環節很多已經使用相應的專業軟件實施教學,部分教學軟件由于付費問題學生無法在個人計算機上演練,部分商業軟件由于安裝復雜性導致學生不會獨立安裝等情況都會影響實驗教學的開展,虛擬實驗教學設計可為學習者提供便利[15]。

圖3 虛擬實驗室教學設計
虛擬實驗室穿插在實驗項目的實施過程中,根據實驗項目特點和虛擬資源情況,有些實驗項目或仿真項目的局部是不需要進行虛擬實驗室教學,虛擬實驗教學管理平臺對虛擬實驗室的教學過程進行自動錄制,在虛擬實驗室平臺關閉時再作整理,為后續師生再次實施該實驗項目作參考,提升實驗效率,對減少占用虛擬資源起輔助作用。在“互聯網+”實驗教學平臺環境下,虛擬實驗室展開的實驗教學通過錄屏技術能夠保存教學過程,隨著移動互聯網的發展,學生可通過手持設備(智能手機、平板電腦)進行隨時、隨地的學習和提問,大大提升了學習空間和效果[16]。
在虛擬實驗室教學設計基礎上,運用“互聯網+”虛擬技術設計“互聯網+”SPOC的實驗教學平臺,方便各實驗課程的實踐教學開展,實現虛擬實驗室資源在互聯網中共享,形成開放教育平臺的雛形,從而促進教育手段改革和虛擬仿真實驗室建設[17]。本平臺為各類教育者、學習者提供虛擬化服務教學平臺的實踐做出努力,包括實驗虛擬交互平臺、SPOC云平臺、開放共享平臺,平臺總體框架設想如圖4所示。

圖4 平臺總體框架
(1) 虛擬實驗交互系統
該系統主要是在研究虛擬化理論技術基礎上,運用虛擬化、云計算技術設計MOOC環境下虛擬實驗交互,提供師生交流的虛擬互動社區、學生基于互聯網的自主虛擬實驗或自主探索模塊,并提供實驗評價管理,實現了實驗過程管理包括:指導模塊、實驗模塊、過程監控等管理。
(2) SPOC教學云
提供“互聯網+”云服務包括教學云、專家云(也可設為貴賓模塊,為后續平臺收費做鋪墊),結合互聯網環境、虛擬實驗室技術設計實驗教學環節,以期實現實驗課程SPOC化和實驗教學虛擬化。引入資源云進行開發,研究云平臺、移動平臺技術,為開放共享平臺服務,同時也為MOOC移動學習提供技術支撐。
(3) 開放共享平臺
在開放共享平臺中核心功能有優質課程實驗和精品課程點播,在運行過程中逐漸形成比較完善的實驗知識樹、答疑庫等。教學資源共享是一個循序漸進的過程,高校所需的教育軟硬件資源、高校辦學特色存在一定的雷同和差異,也受到教學資源付費問題的影響。因此,在本系統下的教學資源存在政府層面的統一配置問題,并以某種方式進行分攤費用以及資源共享機制還需要進一步研究,以擴大教育資源共享范圍。
本平臺系實驗樣本(詳見第三部分)中實驗教學中心與廈門網中網軟件有限公司(以下簡稱“網中網”)共建實驗教學平臺,主要以財務與會計專業的實驗教學為主。本平臺包括:3D仿真財務決策子系統、財務與會計核心課程平臺(含課程實驗、綜合實訓、社會實踐)、實驗室管理子系統;為“互聯網+”實驗教學和MOOC視頻錄制服務,實驗教學中心采購兩臺服務器,并對實驗室進行改造和光纖網絡部署,其網絡部署如圖5所示。

圖5 實驗教學平臺網絡部署
(1) 3D仿真財務決策子系統
實驗過程采用3D仿真效果,通過互聯網參與實驗需要網頁加載3D插件。本系統以人機對抗的方式,采取組隊競爭模式去虛擬運營一家工業企業,訓練學生以企業內各關鍵部門(市場部、生產部、物資部、財務部、人力資源部等)和企業外部機構(銀行、工商管理局、稅務局、法院等)不同視角更全面地關注企業決策、財務管理、籌資投資、市場營銷等相關知識和實務技能。
(2) 財務與會計核心課程平臺
該課程平臺是實驗教學中心與網中網共建核心部分,設有課程實驗、實訓子系統,實現MOOC在線實踐教學,也可為其他專業課程平臺建設提供參考。平臺整體以會計循環為線索,力求高度仿真的專業課程實踐教學,并劃分為三類課程群(基礎能力課程、綜合能力課程、情景仿真課程),涵蓋課程實驗、綜合實訓、社會實踐等30門課程的理論及實踐內容,如:實踐教案、實踐報告、實驗教學在線公開課、在線測試等,同時也包括在線課外輔導,教師和學生通過課程平臺內的教學論壇進行答疑與互動交流。
(3) 實驗室管理子系統
主要解決實驗室管理的門戶網站建設(中心介紹、實驗教學、管理模式、設備與環境、教學特色、中心新聞/公告/通知等)、實驗教學管理(虛擬實驗安排、實驗批改、成績管理、實驗報告)等統一安排管理。通過虛擬實驗教學管理系統可向教師、教務管理員和系統管理員提供實驗教學管理輔助功能(學生考勤、實驗資源調配、在線申請)。
工商管理大類在高校中的占比非常大,直接導致整體就業壓力,其中財會專業的實踐能力較強及其仿真實驗平臺的可操作性強和效果可視度較高。因此,實驗樣本選擇國內采用網中網開發的財務與會計實訓平臺的財經類和非財經類院校各兩所。本研究的實驗教學平臺是根據福建江夏學院展開。該學院是福建省人民政府舉辦的省屬公辦全日制普通本科高校,重點突出應用型本科大學,現有省級實驗教學示范中心5個,省級公共基礎課實驗教學平臺5個,其中福建江夏學院會計學院財務與會計實驗教學中心是“十二五”期間福建省首批省級實驗教學示范中心。該中心承接2013-2015年中央支持地方“以職業能力為導向的開放式財務與會計實訓基地”建設項目,并與福建瀚鼎投資管理公司、網中網共建財務與會計實驗教學平臺和會計綜合實驗室。
實驗教學中心通過實驗教學平臺網絡部署可以輕松構建在線教師教學、學生學習共同體(詳見3.3節構建在線教學共同體),教師在平臺上發布實驗內容和安排,學生根據平臺要求進行相關實驗,在實驗室管理平臺中實現相關實驗流程:
① 實驗前學習:在實驗開展之前讓學生做好充分的準備,如需要學生對實驗涉及到軟硬件操作流程、虛擬仿真做簡要在線培訓,并對實驗相關知識進行提前了解。
② 實驗選擇(若為預約則此環節為預約選擇):除了教師安排的實驗內容,學生也可以通過平臺選擇感興趣的實驗內容進行實驗。
③ 實驗安排:實驗選擇后學生可以查詢要實驗的內容和安排,同時學生要注意查看實驗安排,分為專業實驗室(“線下”)和虛擬實驗室(“線上”)兩種實驗方式。
④ 實驗開展:根據申請的實驗方式展開實驗,如指定專業實驗室則需要學生在規定時間到指定實驗室進行實驗;如選定通過虛擬實驗室進行實驗,則學生可以在宿舍區內在線實驗,教師可以在線指導和通過實驗教學平臺中的教學論壇進行在線實時互動交流,同時也可以設置實驗過程允許平臺智能輔導即學生在開展實驗的過程中,可通過平臺獲得幫助和智能提示。
⑤ 提交實驗結果:完成實驗之后,學生可以提交實驗結果,平臺能夠對學生提交的結果進行判斷,學生可以看到錯誤的操作;另外教師也可以將成績導出,方便成績統計和查詢,以及實驗情況的分析。
在實驗教學平臺上設有靜態的課程資料(如:課程簡介、大綱、指導書、教材、實踐教案、鞏固練習、實踐報告等)和動態的視頻資料(大量MOOC學習視頻和在線指導視頻),豐富學習內容的力度,能有效輔助學生學習。動態的視頻資料主要在錄播管控平臺中完成錄制,主要有兩類視頻錄制:錄制教師的課程教學并制作成實驗課程MOOC視頻和錄制教師在互聯網上進行實驗指導的屏幕演示過程并制作成在線實踐教學MOOC視頻。然而MOOC等在線教學因師生分離造成互動不足,影響了學習效果[18]。為了讓實驗教學平臺更能服務于學生,本研究通過構建在線教學共同體(如圖6所示)以提升和評估實驗教學平臺效果。在線教學共同體不僅體現在教學論壇的答疑與交流,還體現在實驗課程的指導,在平臺上形成師生共同探討,以及支撐平臺。如預置了大量的課程相關的各種流程的多媒體課件,可輔助提高學習樂趣,引導學生自學,引入工程師的在線指導,可較快提升學生解決工作中實際問題的能力。

圖6 在線教學共同體
在脫離監管狀態下MOOC課程視頻自主學習較弱,即便知名MOOC提供商Coursera(美國)其課程完成率也在10%以下,部分高校選修課MOOC平臺采取半強制狀態下才有所轉變[19]。本課題構建的在線教學共同體以學習行為進行分類,對難易不等的財務與會計專業的選修課考核其學習效果result(R)和學習效率優勢,學習過程設定參數及權重如表1所示。

表1 在線學習過程設定參數及權重
? difficulty(d)課程難度系數:1容易、2普通、3較難。
? experiment(e)實驗工具:1專業實驗室、2學生宿舍,3移動設備。
? attitude(a)學習態度:本項為外部因素1差,0一般,1好。
? 自主學習:以在校本科生在無人監督狀態下的學習行為,探索如何促使學習者更加自覺完成各種任務。
? 互動學習:在學習過程中教師與學生在互聯網上同步、異步指導,學習者之間相互交流并分享各自學習心得。
表1中基于“互聯網+”虛擬實驗室構建的在線教學共同體T,其線上教學模式可表示為不同學習方式共同提升學習行為,其學習效果R(詳見式(2))以考核成績為準。
(1)
式中i表示在線參與學習(含實驗練習)的學生,j表示在線參與教學(含實驗指導)的教師,j為0表示學生自主學習形式,形成在線教學共同體。

(2)
式中w1、w2、w3、w4表示在線學習方式所在的權重(每個學生根據不同情況,其權重不統一,但總和均為100),k表示在線參與學習(含實驗練習)的學生個數,Ri表示對應每個學生(個體)其學習效果(考核成績)。
在實驗教學平臺上通過學生參與量和學習效果的評估,建立學習評價優化模型(詳見式(3)和式(4)),優化其學習過程,以實現學習效果質的提升。
(3)

(4)
式中O(i)表示學習者個體化行為,經優化后的學習效果分析O(R)為學習評價優化模型,表示達到本研究設計的在線教學共同體學習目標。
(1) 應用比較分析
在國外研究中,以德國為例,從人口發展趨勢來看,到2020年,德國總人口將減少2.3%,從高等教育入學率預測到2030年受高等教育的人數將增加25%,而職業培訓的人數則將減少20%,這意味著從事職業能力的勞動者在直線下降,因此2014年德國教育部再次提出職業教育與高等教育之間關系[20-21]。在國內隨著高等教育的普及和人口減少大趨勢下,我國教育部也重新審視和頒布“以職業能力為導向”的相關人才培養實驗教學方針和指導意見,要求高校開展探索“以職業能力為導向”的教學模式。實驗教學中心承接中央財政支持地方高校發展專項資金2013-2015年建設規劃“以職業能力為導向的開放式財務與會計實訓基地”建設,目前已經完成一期建設,投入400萬資金進行軟硬件升級、改造,側重提升實驗教學模塊(其軟件部分投入占比超過40%)。本課題以“以職業能力為導向”研究為契機,調研對象為國內采用網中網開發財務與會計實訓平臺的多家財經類院校和非財經類院校如表2所示,其中占比為財務與會計等工商管理大類師生在全校范圍內所占比例。

表2 財務與會計等工商管理大類占比情況
從表中的數據可以看出以工商管理(財務與會計專業)學生和師資規模比較大,就業壓力不容樂觀。鑒于該類專業在校進行職業能力演練的可操作性及實現概率都比較大,以此進行“以職業能力為導向的開放式財務與會計實訓基地”建設意義相當重大,而且教學效果比較直觀、明顯,因此高校投入該類專業實驗教學軟件研發的比例較高。本平臺系實驗教學中心與網中網共同設計制作,不僅給教師教學帶來方便,而且給學生提供更直觀的學習體驗,確實加強學生的專業動手能力,同時也受到2016年福建江夏學院接受教育部本科合格評估小組的充分肯定。該平臺在其他院校應用亦收到較好的評價,如:在廈門大學經過網中網專門配備的師資力量現場講解,進行5周的教學實踐,取得了良好的教學成果。
(2) 實驗室利用率分析
傳統實驗教學一般在學校專業實驗室完成,專業實驗室帶有專業特點、課程性質,學校在排課過程中一般只用于相關專業教學,實驗室的軟件、硬件與專業或課程相對應,難以分離。因此專業實驗室、教師、學生三者無形中限制了實驗室的利用率,如部分專業實驗教學相對較少、專業學生數不多等,容易造成部分專業實驗室資源浪費,對資源開放共享的滿意度也比較低[22]。基于“互聯網+”虛擬實驗室的教學模式要求教學平臺、軟件都安裝在服務器上,各專業實驗室(或普通計算機實驗室)、虛擬實驗室僅作為交互的客戶端,在架構設計上把軟硬件資源從專業中分離出來,弱化了傳統實驗室的專業特點,使得計算機類實驗室、多媒體教室、學生宿舍區以及個人移動終端等都可以通過互聯網接入教學平臺。一方面可提升實驗室利用率和資源優化,另一方面為基于桌面云的實驗室推廣和擴展多專業共建虛擬實驗室起到推動作用。傳統的實驗室教學過程中,企業無法參與,而引入“互聯網+”實驗教學平臺的校企合作模式,則工程師參與實踐教學成為可能,學生通過互聯網平臺可提前涉及企業實踐,同時也提升了虛擬實驗室利用率。
本研究在實驗教學中心承接中央支持地方高校建設項目“以職業能力為導向的開放式財務與會計實訓基地”背景下,針對國內高校專業實驗室共享程度和MOOC視頻學習過程中缺乏實踐引導現狀,圍繞“互聯網+”、虛擬實驗室、實驗教學平臺理念盤活高校封閉式專業實驗室,整合教學資源,提升實驗教學效果和實驗教學仿真性。通過當前實驗教學方法在SPOC、MOOC環境中面臨的困境,提出“以職業能力為導向”設計思路和“互聯網+”虛擬現實技術為支撐的實驗教學平臺下實施實驗教學模式的改進手段,并以實驗教學中心、網中網共建財務與會計實驗教學平臺和會計綜合實驗室進行案例分析。在案例分析過程中設計實驗流程,并構建在線教學共同體,以學習效果演化過程進行綜合分析,抽取在線教學共同體的優化模型,達到引入實驗教學平臺的學習目標。基于“互聯網+”虛擬實驗室的教學模式研究結合云計算建立一套由教師、學習者共同參與的實驗教學平臺,實現MOOC實驗環境虛擬化、SPOC化,能夠進一步促進虛擬仿真實驗室建設。在調查分析高校教育資源共享程度和MOOC學習效果中發現,國內高校教育資源還有待進一步整合,通過“互聯網+”計算機虛擬技術探索高校優質教育資源共享的長效機制,以期合理配置教育資源和建立高校教育資源庫。
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RESEARCHONPRACTICALTEACHINGPLATFORMOFVIRTUALTECHNOLOGYBASEDONINTERNETPLUS
Lu Minrong
(SchoolofAccountancy,FujianJiangxiaUniversity,Fuzhou350108,Fujian,China)
This paper presents the design of virtual teaching laboratory. From a technical perspective, we established the framework of virtual technology based on Internet plus. And we adopted virtual technology to create the practical teaching platform, including practically virtual interaction, SPOC (Small Private Online Course) cloud, sharing, etc. Combined the ideas of co-built laboratories by enterprises and schools with the features of majors and subjects, 3D stimulation practical teaching platform was created such as 3D stimulation financial decision platform, financial and accounting core courses platform, laboratory management platform, by which practical process was designed and specialized cases related to financial accounting were analyzed. Online teaching community was established by using virtual laboratory technology based on Internet plus. And the community was optimized to improve MOOC (Massive Online Open Course) learning efficiency as well as practical performances of students. Meanwhile, we compared the teaching mode design based on employment-oriented at home and abroad. Finally, we summarized the effects of utilization coefficient of virtual laboratories.
Internet plus Virtual technology Virtual laboratory Practical teaching platform MOOC SPOC
TP391.9
A
10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.022
2016-11-21。福建省中青年教師教育科研項目(2016年福建省本科高校教育教學改革研究項目)(JZ160212);福建省教育科學“十三五”規劃2016年度海峽兩岸職業教育專項研究課題(FJJKHX16-053);福建省社科研究基地福建江夏學院財務與會計研究中心培育項目。盧民榮,高級實驗師,主研領域:云計算,虛擬仿真。