開放式虛擬實驗教學平臺研究與實踐

李林++陳宇峰++李鳳霞

摘 要 隨著虛擬實驗教學的大規模推廣，眾多高校和企業建設了一批虛擬實驗資源，并得到初步應用。針對現階段虛擬實驗教學平臺各自獨立，實驗資源無法共享的問題，研發一種開放式虛擬實驗教學平臺，提供規范化接口，允許第三方用戶利用平臺共享實驗資源及發布實驗課程，同時與MOOC相結合開展在線實驗教學，實現虛擬實驗資源的共享與推廣。

關鍵詞 虛擬實驗；教學平臺；實驗教學；MOOC

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）10-0033-03

Study and Practice of Open Teaching Platform for Virtual Expe-

riment//LI Lin， CHEN Yufeng， LI Fengxia

Abstract As the large-scale popularization of virtual experiment teaching， many universities and enterprises have built a batch of vir-tual experiment resources， which obtained preliminary application. To solve the problem caused by independence of virtual experiment teaching platform and monopoly of experiment resources， we deve-loped an open virtual experiment teaching platform that provides a

standardized interface， and allows third-party user to share expe-riment resources and publish experiment courses. Combined with MOOC online experimental teaching， we complete the sharing and promotion of virtual experiment resources.

Key words virtual experiment； teaching platform； experiment tea-ching； MOOC

1 前言

近年來，隨著大規模在線教育的應用和推廣[1-2]，虛擬實驗受到越來越多的重視。教育部陸續建立數百個國家級虛擬仿真實驗教學中心，同時國內多家高校和企業也致力于虛擬實驗教學的研究，形成一系列虛擬實驗教學系統和資源，在各自的領域和用戶中獲得初步應用，對在線教育形成良好的相互促進。

然而，在虛擬實驗教學模式的應用和推廣中缺乏公共虛擬實驗教學平臺的支撐，這也是目前研究的熱點問題[3]，比如具有全球影響力的GENI[4]。清華大學[5]等機構做了相關研究，認為在虛擬實驗教學資源共享方面還存在很多亟待解決的問題。

一方面，實驗教學平臺的建設局限于軟件。例如：網絡硬件虛擬化，專注于網絡設備共享實驗；通過虛擬機提供虛擬實驗環境，供用戶通過網絡遠程訪問進行虛擬實驗；還有面向特定目的的專業軟件環境的網絡共享平臺等，這些平臺之間差異較大，多專注于網絡上軟硬件資源的共享，而不是虛擬實驗內容本身。

另一方面，虛擬實驗資源建設缺乏規范化。很多實驗教學中心、教師在自己的課程中有很多好的教學內容和教學資源，卻僅限于自己創建的平臺或課程內使用，即使推廣也缺乏共享平臺的支持。從總體上來看，分散的虛擬實驗內容建設難以滿足系統化的教學要求，因此，如何建設共享虛擬實驗資源成為一個重要的問題。

2 虛擬實驗共享機制

虛擬實驗作為一種軟件資源，具有先天的共享優勢，沒有實現大規模共享是受制于以下四個方面的問題。

首先，虛擬實驗共享需要專業技術支持。分散于高校、企業的虛擬實驗課程內容眾多，而且存在重復建設、無統一規劃等。虛擬實驗共享需要有一個平臺支撐，讓所有實驗都集中于同一個平臺，便于管理、選擇和發布。虛擬實驗平臺與MOOC平臺相比更難以集成：在MOOC平臺中的課程表現形式包括視頻、文本、講義文件以及典型的客觀題，這些目前在網站上都有較為成熟的標準模式，便于推廣；而虛擬實驗教學平臺中的關鍵部分是在線實驗程序軟件，需要制定一系列標準化的平臺軟件接口、圖形引擎以及接口設計。

其次，虛擬實驗共享需要資源規范化管理。高校或企業開發的虛擬實驗受到開發者經驗和專業的影響，可能在某些實驗上具有鮮明特色，一旦擴展到其他實驗則缺少亮點，難以形成豐富的系統化的虛擬實驗課程群。借助于網絡共享經濟的概念，開放式的虛擬實驗教學平臺支持符合共享接口標準的優勢實驗資源，供實驗課程選擇，從而形成一系列經典的虛擬實驗課程。

再次，虛擬實驗共享需要良好的運行機制。如何保持虛擬實驗教學平臺的活力，讓虛擬實驗不斷擴充？這需要一套類似于應用商店的付費機制。根據用戶的使用量對開發者進行激勵，從而鼓勵更多更好的實驗資源填充到實驗庫。從機制設置上鼓勵優秀的虛擬實驗，從版權上保證開發者的權利和利益，從而形成可持續發展的虛擬實驗資源建設模式。

最后，虛擬實驗共享需要支持廣泛的教學場景。虛擬實驗作為課堂教學的一個環節，可以獨立開展，輔助線下課堂教學，需要獨立的用戶和課程管理系統。虛擬實驗也可以作為現有大規模在線課程的一個實驗環節，支持與MOOC

平臺結合[6]，無縫融合在一起，為在線教學提供實驗支持，并且解決在線教育缺少實驗教學環節的問題。endprint

3 虛擬實驗教學平臺設計

為解決上述問題，設計研發開放式虛擬實驗教學平臺，即虛擬實驗工場[7]，系統結構圖如圖1所示。作為一個中間平臺，虛擬實驗工場提供以下三方面服務。

為虛擬實驗開發者提供實驗孵化和發布服務 虛擬實驗工場的定位是實驗孵化和發布平臺，不僅可以發布符合平臺規范的虛擬實驗，而且可以為具有好的實驗設計理念的開發者提供包括開發規范、開發工具、開發資源等，以便快速開發實驗內容。孵化的作用不僅限于實驗開發，而且包括對實驗的推廣和評價。虛擬實驗工場根據實驗內容、興趣方向、難易程度、教材匹配等方面進行實驗推薦，打包成實驗課程；再根據實驗課程的選用次數、學生完成情況以及學生評價，對該實驗進行綜合評分，優化推薦系統參數，從而實現實驗內容優勝劣汰，逐步孵化出優秀的虛擬實驗資源。

為教師用戶提供課程配置和教學服務 教師可以根據教學需求、學生情況、課程內容分布以及難易程度，選擇相應的實驗組合成自己的課程，訂購并生成該實驗課程，并發布到虛擬實驗工場上。發布的形式包括以獨立實驗課程的形式發布，學生可以直接登錄虛擬實驗工場進行實驗操作；也可以與典型的MOOC平臺關聯，直接發布為MOOC課程的實驗鏈接。

為學生用戶提供虛擬實驗服務 學生可以借助以上兩種發布方式，利用瀏覽器直接打開基于Unity3D的虛擬實驗，登錄后選擇教師的課程并開展實驗，同時提供實驗報告的模板和實驗報告評分服務，并最終匯總為實驗成績。學生和教師可以在權限范圍內對成績進行查詢、分析，對實驗進行反饋，提出改進意見。

為提供以上服務，創建基于B/S架構模式的系統平臺，服務器端部署于微軟Azure云服務平臺上，采用可擴展式的軟件設計支持自適應擴展，可以同時支持數萬用戶的并發訪問以及高效的實驗操作。

在前端瀏覽器采用基于Unity3D輕量級圖形引擎的虛擬實驗平臺，通過提供開發模板和接口標準，減少開發者的開發難度。實驗內容采用基于用戶賬戶身份驗證和服務器系統信息校驗的雙重加密技術，確保虛擬實驗軟件的安全，以保護開發者的利益。

4 開放式虛擬實驗課程實踐

依托北京理工大學國家級大學計算機虛擬仿真實驗教學中心，創建面向共享服務的虛擬實驗工場，同時以所在團隊開發的大學計算機和程序設計課程的虛擬實驗為基礎，提供一系列大學計算機基礎課程的實驗方案，并構建典型課程虛擬實驗教學體系。

虛擬實驗通過平臺上傳到實驗庫，在實驗庫中對其進行分類管理、檢索和統計分析，并開設課程對外提供服務。開課教師根據教學重點與難點需求，選配覆蓋該課程知識點的虛擬實驗，創建并公布實驗課程。

2016年9月至今，國內58所高等院校在虛擬實驗工場開設了66門課程，200多位教師建立了課堂，學生用戶近1.4萬人。此外，還應用于教育部中國大學MOOC平臺的大學計算機課程虛擬實驗教學模塊[8]。截至2017年1月，該MOOC課程已經開設三個學期，累計選課人數達12萬多人。僅2016年秋季一個學期，選課人數就達到近8.2萬人。

5 結語

隨著在線教育的興起，虛擬實驗成為課程實踐的一個重要環節，虛擬實驗平臺建設是目前研究和教學的一個熱點。本文所開展的虛擬實驗工場研究是以實現虛擬實驗內容的共建和共享為目標，結合目前互聯網的共享經濟模型，進行的一種在線虛擬實驗模式的探索。目前，虛擬實驗工場初步建立，在教育部中國大學MOOC平臺上已經取得初步的應用，并正在與多所高校進行虛擬實驗教學應用的探索，期待取得理想的效果。

參考文獻

[1]伍民友，過敏意.論MOOC及未來教育趨勢[J].計算機教育，2013（20）：5-8.

[2]王文禮.MOOC的發展及其對高等教育的影響[J].江蘇高教，2013（2）：53-57.

[3]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[4]GENI.GENI-Global Environments for network innovations

[EB/OL].[2011-10-17].http：//www.geni.net/.

[5]周燁，李勇，王芳，等.基于Open Flow的網絡實驗平臺技術[J].清華大學學報：自然科學版，2012（11）：1540-1544.

[6]李鳳霞，陳宇峰，余月，等.基于MOOC/SPOC的課程協同建設與思考[J].計算機教育，2016（1）：17-18.

[7]虛擬實驗工場[EB/OL].http：//www.vrsygc.com.

[8]中國大學MOOC課程平臺[EB/OL].http：//www.icourse163.org/course/bit-47004#/info.endprint