楊家蓉,鄧昌全,唐華
(眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川眉山 620000)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化教育資源越來越普及,虛擬仿真技術(shù)作為一種新型的教育技術(shù),具有直觀、生動(dòng)、逼真的特點(diǎn),可以有效地提高教育教學(xué)的質(zhì)量和效率。然而,當(dāng)前虛擬仿真教學(xué)資源存在著重復(fù)建設(shè)、內(nèi)容脫節(jié)、教師素質(zhì)有待提升等問題,給用戶的使用帶來了諸多不便。為了解決這些問題,本研究旨在推進(jìn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)統(tǒng)一數(shù)字化平臺(tái)和服務(wù)器部署的研究,實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)資源的共享和統(tǒng)一管理,提高教育教學(xué)的數(shù)字化水平。
虛擬仿真技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界的技術(shù),將真實(shí)環(huán)境和對象通過數(shù)字化方式呈現(xiàn)出來,從而讓使用者感受到真實(shí)世界的存在。虛擬仿真技術(shù)主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維動(dòng)畫技術(shù)等多種技術(shù)手段,具有省時(shí)省力、可視化呈現(xiàn)、交互性等特點(diǎn),在教學(xué)中的應(yīng)用場景非常廣泛,包括虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)訓(xùn)、虛擬演練、虛擬展示等。
根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》的指導(dǎo)意見,教育部在2013—2015 年啟動(dòng)了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作,得到了社會(huì)各界的積極的響應(yīng)和支持。現(xiàn)已遴選出300 個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,分別分布在26個(gè)省市自治區(qū),其中理工類211個(gè),農(nóng)林醫(yī)藥類53個(gè),人文社科類36個(gè)[1]。
2015年《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2015-2018 年)》的出臺(tái),正式開啟虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心建設(shè),但是在2019年的成果認(rèn)定中,整體成果卻不理想,僅有46項(xiàng)獲得國家級認(rèn)定[2],其中主要原因仍然在于項(xiàng)目建設(shè)偏重于硬件環(huán)境,缺乏專業(yè)內(nèi)容支撐,導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)、利用率低,造成資源浪費(fèi)。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心專業(yè)內(nèi)容缺乏實(shí)用性,致使仿真實(shí)訓(xùn)的作用無法有效發(fā)揮。
2020 年,教育部職成司發(fā)布《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真基地建設(shè)工作的通知》,開啟了新一輪職業(yè)教育領(lǐng)域虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)熱潮[3]。
對國內(nèi)幾所具有代表性的公辦和民辦高職院校的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),目前高職院校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)還存在諸多問題,本文重點(diǎn)闡述以下具有代表性的三個(gè)問題。當(dāng)然,文章只調(diào)查了部分院校,在研究上還存在一些局限性。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),超過半數(shù)的職業(yè)院校在建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境時(shí),存在重復(fù)建設(shè)、設(shè)備閑置、利用率低的問題。一方面,缺乏整體規(guī)劃和合理布局,沒有充分考慮資源共享和利用,重復(fù)建設(shè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。同一個(gè)學(xué)校內(nèi)部,不同的專業(yè)之間,甚至是相同專業(yè)內(nèi)部不同學(xué)科之間,都爭相建設(shè)各自的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,這些機(jī)房被冠以“xxx專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室”的名字。設(shè)備的充分建設(shè),并沒有結(jié)合學(xué)校或?qū)W院實(shí)際需求,致使設(shè)施重復(fù),成本攀升。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要投入較高的成本,就服務(wù)器來講,其支出成本能占到整個(gè)仿真實(shí)訓(xùn)室總支出的30%以上。
另一方面,雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室“遍地開花”,但建設(shè)好的實(shí)驗(yàn)室又沒有發(fā)揮其服務(wù)學(xué)生、服務(wù)教學(xué)的功效,多數(shù)陷入閑置的尷尬境地。部分實(shí)訓(xùn)室只提供給指定學(xué)科的實(shí)訓(xùn)教學(xué)使用,限制了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的范圍;或者僅僅將虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為“噱頭”,用于招生宣傳;再或者只是為了響應(yīng)上級建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的要求,應(yīng)付上級檢查。如此種種,造成了實(shí)訓(xùn)設(shè)備長時(shí)間處于閑置狀態(tài),使用率低下,無法高效地發(fā)揮設(shè)備的價(jià)值。
從多所高職院校的調(diào)查研究結(jié)果來看,當(dāng)前職業(yè)院校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)還存在內(nèi)容缺乏專業(yè)深度,與行業(yè)需求脫節(jié)的問題。一方面,在內(nèi)容上缺乏深度和挑戰(zhàn)性,例如,某些實(shí)訓(xùn)任務(wù)設(shè)計(jì)過于簡單,學(xué)生不需要過多思考就能夠完成,這一定程度上限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)揮,影響了學(xué)生實(shí)踐能力的提升,也達(dá)不到理想的教學(xué)效果;另一方面,一些實(shí)訓(xùn)的任務(wù)與專業(yè)課程、行業(yè)需求聯(lián)系并不緊密,實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目過于單一。這主要在于仿真軟件的內(nèi)容、場景、資源已經(jīng)固定,擴(kuò)展性受限,這也導(dǎo)致很多仿真實(shí)訓(xùn)僅僅只是進(jìn)行了簡單的模擬,如果教師在實(shí)訓(xùn)中僅僅停留在表面的模擬,而無法全面地融入專業(yè)內(nèi)容,很容易降低學(xué)生的興趣和參與度,無法讓學(xué)生掌握最新的技能和知識(shí),也無法滿足不同專業(yè)和職業(yè)領(lǐng)域的需求,發(fā)揮出實(shí)訓(xùn)的最大效果。
究其原因,教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求脫節(jié)的原因主要在于一線教學(xué)人員與虛擬仿真教學(xué)軟件和資源的開發(fā)的割裂,設(shè)計(jì)者與使用者之間存在著“鴻溝”,致使一些設(shè)計(jì)虛浮表面,無法真正達(dá)到教學(xué)的良好效果。
虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境需要教學(xué)人員具備相應(yīng)的技術(shù)知識(shí)和技能,比如,在教學(xué)過程中,需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),教學(xué)資源開發(fā)等,以便能夠有效地運(yùn)用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)。然而,現(xiàn)實(shí)情況中,這些技術(shù)對于大多數(shù)教學(xué)人員而言仍然存在一定難度,目前許多教學(xué)人員仍然欠缺這方面的知識(shí)和技能,這就陷入了教學(xué)人員“懂專業(yè),不懂技術(shù)”的窘境,難以充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的優(yōu)勢。同時(shí),教學(xué)人員技術(shù)操作困難。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的技術(shù)操作相對較為復(fù)雜,需要教學(xué)人員具備一定的技術(shù)能力和經(jīng)驗(yàn),然而,許多教學(xué)人員在實(shí)際操作中面臨困難,無法有效地完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。此外,教學(xué)人員掌握新技能的速度滯后于技術(shù)更新的速度。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的技術(shù)更新速度非常快,需要教學(xué)人員不斷學(xué)習(xí)和掌握新的技術(shù)知識(shí)和技能。然而現(xiàn)實(shí)情況中,許多教學(xué)人員缺乏持續(xù)學(xué)習(xí)和更新技術(shù)知識(shí)的意識(shí),導(dǎo)致技術(shù)在不斷更新,而教學(xué)人員的技能卻相對滯后。
面對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備閑置的問題,要多措并舉。首先,職業(yè)院校可以聯(lián)合進(jìn)行虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的規(guī)劃建設(shè),統(tǒng)一采購設(shè)備和資源,避免實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)建設(shè);其次,在建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境時(shí),需要考慮設(shè)備的合理布局,以便能夠更好地利用設(shè)備資源。可以將設(shè)備按照功能和用途進(jìn)行分類,然后根據(jù)使用頻率和重要性進(jìn)行布局,確保設(shè)備能夠滿足教學(xué)需求,同時(shí)避免浪費(fèi)和閑置;最后,要積極建立共享平臺(tái),讓各個(gè)職業(yè)院校都可以共享虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境資源和設(shè)備,提高實(shí)訓(xùn)室的利用效率的同時(shí),有效降低成本支出。同時(shí),借助共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)交流和資源共享,促進(jìn)職業(yè)院校之間的合作與發(fā)展。
在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,要不斷整合行業(yè)、企業(yè),拓展教學(xué)內(nèi)容的深度。通過定期更新虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的內(nèi)容,保持與行業(yè)發(fā)展的同步。同時(shí),要加強(qiáng)與相關(guān)行業(yè)、企業(yè)的合作,積極引入最新的專業(yè)技能和知識(shí),確保實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的實(shí)用性和前瞻性,保持與行業(yè)需求的緊密掛鉤;其次,要根據(jù)不同專業(yè)和職業(yè)領(lǐng)域的需求,設(shè)計(jì)多樣化、創(chuàng)新性,并且與專業(yè)課程緊密聯(lián)系的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,項(xiàng)目要涵蓋實(shí)際工作中可能遇到的各種場景和問題。通過設(shè)計(jì)各種不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,讓學(xué)生體驗(yàn)不同的職業(yè)場景和工作任務(wù),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度,培養(yǎng)他們的綜合素質(zhì)和職業(yè)技能;最后,在設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容時(shí),注重知識(shí)的深度和難度,以挑戰(zhàn)性的方式引導(dǎo)學(xué)生思考和創(chuàng)新。通過設(shè)置復(fù)雜的問題和任務(wù),培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、解決實(shí)際問題的能力。同時(shí),可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際能力和水平,設(shè)計(jì)不同難度的實(shí)訓(xùn)任務(wù),讓每個(gè)學(xué)生都能夠在自己的能力范圍內(nèi)得到挑戰(zhàn)和提升。
職業(yè)院校在推進(jìn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過程中,也不能忽視學(xué)學(xué)人員隊(duì)伍建設(shè)。要定期組織教學(xué)人員的技能培訓(xùn),提高他們的技術(shù)知識(shí)和技能水平。培訓(xùn)內(nèi)容可以包括虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的操作技巧、技術(shù)更新和應(yīng)用案例等。通過培訓(xùn),教學(xué)人員可以更好地掌握虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境的技術(shù)操作和方法,提高教學(xué)效果;其次,要建立技術(shù)支持團(tuán)隊(duì),為教學(xué)人員提供及時(shí)的技術(shù)支持和指導(dǎo)。當(dāng)教學(xué)人員在操作過程中遇到問題時(shí),可以快速得到解決,從而提高教學(xué)效率和質(zhì)量。同時(shí),支持團(tuán)隊(duì)可以定期對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境進(jìn)行維護(hù)和更新,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能;最后,要加強(qiáng)與行業(yè)企業(yè)或者其他高校的合作,建立技術(shù)交流與合作機(jī)制,共享技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)資源。通過合作,教學(xué)人員可以了解最新的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況,學(xué)習(xí)到更多的技術(shù)知識(shí)和操作方法,提高自身的技術(shù)水平和綜合素質(zhì)。
虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室由局域網(wǎng)中多個(gè)工作站和服務(wù)器組成,使用時(shí)需要將虛擬仿真軟件和資源安裝在本地服務(wù)器上,形成局域網(wǎng)方式部署,也就是本地部署。由于仿真軟件耗費(fèi)硬件和網(wǎng)絡(luò)資源的情況不同,服務(wù)器的性能要求也不同,這也就造成了資金投入的不可控。仿真軟件要求高并發(fā)和高運(yùn)算性能的服務(wù)器,這也意味著整個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的投入成本直線攀升。局域網(wǎng)部署方式雖然有建設(shè)周期短、部署靈活的優(yōu)勢,但是也存在虛擬仿真資源單一,硬件環(huán)境無法多專業(yè)共享,擴(kuò)展難度大,形成信息孤島等諸多問題。
客戶端學(xué)生機(jī)訪問速度由局域網(wǎng)速度決定,這就要求局域網(wǎng)規(guī)劃合理,網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備性能優(yōu)良。所以,在實(shí)際使用過程中,需要配備專業(yè)的管理人員對服務(wù)器進(jìn)行日常安全維護(hù)、系統(tǒng)升級、用戶管理,這無形中增加了實(shí)訓(xùn)室的運(yùn)營管理成本。如果虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室日常管理不到位,可能會(huì)導(dǎo)致仿真實(shí)驗(yàn)室無法長期持續(xù)正常運(yùn)行,造成硬件設(shè)備形同虛設(shè)、閑置浪費(fèi),或者無法真正發(fā)揮虛擬仿真的教學(xué)功能。
虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室由局域網(wǎng)中多個(gè)工作站和遠(yuǎn)程統(tǒng)一數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)器組成,如圖1所示。虛擬仿真軟件和資源安裝在遠(yuǎn)程統(tǒng)一數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)器上。服務(wù)器由第三方公司運(yùn)營管理,提供專業(yè)的軟件管理和硬件管理,包括網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控、虛擬仿真軟件維護(hù)升級、用戶認(rèn)證鑒權(quán)、虛擬仿真教學(xué)資源共享等。

圖1 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室
統(tǒng)一數(shù)字化采用高性能服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)分布式部署,數(shù)字化平臺(tái)則采用云化微服務(wù)化部署。服務(wù)器性能可隨業(yè)務(wù)增加而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展,分布式計(jì)算可以滿足虛擬仿真的巨大算力需求,使仿真教學(xué)效果不受影響。客戶端學(xué)生機(jī)訪問速度受學(xué)校公網(wǎng)出口帶寬影響,服務(wù)器支持多專業(yè)虛擬仿真資源,安全有保障,易于擴(kuò)展,利于打破信息孤島[4]。
結(jié)合對于成熟度高、無特殊專業(yè)要求的虛擬仿真資源,可以選用第三方提供的虛擬仿真服務(wù)器和資源,對于一些小眾的或需要結(jié)合學(xué)科教學(xué)特點(diǎn)自行開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng),可選擇本地服務(wù)器運(yùn)行。此方案支持多專業(yè)虛擬仿真資源,易于擴(kuò)展,成本較高。
統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè),可以有效解決虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室重復(fù)建設(shè),減少設(shè)備資金投入。使用統(tǒng)一虛擬仿真數(shù)字化平臺(tái)可以改造利用原有的計(jì)算機(jī)機(jī)房,完成多學(xué)科虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境建設(shè)。不但可以減少計(jì)算機(jī)機(jī)房重復(fù)建設(shè),也可以減少設(shè)備閑置浪費(fèi)。
要建設(shè)全國范圍統(tǒng)一的職業(yè)院校虛擬仿真數(shù)字化平臺(tái)。平臺(tái)需要具有涵蓋學(xué)校管理、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真資源建設(shè)、練習(xí)與考試、過程評價(jià)、教學(xué)管理等功能模塊。管理者支付平臺(tái)管理費(fèi)用后[5],注冊成功后,就可以開啟平臺(tái)的使用。
管理者在平臺(tái)上可以建設(shè)院系、專業(yè)、班級等教學(xué)單位,導(dǎo)入學(xué)生信息。同時(shí),可以進(jìn)行教學(xué)資源的購買或者教學(xué)資源的開發(fā),進(jìn)行自主資源開發(fā)時(shí),通過將已有資源上傳平臺(tái),服務(wù)教學(xué)。自主開發(fā)的教學(xué)資源可以通過設(shè)置共享或私有的方式自主決定使用者的范圍。管理者在教學(xué)正式開始前,需要在平臺(tái)中選擇課程所需仿真教學(xué)資源,再將仿真資源發(fā)布到班級。如此學(xué)生可以通過終端進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束系統(tǒng)自動(dòng)給出評分結(jié)果及指導(dǎo)意見。
同時(shí),學(xué)生在籍期間也可以免費(fèi)使用平臺(tái)的海量資源,學(xué)生可以在平臺(tái)上自主搜索選擇適配的資源,而平臺(tái)可以根據(jù)學(xué)科方向自動(dòng)建立虛擬仿真資源學(xué)習(xí)鏈,學(xué)生可以按照此學(xué)習(xí)鏈進(jìn)行循序漸進(jìn)的仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。
在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)統(tǒng)一數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)過程中,一定離不開資源庫的建設(shè),在資源庫的建設(shè)中,要明確虛擬仿真教學(xué)資源庫的建設(shè)目標(biāo),包括要覆蓋的學(xué)科、提供的教學(xué)資源類型、服務(wù)于的學(xué)生層次等。根據(jù)建設(shè)目標(biāo),制定詳細(xì)的建設(shè)規(guī)劃,規(guī)劃要涵蓋資源庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、資源分類、資源收集與制作、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面。根據(jù)規(guī)劃建一個(gè)能夠整合存儲(chǔ)、搜索、管理等功能的虛擬仿真教學(xué)資源庫的平臺(tái)。
虛擬仿真教學(xué)資源庫通常包括標(biāo)準(zhǔn)庫、私有庫和共享庫,由平臺(tái)運(yùn)營商統(tǒng)一完成各類學(xué)科虛擬仿真資源標(biāo)準(zhǔn)庫建設(shè),標(biāo)準(zhǔn)庫里涵蓋著一些常態(tài)化的資源。高職院校可以通過補(bǔ)充仿真教學(xué)資源建設(shè)獨(dú)屬于自己院校的私有庫,私有庫是院校資源個(gè)性化的體現(xiàn),僅限自己院校使用。而共享庫中的資源是對平臺(tái)所有用戶可見,平臺(tái)運(yùn)營商、職業(yè)院校和教學(xué)人員個(gè)體都可以向共享庫推送虛擬仿真教學(xué)資源,平臺(tái)根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)對上傳的資源進(jìn)行評級,按照級別和資源數(shù)量給予上傳者積分獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)資源共享被其他院校使用后,就可以獲得額外積分。
需要注意的是,對于虛擬仿真教學(xué)資源庫的使用情況要定期檢查,定期收集用戶反饋,及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)和更新,確保資源庫的質(zhì)量的同時(shí),也要保證其內(nèi)容的實(shí)用性。
通過建立區(qū)域范圍內(nèi)統(tǒng)一虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)數(shù)字化平臺(tái),旨在統(tǒng)一虛擬仿真資源標(biāo)準(zhǔn),提高硬件設(shè)備和資源利用率,減少資源浪費(fèi)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真設(shè)備和資源專業(yè)化管理,安全有保障、資源更專業(yè),打破信息數(shù)據(jù)孤島,實(shí)現(xiàn)高職院校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。