許 麗，王鴻鵬，劉覺曉，高振元

面向虛擬仿真實驗教學(xué)的高校公共實驗室研究

許 麗1,2，王鴻鵬1,2，劉覺曉3，高振元4

（1. 南開大學(xué) 虛擬仿真實驗教學(xué)中心，天津 300350；2. 南開大學(xué) 人工智能學(xué)院，天津 300350；3. 南開大學(xué) 實驗室設(shè)備處，天津 300350；4. 天津瀚海星云數(shù)字科技股份有限公司，天津 300131）

為了整合全校虛擬仿真實驗教學(xué)資源，建立開放共享機(jī)制，探索并實踐了建設(shè)高校虛擬仿真實驗教學(xué)公共實驗室的設(shè)計理念、整體架構(gòu)和技術(shù)方案。實驗室采用開源、開放的設(shè)計思想與技術(shù)路線，充分體現(xiàn)了通用性、集成性、交互性與創(chuàng)新性。在面向全校各專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用中已取得了一定的效果，對實驗室設(shè)計的先進(jìn)性進(jìn)行了驗證。

虛擬仿真；人工智能；實驗教學(xué)；公共實驗室

隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能化產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域越來越廣。虛擬仿真技術(shù)屬于人工智能學(xué)科的研究范疇，教育部、科技部均將虛擬仿真技術(shù)教學(xué)、研究作為重點發(fā)展方向之一。2017年，國務(wù)院在《關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中提出，利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改 革[1]。2018年，教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知中也明確了教育智能化的必然性，指出：智能環(huán)境不僅改變了教與學(xué)的方式，而且已經(jīng)開始深入影響到教育的理念、文化和生態(tài)[2]。2019年，國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》中更是強(qiáng)調(diào)要利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)規(guī)?；逃c個性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合[3]。

虛擬仿真技術(shù)在教育方面的應(yīng)用是我們現(xiàn)在面臨的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。虛擬仿真實驗教學(xué)可以提升教學(xué)能力、拓展實驗領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、降低實驗風(fēng)險，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

2015年我校獲批的“計算機(jī)與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，其發(fā)展促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)方面的深入研究和應(yīng)用。2017年，人工智能學(xué)院開始承擔(dān)面向虛擬仿真實驗教學(xué)的校級公共實驗室建設(shè)，目前已完成一期工程。

校級虛擬仿真實驗平臺具有綜合性、強(qiáng)交互性和易擴(kuò)展性等優(yōu)點，它的建設(shè)可以使資源的效用達(dá)到最優(yōu)，促成高等教育教學(xué)的良性發(fā)展，從而為實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究及服務(wù)社會三大根本任務(wù)提供有益保障[4]。

1 虛擬仿真公共實驗室的建設(shè)思路

虛擬仿真實驗教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實、人工智能、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在開放、交互、自主的虛擬環(huán)境中開展實驗。這種虛實結(jié)合的實驗教學(xué)形式能夠拓展學(xué)生實驗的深度和廣度，有利于實驗教學(xué)要求高的教學(xué)大綱順利實施[5]，學(xué)生可以更加系統(tǒng)、全面地掌握實驗技能，拓寬學(xué)科視野[6]。面向虛擬仿真實驗教學(xué)的校級公共實驗室的建設(shè)理念和設(shè)計思想如下：

（1）科學(xué)研究與教育教學(xué)的深度融合。虛擬仿真技術(shù)屬于人工智能相關(guān)學(xué)科的研究范疇，是教學(xué)和科研不可或缺的組成部分，也是提升學(xué)生能力的教學(xué)載體。虛擬仿真公共實驗室將以人工智能學(xué)科的前沿技術(shù)引領(lǐng)教學(xué)發(fā)展，不斷將科研成果應(yīng)用到實驗教學(xué)全過程。在虛擬仿真中緊扣科學(xué)問題實現(xiàn)實驗內(nèi)容的高體驗度和強(qiáng)交互性，使實驗教學(xué)及科學(xué)研究相互融合，產(chǎn)出創(chuàng)新性研究成果，促進(jìn)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究協(xié)調(diào)發(fā)展，將學(xué)科建設(shè)的成果轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)優(yōu)勢[7]。

（2）探索虛擬仿真技術(shù)對實驗教學(xué)的改革。實驗室的設(shè)計突出了虛擬仿真的科學(xué)性、時間/空間的真實性，擺脫一般意義下“仿而不真”的動畫式或影片式教學(xué)方式，實現(xiàn)基于數(shù)學(xué)模型/多種算法的計算、實時渲染與三維交互相結(jié)合的實驗教學(xué)模式[8]。開設(shè)綜合性、研究型和創(chuàng)新性的開放實驗項目，加強(qiáng)師生間的溝通與交流，使學(xué)生在相關(guān)課程的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，既領(lǐng)會了相關(guān)實驗的科學(xué)問題所在，又提升了相應(yīng)的動手實踐能力和創(chuàng)新意識。

（3）構(gòu)建虛實結(jié)合的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。虛擬仿真公共實驗室的建設(shè)是高校實驗教學(xué)改革的典型案例，打通與各院虛擬仿真實驗室之間的技術(shù)和內(nèi)容壁壘，形成“雙核”校級虛擬仿真實驗教學(xué)與各院實驗室之間的教學(xué)資源共享。并設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)管理與共享應(yīng)用平臺，面向全校師生提供虛擬仿真教學(xué)資源共享服務(wù)，并逐步形成完整、系統(tǒng)、科學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)體系[9]。

2 虛擬仿真公共實驗室的設(shè)計理念

（1）通用性設(shè)計。虛擬仿真公共實驗室的設(shè)計滿足學(xué)校各學(xué)院、各學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)需求，與實驗課程教學(xué)緊密結(jié)合[10]，提供多學(xué)科的虛擬仿真項目開展軟硬件平臺，并同時支持高校實驗室安全、大型儀器的使用等面向全校學(xué)生的通識課，如“高校實驗室安全課程”“大型儀器的操作”等，平臺運行高效、學(xué)生受益面廣、使用效益好，資源開放共享程度高[11]。

（2）綜合性設(shè)計。實驗室具備虛擬仿真教學(xué)與開發(fā)的雙重功能，具備智慧實驗室為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（augmented reality，AR）與3D技術(shù)的綜合應(yīng)用。建設(shè)時充分考慮后期的維護(hù)和升級需求，從基礎(chǔ)建設(shè)開始著手，做到強(qiáng)弱電的分離、預(yù)留、可擴(kuò)展等，形成了專業(yè)特色突出、學(xué)科交叉融合、多元化的綜合性實驗教學(xué)模式[12]。

3 虛擬仿真公共實驗室功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

在虛擬仿真實驗項目開發(fā)時，作為承載、展示項目內(nèi)容的虛擬現(xiàn)實多媒體硬件平臺是建設(shè)關(guān)鍵。為了體現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)的完整性和綜合性，實驗室合理分割功能區(qū)，虛擬仿真公共實驗室功能見圖1。功能結(jié)構(gòu)分區(qū)如下：

（1）沉浸式大屏交互體驗區(qū)?？沙休d全班學(xué)生共同參與3D教學(xué)展示。整個區(qū)域采用弧幕屏展示，搭載兩臺高流明、高分辨率的專業(yè)工程投影，保證清晰度和色彩還原。利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、智能控制技術(shù)和交互設(shè)備，進(jìn)行三維可視化展示。可穿戴設(shè)備的使用可提升虛擬仿真實驗的沉浸感和真實感。直觀的立體教學(xué)模式，有效激發(fā)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

（2）虛擬仿真開發(fā)工作區(qū)。支持36臺共6組學(xué)生的虛擬仿真開發(fā)實驗，配備高性能圖形工作站、三維自動化建模掃描儀和三軸力反饋器，并把桌椅設(shè)計成可移動拼接的形式，既可以便捷地使用桌椅，又可以靈活地運用此區(qū)域，滿足不同的專業(yè)課程特點。掃描儀和力反饋器等人機(jī)接觸交互設(shè)備充分滿足學(xué)生的創(chuàng)作及創(chuàng)造能力，實現(xiàn)不同場景的VR、AR資源內(nèi)容的設(shè)計與實現(xiàn)。

（3）VR實驗體驗區(qū)。虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)采用主流的虛擬現(xiàn)實顯示終端，為學(xué)生提供沉浸式虛擬體驗，可以通過通用的虛擬現(xiàn)實設(shè)備進(jìn)行交互操作，滿足對交互性強(qiáng)的課程需求，使學(xué)生體驗到實驗的真實環(huán)境、操作過程和運行狀態(tài)的變化[13]。

（4）AR實驗體驗區(qū)。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)不僅展現(xiàn)了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺化的增強(qiáng)現(xiàn)實中，學(xué)生利用頭盔顯示器，把真實世界與電腦圖形重合成在一起，提供了在一般情況下不同于人類可以感知的信息?？梢允箤W(xué)生更近距離地接觸平時不便接觸的事物，增加對學(xué)科的興趣。

圖1 虛擬仿真公共實驗室功能圖

（5）多人交互實驗區(qū)。大空間多人交互解決方案是光學(xué)動作捕捉技術(shù)、慣性動作捕捉技術(shù)、VR 顯示技術(shù)、VR交互技術(shù)和VR資源內(nèi)容有效結(jié)合的產(chǎn)物。打破了單個VR設(shè)備空間局限性以及交互人數(shù)的限制，適合大空間里的演練以及多人共同操作的項目內(nèi)容。

（6）虛擬仿真超算集群?；诟咝阅艹愕奶摂M仿真實驗系統(tǒng)支持大數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集成、大規(guī)模定量計算和人機(jī)交互，使用多個處理器協(xié)同解決同一問題，提高了應(yīng)用程序的計算速度，支持開展數(shù)據(jù)處理量龐大的虛擬仿真實驗。

（7）在線錄播系統(tǒng)。錄播系統(tǒng)可以全方位多角度記錄實驗講授、操作和互動過程，能夠分別攝錄實驗室每個實驗分區(qū)，實現(xiàn)大規(guī)模的遠(yuǎn)程共享和在線學(xué)習(xí)功能。

（8）智能集控系統(tǒng)。實驗室采用智能化控制，實驗室內(nèi)部設(shè)施，包括投影、音響、燈光、窗簾、卷簾等電氣設(shè)備均可智能化遠(yuǎn)程管理。

4 開源開放的虛擬仿真實驗項目開發(fā)平臺

借助本學(xué)科研究虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，對虛擬仿真中的智能化建模、驅(qū)動與人機(jī)交互等共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行提煉，以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化為準(zhǔn)則，構(gòu)建開源、開放、通用的虛擬仿真引擎與開發(fā)平臺，開源虛擬仿真開發(fā)平臺技術(shù)框架見圖2。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，并且用戶可編程進(jìn)行二次開發(fā)，該技術(shù)路線對于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)是非常重要也是十分必要的，并可在相關(guān)實驗教學(xué)領(lǐng)域起到一定的示范應(yīng)用。

圖2 開源虛擬仿真開發(fā)平臺技術(shù)框架

（1）三維地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）編輯器?；贠SG的三維GIS編輯器提供一個可以表達(dá)廣袤空間的地球表面，在該表面上可以疊加衛(wèi)星影像圖和高程數(shù)據(jù)，該地球表面是由無線細(xì)分的三角面構(gòu)成，由算法提供可以動態(tài)管理三角面密度的方法。當(dāng)從太空向地面推進(jìn)時，地球表面的網(wǎng)格會越來越密，所表達(dá)的地形越來越精致，推進(jìn)到地面時達(dá)到最大精度，而在太空上觀測時地球表面起伏會被忽略掉，地球網(wǎng)格得到了極大的簡化。同樣附加在地球表面的影像圖也同樣做著類似的變化，在不同分辨率的圖像間不斷切換。

（2）SDK二次開發(fā)工具包。為用戶實現(xiàn)三維地球與場景的核心功能服務(wù)提供豐富的接口，這些內(nèi)嵌的功能可以以簡單易用接口被外界程序調(diào)用，可支持虛擬仿真運動單元等實驗教學(xué)內(nèi)容的研發(fā)。SDK提供了一套OSG/Python/C++/ROS控件，將三維窗口、導(dǎo)航圖以控件對象方式嵌入到用戶系統(tǒng)的可視化界面中，這些接口都可以通過腳本語言或非腳本語言來控制操作。

（3）機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）虛擬仿真對象驅(qū)動。基于ROS開源次級操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真對象驅(qū)動，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞等，有效支持C++/Python語言。

（4）地圖服務(wù)器。地圖服務(wù)器用來滿足客戶端和服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸需求，能將地形、特征或地圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳?。三維GIS平臺可以將這些數(shù)據(jù)附加到地球表面，同時也可以傳輸給二維地圖窗口，用戶可以點取點、線、面來向服務(wù)器請求特征數(shù)據(jù)。

5 虛擬仿真實驗教學(xué)管理與共享應(yīng)用平臺

虛擬仿真教學(xué)管理與共享平臺的搭建與互聯(lián)可以使學(xué)生有更多的機(jī)會參加高水平的實驗[14]，該平臺充分體現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)資源與技術(shù)在實驗教學(xué)創(chuàng)新模式改革中的作用，具有重要意義[15]。

（1）用戶權(quán)限管理模塊。采用基于角色的權(quán)限管理模式，可以設(shè)置不同的用戶組，靈活地為用戶設(shè)置不同的權(quán)限，系統(tǒng)權(quán)限管理模塊具有擴(kuò)展性。

（2）虛擬現(xiàn)實資源共享管理模塊。作為校級共享平臺，支持各學(xué)院虛擬現(xiàn)實內(nèi)容資源的統(tǒng)一管理和存儲，支持虛擬現(xiàn)實資源的查詢、共享，最大限度提高資源的利用率，并可以此為依據(jù)，對未來的虛擬教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行合理的規(guī)劃。

（3）實驗室預(yù)約及管理模塊。此為平臺的核心功能之一，也是虛擬仿真公共實驗室管理的重要組成部分。在開放式實驗教學(xué)和優(yōu)質(zhì)資源共享的背景下，合理分配實驗室資源，有效提高實驗室的使用效率，同時支持學(xué)生提交實驗報告并查詢成績。

（4）校園應(yīng)用及數(shù)據(jù)共享集成模塊。充分利用數(shù)字化校園建設(shè)的成果，支持與學(xué)校信息化平臺的無縫對接，支持學(xué)校信息門戶統(tǒng)一身份認(rèn)證。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊。對平臺中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（學(xué)生成績及使用記錄等）和資源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，生成不同維度的統(tǒng)計圖表。

6 建設(shè)特色

6.1 一體化平臺

應(yīng)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互等技術(shù)實現(xiàn)了面向虛擬仿真實驗教學(xué)的軟硬件系統(tǒng)的智能集控與智能交互；自主研發(fā)的開源開放的虛擬仿真實驗項目開發(fā)平臺擺脫了對商業(yè)軟件的依賴；虛擬仿真實驗教學(xué)管理與共享平臺的使用可以提高實驗室使用效率和管理能力。一體化的建設(shè)體現(xiàn)了實驗平臺的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，保障了實驗平臺的平穩(wěn)安全運行，從而提高實驗教學(xué)、管理的水平，提高學(xué)生參加實驗的自主性[16]。

6.2 校企合作的共建模式

充分發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，積極利用企業(yè)，特別是本地優(yōu)質(zhì)企業(yè)的開發(fā)實力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)校信息化實驗教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，探索校企共建共管的新模式和新途徑。充分發(fā)揮企業(yè)技術(shù)強(qiáng)、理念新、善實施等突出優(yōu)勢，鼓勵企業(yè)開發(fā)虛擬實驗教程并參與實驗教學(xué)改革[17]，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學(xué)服務(wù)支撐體系。

6.3 院際共享的運行模式

面向虛擬仿真實驗教學(xué)的公共實驗室建設(shè)具有創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)特色，由實驗室設(shè)備處與人工智能學(xué)院共建，旨在為全校虛擬仿真實驗教學(xué)項目搭建公共技術(shù)支撐平臺。人工智能學(xué)院負(fù)責(zé)提供技術(shù)和運維支持，由全校各學(xué)院實驗教學(xué)中心、虛擬仿真實驗教學(xué)中心提供建設(shè)意見和項目支持，打造成為服務(wù)全校虛擬仿真實驗教學(xué)和項目建設(shè)的強(qiáng)兼容性平臺，并在相關(guān)領(lǐng)域起到一定的示范作用。

7 結(jié)語

虛擬仿真公共實驗室經(jīng)過兩年的建設(shè)，初步實現(xiàn)了整合全校虛擬仿真實驗教學(xué)資源的目的，在面向全校各專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)用中已取得了一定的效果，一定程度上體現(xiàn)出了對于全校虛擬仿真實驗教學(xué)工作的支撐作用。

[1] 國務(wù)院. 關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].(2017-07-20). http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_ 5211996.htm.

[2] 教育部. 關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL]. (2018-04-18). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/ s3342/201804/t20180425_334188.html.

[3] 新華社.中共中央、國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》 [EB/OL]. (2019-02-23). http://www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/ content_5367987.htm.

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Research on university public laboratory for virtual simulation experimental teaching

XU Li1,2, WANG Hongpeng1,2, LIU Juexiao3, GAO Zhenyuan4

(1. Virtual Simulation Experimental Teaching Center, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. College of Artificial Intelligence, Nankai University, Tianjin 300350, China; 3. Laboratory Equipment Department, Nankai University, Tianjin 300350, China; 4. Tianjin Miragestars Digital Technology Co., Ltd., Tianjin 300131, China)

In order to integrate the resources of virtual simulation experimental teaching in the whole university, and to estiblish opening and sharing mechanism, the design idea, overall structure and technical scheme of constructing the public laboratory for virtual simulation experimental teaching in colleges and universities are explored and practiced. The laboratory adopts the open source and open design idea and technical route, which fully reflects the universality, integration, interaction and innovation. Some results have been achieved in the application of the virtual simulation experimental teaching for all majors in the university. The advanced nature of laboratory design has been verified.

virtual simulation; artificial intelligence; experimental teaching; public laboratory

G482；G642.0

A

1002-4956(2019)11-0262-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.064

2019-06-27

許麗（1987—），女，內(nèi)蒙古通遼，碩士，實驗師，研究方向為虛擬仿真實驗教學(xué)與管理。E-mail: xuli@nankai.edu.cn

王鴻鵬（1979—），男，山西晉中，博士，副教授，研究方向為人工智能與智能機(jī)器人技術(shù)，虛擬現(xiàn)實與智能仿真技術(shù)。E-mail: hpwang@nankai.edu.cn