段丹萍 項朝陽 江雷 鐘瑜 喬樑

摘要：隨著信息技術的不斷發(fā)展，虛擬仿真實訓在職業(yè)教育中逐漸占有重要的地位。本文首先分析了虛擬仿真實訓教學平臺的建設現(xiàn)狀，接著闡述了虛擬仿真實訓教學平臺的建設思路、總體框架和建設內(nèi)容，最后探討了平臺的運行機制和實踐效果。

關鍵詞：虛擬仿真實訓;虛擬仿真實訓教學平臺;虛擬現(xiàn)實技術

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）23-0107-03

計算機技術、網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實技術等的快速發(fā)展，以及實訓教育的改革，為虛擬仿真實驗技術的發(fā)展奠定了基礎，未來，虛擬仿真實訓將成為職業(yè)教育實訓的一種重要方式。但目前虛擬仿真實訓資源建設難度較大，且存在沒有統(tǒng)一的技術標準、管理混亂、使用不規(guī)范、沒有足夠的開放性等問題，導致各種虛擬仿真實訓教學無法開展。因此，為了有效整合、共享、應用和管理虛擬仿真實訓資源，筆者所在的研究團隊建設了校級虛擬仿真實訓教學平臺。

本文相關研究述評

目前，國內(nèi)外大學建設的虛擬仿真實驗教學平臺，主要技術包括以下幾種類型。

1.單機版虛擬仿真實驗平臺

早期虛擬仿真實驗教學平臺主要以單機版的形式應用于一些高校支持實驗教學，雖然可以匯總和輸出各種相關的信息，但存在信息輸入工作量大、維護性差、信息時效性差、無法實現(xiàn)信息和資源的共享、需要不斷更新等問題。[1]

2.基于C/S架構的虛擬仿真實驗平臺

美國俄勒岡大學主辦的虛擬實驗室擁有幾十種虛擬實驗，其中包括能量與環(huán)境、力學、熱學、天體物理等。[2]此虛擬實驗室被稱為VLAB物理實驗網(wǎng)站，運行時需要客戶機提前安裝好從服務器端下載的實驗程序。該系統(tǒng)采用了Java技術。重慶理工大開發(fā)的“纈沙坦原料藥虛擬仿真實驗”系統(tǒng)，采用C/S架構，使用者通過下載安裝客戶端軟件，在客戶端啟動程序與遠程服務器進行數(shù)據(jù)連接。

3.基于B/S架構的虛擬仿真實驗平臺

B/S架構是目前虛擬仿真實驗平臺的主流技術，于20世紀80年代在美國開始廣泛應用，90年代末逐步引入國內(nèi)，至今我國已有很多適用于不同高校的虛擬實驗管理平臺，但大多數(shù)功能較為單一，資源主題也偏向于某一類學科或?qū)I(yè)，綜合性的功能完善的虛擬仿真實驗平臺較少。[3]NOBOOK虛擬仿真實驗室（簡稱NB實驗）采用HTML5前沿技術，支持臺式機、平板電腦等跨平臺訪問進行化學虛擬仿真實驗。[4]北京郵電大學開發(fā)的關于通信及信號處理等網(wǎng)絡虛擬仿真實驗系統(tǒng)，采用了B/S架構，同時基于DLL以及多態(tài)技術、ActiveX組件技術實現(xiàn)虛擬仿真的功能。

4.混合架構的虛擬仿真實訓平臺

北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司開發(fā)的虛擬仿真實驗教學平臺，采用B/S+C/S的混合架構模式，涵蓋化學化工、食品工程、環(huán)境工程、生物制藥、工程力學、材料工程、能源電力等多個專業(yè)領域，開發(fā)了實驗、實訓、生產(chǎn)實習、半實物仿真工廠等專業(yè)化仿真教學平臺。上海夢之路科技有限公司開發(fā)的醫(yī)學虛擬仿真教學實驗平臺（MENGOO 4.0）采用混合架構模式，涵蓋了基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、護理學、口腔醫(yī)學、公衛(wèi)預防醫(yī)學、藥學、檢驗學、中醫(yī)學、中藥學、生物學等全醫(yī)學科的虛擬實驗教學軟件資源體系。

本文虛擬仿真實訓教學平臺的建設

1.建設思路

結(jié)合學校健康類學科、專業(yè)和課程對虛擬仿真實訓管理平臺的需求，以虛擬仿真實訓教學和VR教學資源管理為核心，建設集虛擬仿真實訓教學、虛擬仿真實訓資源管理和共享、統(tǒng)計分析、用戶管理等功能于一體的校級虛擬仿真實訓教學平臺，高效管理虛擬仿真實訓教學資源，實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的虛擬仿真實訓教學資源共享，持續(xù)推動虛擬仿真實訓教學改革與發(fā)展。

2.建設內(nèi)容

虛擬仿真實訓教學管理平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術為依托，集理論學習、實驗準備、VR虛擬演示、VR虛擬操作、考核評價和教學管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實訓教學平臺（如下圖）。

（1）門戶網(wǎng)站。門戶網(wǎng)站界面設計科技感強，簡潔美觀，布局合理，具有VR資源展示、VR項目展示、用戶登錄、新聞資訊、公共通知等功能。

（2）VR資源管理。VR資源管理是平臺核心功能之一，支持VR資源的分類上傳、修改刪除、收藏使用、按需要開發(fā)共享等，采用WebGl協(xié)議，可支持Unity3D、Quest3D等開發(fā)工具開發(fā)的VR軟件資源，筆者將VR資源分為Unity3D版、Quest3D版、移動版、單機版和超鏈接版五種類型，系統(tǒng)支持這五種類型的上傳和發(fā)布，其中Unity3D版和Quest3D版的資源可直接在瀏覽器端在線運行，移動版資源需掃描二維碼下載安裝后在移動終端運行，單機版需下載到本地計算機安裝后運行，超鏈接版直接跳轉(zhuǎn)至對應資源的網(wǎng)址使用。

（3）VR項目教學管理。VR項目教學管理用于支持教師自主創(chuàng)建、編輯和管理VR項目和教學班級及學生的成績，按需開展虛擬仿真實訓教學。在教師指定班級后，該班的學生即可在學習任務中查看到對應的學習項目，并開始項目相關的理論學習、虛擬仿真實訓練習操作、虛擬仿真實訓考核、在線測試、上傳實訓報告等，同時還能查看自己的學習成績。

（4）統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析主要支持對VR資源、VR項目、教師教學、學生學習、訪問量等的統(tǒng)計分析。即可對VR資源的容量、數(shù)量、發(fā)布時間、版權信息、所屬學院和專業(yè)等進行統(tǒng)計，可對VR項目的建項人、創(chuàng)建時間、開放情況、學生數(shù)量、所屬學院和專業(yè)等進行統(tǒng)計。

（5）用戶管理。用戶管理支持用戶權限管理，包含對院系、專業(yè)、班級的管理，支持對教師和學生賬號一鍵導入等功能。

（6）系統(tǒng)管理。管理員登錄平臺后對系統(tǒng)進行管理，主要包括門戶網(wǎng)站后臺數(shù)據(jù)管理、VR資源后臺管理、VR項目審批、系統(tǒng)安全管理等。

本文虛擬仿真實訓教學平臺的運行與實踐

1.平臺運行機制

虛擬仿真實訓教學平臺的有序運行依賴于有效的運行機制，主要包括以下方面。

（1）知識產(chǎn)權保護機制

虛擬仿真教學資源是平臺的核心資源，擁有典型的知識產(chǎn)權屬性。平臺的用戶必須經(jīng)過注冊和審核通過，登錄后才能使用平臺中的資源。同時，還要對VR資源進行加密處理，并在發(fā)布VR資源時注明該資源的版權信息，不允許用戶對平臺的資源私自轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）合理分類、標準統(tǒng)一機制

對校內(nèi)現(xiàn)有的虛擬仿真教學資源的技術特點進行分析，將其分為單機版、超鏈接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版），并根據(jù)市場主流的VR資源運行模式，確定WebGL為主流的類型。平臺同時支持單機版、超練接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版）的上傳和發(fā)布，并在未來VR資源建設中，接收以WebGL為標準的VR資源類型。

（3）協(xié)同共建機制

教師、開發(fā)人員、學生、企業(yè)人員深度參與，對平臺中的VR資源進行協(xié)同共建，建設既能滿足學校和企業(yè)虛擬仿真實訓教學的需求，又能根據(jù)不同學校和企業(yè)的個性化要求做出相應調(diào)整。

（4）按需開放共享機制

平臺支持VR資源的分類管理和教師自主創(chuàng)建VR項目，VR資源和VR項目都可以按照需要設置是否完全開放或者部分開放。

（5）激勵機制

通過鼓勵教師參加校級虛擬仿真實訓課程、校級虛擬仿真實訓項目立項建設，支持教師基于虛擬仿真教學平臺開展教學改革、參加比賽等，逐步推進虛擬仿真實訓教學資源在課程日常教學中的應用。

2.測試應用

在平臺部署完成后，筆者所在研究團隊對校內(nèi)60多套資源進行了上傳和發(fā)布，并組織了有虛擬仿真教學需求的8名教師和441名學生對平臺進行測試，在新冠疫情期間開展基于平臺的線上VR教學，經(jīng)過理論學習、自主練習、操作考核后，采用電子問卷針對平臺功能滿意度、平臺有用性及易用性對教師和學生進行問卷調(diào)查。數(shù)據(jù)顯示，使用的教師和學生對平臺均有較高的滿意度。

本文結(jié)語

虛擬仿真實訓教學是有效解決職業(yè)教育實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等特殊困難的重要措施。隨著越來越多的職業(yè)院校注重虛擬仿真實訓教學工作，建設可支持虛擬仿真教學資源集中管理、開放共享和深度應用的虛擬仿真教學平臺勢必會受到更多的關注。

參考文獻：

[1]盧梅霞.基于Web的虛擬實驗室的設計與實現(xiàn)[D].荊州：長江大學，2017.

[2]伏昕.基于B/S結(jié)構的高校實驗教學平臺管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2016.

[3]侯博程.基于安卓的虛擬仿真實驗教學資源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學，2019.

[4]黃教強.面向智慧校園的虛擬實驗平臺研究與實現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2018.

[5]董紅宏.虛擬仿真實驗管理平臺的設計與開發(fā)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學，2019.

第一作者：段丹萍，女，講師，工程師，研究方向為數(shù)字化資源的建設與應用、數(shù)據(jù)挖掘技術等。

基金項目：2018年廣東省高等職業(yè)教育教學質(zhì)量與教學改革工程項目“VR技術條件下工作過程導向的實訓教學模式研究”（GDJG2019204）、2018年廣東食品藥品職業(yè)學院自然科學研究項目“高職虛擬實驗實訓資源管理平臺的建設與研究”（2018ZR026）、2019年廣東食品藥品職業(yè)學院質(zhì)量工程項目“高職虛擬仿真教學資源共享與應用模式研究”。