运用虚拟化教学平台技术搭建技能型人才培训应用系统

2011-06-21李长速董胜利

森林工程 2011年4期

李长速，董胜利

(1.兰州石化职业技术学院电子电气工程系，兰州730060;2.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，哈尔滨150050)

延续了数千年的口授手传的技能教学方法时至今日仍然是技能型人才培养的重要方法，而紧随教学技术与工具的不断发展，当今已进入信息化技术在教学领域扩大应用的旺盛时期。信息化技术在教学中首先拓展了教学的时间和空间的广度，进而使学生吸纳知识与技能的途径更加多元化、个性化。而通过虚拟化教学平台的搭建，将会给学生提供一个实践操作的预览环境，在重复正确预置体验训练后，再将其掌握技能应用于真实操作中。这将给技能型人才培训方法提供一个更加有效的手段。

1 虚拟化教学平台建模

1.1 虚拟化教学平台构建的基础

虚拟化教学已在航天、航空、危险作业、军事训练等技能操作培训领域得到了成熟的应用。但鉴于其专业化程度高，应用领域特定，需要借助大量设备和装置来对应实现。因此在普通的培训条件下，普及程度还远远不够。而在信息化技术飞速发展的今天，一些原来只供专门领域特定的虚拟化教学，亦可利用运算能力日益强大的计算机硬件和遍布范围广泛的Internet网络，以及日益普及的数码终端产品、跨平台的软件编程语言和健壮通用的SQL标准数据库来组建虚拟化教学平台，进而结合技能型人才培训的特定要求，形成一套技能型人才培训的应用系统。

1.2 虚拟化教学平台架构模型

如图1所示虚拟化教学平台的基本架构，模型是以服务端为中心和多个客户端为分支构成［1］，整个系统分为三个层面:教师层面 (Teacher Side)、通讯界面 (Communication Interface)、学生层面 (Student Side)。

教师层面为服务端 SEVER，真人实时教学(Live real-time Teaching)，提供真人教师实时的教学授课服务;知识检索库 (Knowledge Search Library)，提供各种教学知识库关键字及分类和模糊查询;人工智能模式识别 (Artificial Intelligence Pattern Recognition)，提供高级的人机交互操作，通过人工智能技术及教学库来辅助学生的实践操作;以及其他的扩展接口 (Extended Interface)，预留扩展功能以适应各种定制平台的应用。教师端的服务形成了虚拟化教学平台的中心。

在学生层面，可有1～n个客户节点，形成客户请求的1～n个客户端CLIENT。学生层面提供了丰富的学习体验应用，基于字符的请求 (Character-based search request)，可适用于学生通过在线检索查询来自多个老师的知识经验库，实时文字交互通讯;视频、语音交互界面 (Video，Voice Interface)，对应于真实教师讲课进行音视频的实时交互，达到在真实课堂的双工教学模式效果;多维空间对象操控界面 (Multidimensional object manipulation interface)，借助监视器、定位器等设备将2D输入转换为3D数据，教师端提供相应反馈和展示;其他扩展 (Extended Interface)，预留扩展功能与教师端进行对应扩展。

通讯界面 (Communication Interface)为实现教师层面和学生层面的通讯连接，通过以串行数据线［2］或网络的形式构成的通讯链路实现以下功能，知识请求 (Knowledge request)、知识供给 (Knowledge supply)、感应交互 (Induction interaction)。

图1 虚拟化教学平台架构图Fig.1 The virtual teaching platform architecture

2 双工交互虚拟教学核心

2.1 信息获取与传递

所谓“双工交互虚拟教学”是指通过具备双工通讯能力的通讯线路进行实时的信息化交互教学活动。信息的获取可通过基于字符的信息传递方法、含有图表的富文本的获取、语音的获取、视频图像的获取。如图2所示，虚拟教学平台处理核心通过信息获取设备及装置来实现基于文字、图片富文本、语音视频以及多维空间对象的交互与操控;又通过信息展示与传达设备及装置进行信息的输出与反馈，它们可以是字符输出监视器、电子白板、语音输出装置、大屏投影装置、设备虚拟实境装置等。经过虚拟教学平台处理的所有信息都会存储到教学平台数据库中，并可随时供客户端进行SQL标准语言检索。

2.2 3D多维空间对象操控

图2 虚拟化教学数据流示意Fig.2 Data stream indicating the virtual teaching

实现3D多维空间对象操控是虚拟化教学平台的核心，而多维空间对象操控的实质是对3维坐标的数据处理。教学平台从客户端获得3维xyz操控坐标信息，并将3维信息通过转换，显示在2维坐标的监视中。在客户端，用户通过2维坐标拾取设备通过时序先传递2D平面坐标信息，再传递第3维坐标信息，这样就可通过2维设备来虚拟3维空间。这样的设计可以广泛的适用各种2D输入设备，如键盘数字输入、键盘方向键输入、鼠标，屏幕触控，光笔等2D输入。坐标转换的原理示意如图3所示。

3 虚拟教学平台网络布局

虚拟教学平台的通讯界面可为具备双工即双向同步通信的数据通道。最简单的以班级为单位的节点可以采用通信电缆进行设计，而如果规模扩大则应采用网络进行通讯。在数据量和响应速度要求高时可采用局域网络，在地域要求广泛条件下宜采用Internet网络，在客户端位置不断移动变化时可采用无线网络环境，亦可根据需求进行优化组合。

图3 3D多维空间对象操控坐标转换示意Fig.3 Coordinate transformation of 3D multidimensional object manipulation

虚拟教学平台网络拓扑图是一个树形结构［3］，如图4所示。在这个结构中，最小的单元为班级，而班级中是由一个教师端和n个学生端构成，n个班级归并到1个院系，n个院系归并到一个学校，通过Internet网络将n个学校连接成为一个地域范围极广的虚拟教学平台网络。

图4 虚拟化教学平台网络拓扑图Fig.4 Network topology of virtual teaching platform

4 虚拟教学平台搭建

4.1 采用B/S结构

搭建虚拟教学平台，首先要确定该系统所采用的系统结构，可以采用的结构有C/S结构和B/S结构，而优先选用B/S结构。这是因为，随着服务器处理能力的不断加强和网络速度的提高，通过Browser客户浏览器与Server服务端构成的系统的响应速度得以明显提高，B/S的免客户端维护特性可以得到充分应用。虚拟化教学平台是以教师端为服务端的系统，客户端是数以百计千计的学生端，当服务器端系统进行升级或修改后，客户端立即获得最新的版本，这为迅速部署系统应用提供了最佳的方案。

4.2 系统跨平台特性

虚拟教学平台所采用的系统应能实现跨平台的特性，由于客户端所采用终端模块各异，因此到达客户端的前台代码要符合W3C规范，按照此规范的所编写的代码不但能很好的兼容各种web浏览器，也可适应各种硬件终端的要求，这样参与学习的学生终端可以是PC机、智能手机、机顶盒等各种不同的硬件设备。

而在服务器端，可采用具备跨平台特性的计算机语言进行服务程序的编写。Java是一种跨平台的，面向对象的，可移植的语言，因此符合虚拟教学平台跨平台的特性，一次编写代码，并可在流行的Windows系统、Unix系统上进行搭建服务端平台。跨平台的适应性可充分利用现有服务器设备的性能，达到较小的投入和快速应用的效果。

5 应用与实践

5.1 技能型人才培训对虚拟教学平台应用的需求

本文所述的虚拟教学平台能够较好地适应技能型人才培训对虚拟教学平台应用的需求。技能型人才培训所需要的平台环境主要对实时环境、容错与健壮性［4］、可扩展与定制等指标提出了响应需求。技能型人才培训对教学平台中的实施环境有较高的要求，当学生通过定位器操作指向响应的3维坐标后，系统应在小于50ms的范围内做到及时反馈，使学生获得当前定位坐标数据，操作过程与预定标准的比对是否符合规定值域。在容错与健壮性方面，应可宽限度接受来自终端的请求，当请求超限时，能够调出预定容错代码，进行容错处理，而不至于使系统进入崩溃或停止响应。在可扩展与定制指标中，系统应能具备扩展接口，本系统在模型架构设计时就把扩展接口作为系统架构的一个重要指标。

5.2 通过虚拟教学平台针对技能型人才培训而构建的应用系统

虚拟教学平台是一个通用的信息化计算机辅助教学系统。为了能更好地符合技能型人才培训应用的需求，需要针对专门的技能型人才培训定制相应的模板库。比如在电气类技能型教学中，可以将电气类的实验器具进行虚拟实境的制作，将各种预定参数和标准值录入系统，将电气实验器具模板库加载到系统中。学生可在设定好的虚拟环境中进行无限次的重复练习。而在土木专业的测量实训中，可以将水准仪、经纬仪、全站仪等测量仪器的实训内容制作为虚拟实境项目，加载到系统中，学生可以在监视器前完成基本的、规范的虚拟操作，为外业实际操作打下良好的基础。