云计算背景下的虚拟实现技术在高校中的应用

欧跃发,黄春迪

（1.梧州职业学院，广西梧州 543002；2.桂林市秀峰区教育局，广西桂林 541004 ）

引言

在今天高校教育网络化建设发展的过程当中，受到各高校地理位置、师资、资金投入、网络传输速度、服务器的数据处理能力等诸多因素的影响，导致教育网络化建设的平台不能满足当今师生学习的需要，师资、信息和资源无法有效共享等问题。这些问题成了教育信息化发展的瓶颈。因此，我们亟待寻求一种新的技术来解决这些问题。正是在这种需求背景下，诞生了一种新的网络计算模型——云计算。它的出现，将会使用户以桌面为核心，转移到以Web为核心，特别是云计算结合虚拟实现技术，将会给我们的教育带来全新的革命。

一 云计算与虚拟实现技术概述

“云计算”实际上是一种基于互联网的超级计算模式，在远程的数据库里，成千上万台计算机和服务器连接成一片计算机云，它通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，使得高校数据中心的运行将更与互联网相似。

虚拟现实技术是近年来出现的高新技术、也称人工环境或灵境技术。虚拟现实是利用计算机技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、无限制地观察三维空间内的事物。虚拟实现借助3D技术，来构建真实的现实生活场景，它可以是某一现实世界的真实实现，也可以是虚拟构想成的虚拟世界，人在虚拟现实环境中可以获得与在自然环境中相同的感受，真实体验视觉、听觉、触觉及智能感知的直观、自然的效果。虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性、构想性的特点突出了形象思维和逻辑思维的结合，认知和感知的并用，使其应用于教育可以弥补现有网络教育体态语交互和亲身体验等缺陷，还可以解决教育资金投入不足的问题和帮助学生理解所学的专业技术理论，并可以让学生通过虚拟实现技术进行一些现实中难以展开的实验。

二 高校教学发展现状

教学基础设施和软、硬件资源及师资等是教学工作展开的基础，目前国内高校的教学现状归纳起来主要表现在以下几方面。

（一）教学投入不平衡

部属、知名高校等院校社会影响力大，国家比较重视投入较多，又加之一些慈善企业家捐赠，资金投入多，因此拥有更多、更优质、更先进的教学资源，比如师资力量强，实验、实训设备齐全且先进。相反大部分地方高校以及部分民办高校，由于办学历史不长，或者地域分布在经济欠发达的地区，又加之社会影响力有限。资金投入相对不足，进而造成师资的培训和各方面建设的投入不足，师资水平较低，实验实训设备陈旧且缺乏，跟不上新技术更新的步伐。以上情况，说明这两类院校的教学资源和师资存在很大差距，使得教学水平的差距进一步拉大，进而导致了教育不公平的现状日益严重。

（二）教师、教学资源分布不均衡、共享程度低

当前高校基本都是一个教师对一个班级上课，一个学校的教师都是只对本校的学生授课，本校的教学资源只供本校学生使用，更有同一学校的不同院系的教学资源和师资都不共用。导致大部分资源不共享和资源的闲置，造成资源投入的浪费。

近些年来随着高校网络教学和远程教育的发展，以及部分高校的合并和联合办学，使得部分资源在不同区域、不同院校之间得以一定程度和一定范围内的共享，但由于高校区域分布的不平衡，以及部分资源（如先进的实验室和硬件资源等）本身就难以共享与整合，使得资源整体共享率依然很有限。

三 云计算背景下的虚拟实现技术在高校教学中的应用

虚拟实现和云计算技术，是近几年IT技术发展的热点。虚拟实现技术已经为用户节约了大量成本的投入，提升了高校资源的运营效率，更重要的是下一代的云计算数据中心和生活中实际场景的模拟也将基于虚拟化来进行构建与支撑。而新技术的出现总是首先应用在教育领域，接下来我将谈谈基于云计算技术背景下虚拟实现技术在未来教育领域的应用方向：

(一)高校数据中心的虚拟实现

高校的数据中心通过服务器虚拟化、构建虚拟化、应用虚拟化等，不但可解决各种资源利用率和办公效率的问题，以及教育资金缺乏等问题，同时也赋予了高校教学管理更大的灵活性和先进性。

虚拟实现技术可以帮助高校数据中心减少教学服务器数量、优化教学资源配置并简化教学资源管理。随着新一轮云计算技术的发展和应用以及全球IT技术的发展趋势，利用虚拟化服务实现高校动态 IT基础设施环境，进一步改善现有的数据中心架构和管理模式，实现教学面向服务、面向应用、面向大众化、面向绿色安全的数据中心，将是未来教育发展的方向。为实现绿色IT、降低“碳排”，对数据中心的服务器实施监控，有计划地淘汰高能耗、低效率的旧式服务器，对不受管理或低利用率的服务器进行重新虚拟实现。以使院校内各部门、各院系减少服务器采购的数量，优化资源利用率，并同时使得这些部门网站的信息安全得到较为彻底的改善，这更适应高校扩招及信息化教学持续扩张的需求，同时也大大降低了关键应用灾难备份所需的服务器采购数量与维护成本，从而大大节约了教学资金的投入。

（二）教师的虚拟实现

云计算时代的虚拟教师被定义为：计算机借助3D技术生成的三维虚拟学习环境中，能够模拟真实教师的形象及动作表情、模拟真实教师的教学功能的技术实体。虚拟教师有以下几个特点：有自身的几何模型；可以与整个云计算环境交互，感知并影响云计算环境；虚拟教师的行为可以由计算机程序控制，也可以由现实生活中的真实人控制，虚拟教师与学生之间可以通过自然的方式，如自然语言、体态语等进行交流。虚拟教师借助人体建模技术、运动生成与控制技术、手势识别技术、人体姿态识别技术、语言识别技术、面部表情识别和生成技术产生具有表情丰富、动作生动、行为逼真的仿真场景，可以极大地增强学生在线学习的兴趣和效果。特别是这些虚拟教师，不但可以承担某些课程的教学工作，还可以对学生的学习过程进行全方位的跟踪指导，能利用红外线和虹膜技术自动评估不同学生的学习能力，以及学生的知识掌握程度，根据评估的情况可以对学生进行辅导和学习方法引导，还可以对不同学生的学习情况给予提供适合的课程学习与建议。虚拟教师可以利用不同的教学工具和不同的授课方法，对不同的学生采取不同的教学和辅导方法，此外，还可以给学生布置课外作业，并对作业进行批改与评分。

学生在这种虚拟教师的教学下，不管家庭贫困与富有，都可以享受到每一学科领域的一流教师授课，还可以向学术界最具权威的专家和教授请教，享受最有效，最科学的教学方法。虚拟教师在教学活动过程中，不再是定位于某个课堂，某个学校，某个地区，而是一种全球化的教学活动，真正实现了全球化的师资在云计算下的聚集与共享。

（三）教室的虚拟实现

什么是虚拟教室？简单的说，就是网络上的教室，即数字教室，它能实现模拟、仿真传统课堂教学。有了虚拟教室，就可以开展远程教学，可以突破时间、地点、人员、场地的限制。它是一个能媲美“传统课堂教学”的网上课堂 。在当前云计算背景下虚拟教室主要有以下特色：

（1）投入少，方便使用，即租即用：

只需要根据开设课程的情况、学生人数、授课时间，在第三方服务商提供的教学平台上租赁即可。不需要新增任何硬件和软件，不需要投入大笔资金，就能够拥有“高效的、简单的、可靠的、安全的”虚拟教室，同时利用先进的加密算法，还能保证您课程的信息安全和知识产权。

（2）教师授课特色：

虚拟教室不再受授课时间、地点的限制，可以不受学生打扰，可以同时兼顾所有学生的学习进度，可以充分的根据自己的教学经验，尽情讲解。而且针对不同地点的多个班级，只需要讲解一次，这样可以腾出更多的时间用于同学生交流、答疑，最终达到传道授业解惑的教学目的。

（3）学生学习特色：

学生自主安排学习，不受时间、地点限制，甚至是进度的限制，可以根据自己的学习情况，进行安排。可以多次反复听讲，直到自己完全理解掌握为止 ，而这在实际传统的教学中，这是不可能做得到的，而且还可以随时暂停，进行同步练习和实践，这是IT时代学习知识的最佳方式，真正做到：“耳、眼、手”三位一体学习，把获取知识和练习实践合二为一，从而大大的提高了学生的学习兴趣和质量。

（四）实验实训的虚拟实现

在云计算时代背景下，借助虚拟实现的实验、实训可以模拟真实逼真的实验场景，让学生足不出户便可参与各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，特别是虚拟实验避免了真实实验或操作所带来的各种危险，以前对于危险的以及对人体有害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，而利用虚拟实现技术，则可以避免这些麻烦，学生可以放心的去做各种危险的或危害身体健康的实验了。例如，虚拟的化学实验，可以避免化学反应所产生的燃烧、爆炸所带来的危险；虚拟的外科手术，可避免由于学生操作失误，而造成“病人”死亡的医疗事故；虚拟的飞机驾驶教学系统，可免除学员操作失误而造成飞机坠毁的严重事故。利用虚拟现实技术，可以打破空间的限制。小至原子粒子，大到宇宙天体，我们都可以进入这些物体的内部进行观察。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在几分钟内就可以实现。而对于实验实训内容的变更及现实生活和工作的实际，可以通过修改仿真软件系统的参数来实现，所以十分方便和灵活，从而大大减少了教育经费的投入，改善了教学条件不足的现状。

此外，虚拟实验和实训，它借助3D虚拟仿真系统，可以让不同的学生在同一虚拟实验实训中会有不同的经历和感受，也就是他们可以对同一个实验的仿真情况进行不同的分析，可以得出不同的结果，这就为学生探索式学习、探索式研究、交互式学习提供了前提条件，真正达到了创新人才培养的目的。

（五）校园的虚拟实现

众所周知，校园文化底蕴，学习氛围等对人类教育的影响及其作用是深远的。教师、校友、图书馆、教室、课堂，实验楼等等，校园的一草一花，每一次活动无不潜移默化地影响着我们求学的每一个人，伴随着我们成长。从中得到的教益从某种程度来说，远远超出书本所给予我们的。网络教育的特点，虚拟现实技术的特点，决定了我们可以仿真我们的校园环境，可以模拟具有任何学习氛围和教学设备的数字化校园。在未来云时代背景下，实际物理意义上的校园已经完全由3D虚拟实现技术通过网络公司和教学软件虚拟实现了，它具有完整的科学的电子教学方法，具有大容量的电子图书馆，具有畅通的宽带网络，具有丰富的虚拟社区生活场景，具有能够深刻影响人们的文化氛围环境，具有便捷的入学和毕业手续，具有公正的科学的不限时的考试体制等。这必将对我们的未来的学习与生活产生巨大的影响。

四 结语

云计算背景下的虚拟实现技术在高校教学中的应用，当数据中心采用云计算服务时，不论采用公有云还是私有云，其相应的工作模式处理数据的时候，都存在如阻断服务、网络安全等很多问题，特别是目前不安全不成熟的云管理系统，其相应的资料中心容易受到黑客的攻击，像错综复杂的租用关系可能带来新的网络威胁。特别是云计算与虚拟实现技术的复杂结合，使得资源共享、数据集成、网络安全、虚拟仿真效果、经济成本、适用性等方面遇到很多难以解决的问题，这些都是需要我们新一代技术人员和专家的深入研究来解决。可喜的是，目前很多专家、很多企业花费巨资至力于云计算和虚拟实现技术的研究，相信在不久的将来云计算和虚拟实现技术遇到的上述问题会有较大的改善，这必将为未来的教育事业带来全新的革命。

中国国家级人才工程“万人计划”

作为中国国家级人才工程，“万人计划”和“千人计划”一样，由中央人才工作协调小组统一领导，中组部牵头，中宣部、教育部、科技部、人力资源社会保障部等共同实施。2012年9月，“万人计划”正式启动实施。这一计划准备用10年左右时间，遴选支持1万名自然科学、工程技术、哲学社会科学和高等教育领域的高层次人才。中央人才工作协调小组办公室负责人介绍，该计划不铺新摊子，不设新项目，主要是对国家人才发展规划相关重大人才工程进行整合打包，从国家层面提供特殊支持，形成与“千人计划”同等地位的国家人才工程。

该计划包括3个层次7类人才。第一层次100名，为具有冲击诺贝尔奖、成长为世界级科学家潜力的杰出人才。第二层次8000名，为国家科技和产业发展急需紧缺的领军人才，包括科技创新领军人才、科技创业领军人才、哲学社会科学领军人才、教学名师、百千万工程领军人才。第三层次2000名，为35岁以下具有较大发展潜力的青年拔尖人才。对“万人计划”入选对象，在有关部门和单位原有支持的基础上，国家再给予直接特殊支持、提供特殊条件，形成集成效应。

在经费支持方面。中国为科技创新领军人才、哲学社会科学领军人才、百千万工程领军人才、教学名师安排每人约100万元用于自主选题研究、人才培养和团队建设等。地方和用人单位还可配套给予适当支持。 中央人才工作协调小组办公室负责人表示，这与平时的课题申报、评审不同，入选者可以瞄准自己专注的领域开展自主研究，把他们从繁琐的项目申报、评估中解脱出来。