基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发

崔贯勋, 熊建萍

(1. 重庆理工大学 计算机科学与工程学院, 重庆　400054；2. 重庆理工大学 图书馆, 重庆　400054)



基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发

崔贯勋1, 熊建萍2

(1. 重庆理工大学 计算机科学与工程学院, 重庆400054；2. 重庆理工大学 图书馆, 重庆400054)

在对MOOE和MOOC进行对比分析的基础上,以虚拟仿真实验为切入点,阐述了MOOE教学平台所需的关键技术、平台架构、仿真模型及平台运行模式,以虚拟车间为例,说明虚拟设计流程和虚拟制造流程,设计并实现了基于虚拟仿真和云计算技术的MOOE模式下的实验教学平台,并将该实验教学平台应用到我校相关课程实验教学中,证明了该平台的有效性。

实验教学平台； 虚拟仿真； 云计算； 大规模开放在线实验

2012年,大规模开放在线课程(massive open online course,MOOC)上线,给传统的高等教育带来巨大影响。美国斯坦福大学的校长称其为教育史上的“一场数字海啸”,《纽约时报》作者Laura Pappano将2012年称为“MOOC元年”[1]。2013年,哈佛、斯坦福等著名大学先后设立自有网络在线学习平台,Coursera、Udacity、edX三大课程提供商获得了巨额融资。同年,北京大学、清华大学、复旦大学等国内著名大学陆续与Coursera、edX课程提供商建立了合作关系。这种全新的在线教育方式,使得全世界的人可以共享优质教育资源，使个性化学习成为可能,并且促进了教育观念、方式和体制以及人才培养过程的变化,促使许多高校(特别是一些名校)开始实施大规模开放在线课程项目[2]。

MOOC的教学形式对理论知识型课程教学比较适应,但很多理论与实践结合紧密的课程采用MOOC教学则存在一定的困难,困难主要是在实践教学部分。对于这样一种有别于传统的课堂+实验室的在线学习模式,如何开展实践教育以培养学生的动手实践能力,成为教育专家学者不得不思考的问题。

1　建设虚拟仿真MOOE平台的必要性可行性

在虚拟仿真实验环境中,实验者可以做一些在真实环境中无法实现或者难以实现的实验,也可提高某些在真实的实验环境中的实验效果。如网络攻防实验、车辆冲撞、爆炸实验、释放毒气或其他危险的实验。

1.1必要性

首先,MOOC提供了大量的优质的教学资源,但很多课程需要学生动手实验才能保证课程的学习效果。然而学生在实验室动手实践、教师辅导的实验环节无法用在线模式进行[3]。

其次,当前高等教育的重中之重是提高人才培养的质量。信息化技术的发展为人才质量的提高提供了有力支持,通过大规模在线开放实验(massive open online experiments,MOOE)教学,不仅改进了实验教学的方法和手段,还丰富了实验教学内容,进而促进高等教育的改革和助力提高人才培养的质量。为此,欧盟提出了数字化学习计划、韩国制定了2011智能教育推进战略、日本发布了2010教育信息化指南、加拿大实施了eduSpecs计划、美国全力推进NETP2010教育技术计划[4]。我国制定的《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》明确指出:“建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室”,“遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统”。在教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中提出:“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物。国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作是高等教育信息化的组成部分。”

1.2可行性

随着计算机软硬件的快速发展,日益成熟的交互式多媒体、虚拟现实、增强现实、3D打印、遥现技术、数据库以及网络通信为虚拟仿真实验平台的开发提供了重要的技术保障；而云服务具有超大规模、按需服务、低成本、可伸缩、个性化的特点,对建设校园MOOE的支持使得海量网络课程内容的存储成为可能；网络通信技术、信息压缩技术、先进计算技术、大数据处理技术的快速发展，为建设大规模实时在线课堂，进行视频交互、快速点播和高密度访问提供了强有力的技术保障[5]；互联网的便利特性和强大互联特性,使得学生不受时间和地点的限制,能很方便地进行虚拟实验并及时看到实验结果。

2　基于虚拟仿真和云计算技术的MOOE平台

2.1MOOE实验教学平台的架构

笔者基于对云计算技术、MOOC模式、虚拟化技术的认知,提出了包含存储、虚拟化应用、虚拟化管理和安全四位一体的MOOE教学平台,其架构如图1所示。

图1　基于虚拟仿真技术的MOOE教学平台架构

存储是由服务器、交换机、路由器等相关硬件及连接上述实体的网络所组成的集群,同时配置大容量、高性能、扩展能力强的分布式系统,通过成熟的虚拟化技术,将CPU、内存、外存等物理资源虚拟化成资源池。通过开发虚拟化应用可以很方便地调度这些资源,可以监控用户的行为,确保系统安全有效地运行[6]。

2.2实现虚拟仿真实验教学需要的关键技术

(1) 多媒体技术。即使是虚拟实验,要达到较好的效果、吸引学生学习的兴趣,就要尽可能地展现逼真的环境,甚至比真实的环境还要好。这就要求在虚拟实验环境中辅以文本、图形、图像、动画、声音、视频等信息,要综合处理这些信息,就需要多媒体技术的支持,以提高实验环境的形象、生动、直观、高效性[7]。

(2) 人机交互技术。实验教学的重要特点是学生要动手操作,而不仅仅是演示。通过相关的操作输入信息后,经过计算机处理,输出仿真实验结果,也就是实验的过程需要人机交互。人机交互技术不仅仅是通过键盘输入然后通过显示器输出,还包括手势、眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、唇读、人脸、DNA等人类特征识别技术的应用[8]。

(3) 可视化技术。为了提高实验过程的生动性,便于学生观察实验并留下深刻的印象,不仅要把实验的数据以图表或图像展示出来,还要把实验过程也展示出来,这就需要可视化技术的支持。可视化过程也是建模和渲染的过程,科学可视化(scientific visualization)也成为当前热门的研究领域之一。

(4) 虚拟现实技术。虚拟实验需要为用户提供一个观察和交互的界面,让参与者感觉置身于这个环境中,体验到实验环境的变化,也就是要产生沉浸感。虚拟现实技术有3方面的含义[9]:一是借助于计算机生成的环境是虚幻的；二是人对这种环境的感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉等)是逼真的；三是人可以通过自然的方式(手动、眼动、口说、其他肢体动作)与这个环境进行交互,虚拟环境能够实时地产生相关反应。虚拟现实技术与多媒体技术、人机交互技术相结合,可以使仿真实验过程具有强烈的沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性。

(5) 增强现实技术。这是将虚拟环境和真实现实“无缝”对接的技术,也是在虚拟现实技术基础上发展起来的技术。通过多传感器信息集成、实时跟踪及注册、场景融合等技术,将由计算机生成的虚拟物体、环境或信息实时叠加到真实场景中,采取透过式头盔显示系统和注册系统相结合的形式,使用户获得超越现实的感官体验[10]。一是真实世界信息与虚拟世界信息的相互补充、叠加和同时显示；二是实时交互；三是可在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。

2.3虚拟仿真实验实现的流程

尽管仿真实验是一个虚拟的过程,但需要正确地反映真实的场景,否则就没有意义。这里以虚拟设计为例,说明虚拟仿真实现的过程。

在实际生活中,往往有很多问题是无法预知的,需要在正式使用中才能暴露出来,而虚拟设计是在虚拟的环境中进行产品设计,能在设计过程中及时发觉并排除这些问题[11]。虚拟设计技术充分利用各种先进的应用技术,如仿真技术、虚拟现实技术等,是集各种先进技术于一身的现代设计方法。虚拟设计完成后就可以进行虚拟仿真制造了,其流程分别如图2和图3所示。

图2　虚拟设计流程

图3　虚拟制造实现的流程

2.4基于虚拟仿真技术的MOOE教学平台的实施

较早的基于互联网的在线学习是基于关联主义(也称作联通主义)学习理论,对应的实验平台我们称之为cMOOE[12],它提倡把大家的想法连接在一起以获得更多的知识。

2011年底,美国斯坦福大学创办了免费大型公开在线课程项目——Coursera和Udacity(Udacity先有的课程资源是免费的,但学生若要通过某些考试来获得Udacity的官方认证则是要收费的),麻省理工学院和哈佛大学联手创建了edX,它们被统称为xMOOC,对应的实验平台被称为xMOOE,其组织与实施如图4所示[12]。

图4　xMOOE模式的组织与实施

3　基于虚拟仿真技术的MOOE平台的优点

3.1MOOE教学平台使得因材施教成为可能

传统的实验教学往往是在同一时间、同一地点,所有的学生进行同样内容的实验,这就使得实验内容难以把握:难度大或者内容多,有些学生会完不成；难度小或者内容少,又不能满足另一些学生对知识的需求,造成实验效果不理想。有了在线实验教学平台,同课程的教师都可以在上面布置实验内容,这样总体上内容就会大大丰富,学生可以进行差别化的选择,进而达到因材施教的目的,使得人尽其才,实验效果得以最优化。通过相关的评价体系,也可以实时去除一些不合适的实验内容[13]。

3.2实时评判学生的实验结果、及时解决问题

传统的实验教学中,一位教师常要同时辅导几十个学生,平均每个学生每节课只有1～2分钟被辅导的时间,往往只有少数学生能得到教师的辅导。由于学生人数多、教学任务重,教师不能及时批改学生的实验报告；学生也无法及时发现自己在实验中的问题。

有了在线实验教学平台,教师能够实时对学生的实验结果给以评判,如果实验结果不正确，学生可以及时查找问题所在并解决问题,真正锻炼了学生的实践动手能力,使他们加深对知识的理解[14]。另外,通过MOOE教学平台可以大大增加学生学习最新技术的机会,学生不仅可以做教师布置的实验内容,也可以做MOOE平台上其他同课程教师布置的实验内容,甚至做其他学校的实验内容。如果没有MOOE,这几乎是不可能的[15]。

需要说明的是，为减少Matlab与Adams之间交换的数据量，在联合仿真过程中仅针对LH与RH的臀关节与髋关节进行数据交互。在开始仿真前，根据第一章规划的斜面运动方式，预先设计开环状态下所有关节的运动情况，并通过SPLINE函数导入到Adams模型中的对应关节。仿真开始后，控制器生成的控制信号将会叠加在4个被控关节角之上，形成新的关节角度以驱动模型运动，完成联合仿真[10]。

3.3建设成本和运行成本低,安全性好

由于MOOE教学平台运行成本低,建设成本也远远低于购置高精尖仪器的成本,学校不必投入太多的财力就可以解决实践教学的问题。对于一些有危险、污染、时间长的实验,小概率、不可重复和再现的实验,极端条件下的实验和破坏性实验，在传统的实验室难以完成,而在MOOE教学平台上很容易完成[16]。传统实验室存在的建设成本高、维护运行成本高、需要专门的场地、实验平台的共享、非工作时间的利用、实验过程的跟踪、实验过程中的交互和教师答疑不及时等诸多问题,在MOOE平台上很容易得到解决。

3.4MOOE与MOOC结合使在线教育功能强大

MOOC的特点是:

(1) 工具资源多元化,MOOC课程集成了论坛、即时通信等社交网络工具和数字化资源,形成多元化的学习工具和丰富的课程资源；

(2) 课程易于使用,它突破了传统课程时间、空间的限制,不仅可以学习本校课程,也可以学习他校课程；

(3) 课程受众面广,不受场地的限制,可供更多的人同时学习；

MOOE的特点是:

(1) 解决了MOOC课程的实验教学部分,特别是工科实验教学动手操作部分；

(2) 以课程而不是知识点来组织实验教学体系和检验课程学习成果的评价体系；

(3) 建立具有行业和岗位特色的、有创新的实验项目集合,增强实践内容与社会需求的衔接性；

(4) 便于引进优秀企业的培训体系,为提高人才培养的质量提供丰富的教学资源和先进教学方法；

(5) 建立没有实验室的实验体系,突破空间和时间限制,为学生提供创新性实验教学环境。

MOOC对于通识课程的教学帮助很大,不但受益面大,而且对实践操作要求较低；然而对于实践性强的课程——特别是工科课程,MOOC却有无法避免的弱点。有了MOOE实践平台,就可以让MOOC模式的推广如虎添翼。

4　结语

笔者提出的基于虚拟仿真技术的MOOE教学平台框架不是单一的资源组合,而是资源、评价、学习、师生互动的一体化课程平台。为了吸引学习者的注意力和兴趣,每门课程都可以根据学习者的情况保持其个性化需求。由于平台服务的对象不仅有本科生,还有专科生、研究生,甚至还有社会人士,因此需要考虑多元化的课程教学模式。另外,目前广泛使用的社交网络和平板电脑、智能手机等便捷化智能终端存在大量用户,因此,MOOE平台的设计可以参考社交网络的特点,在实验教学中加入生动活泼的元素,让多种终端都能够访问,使MOOE学习成为一种愉快的事情。

References)

[1] 马新强,黄羿,蔡宗模.MOOC教育平台技术及运营模式探析[J].重庆高教研究,2014,2(1):5-9.

[2] 白浩,李新成.基于MOOC的教师教育网络课程平台的设计与实现[J].中国教育信息化,2013(21):73-77.

[3] 周丽涛,刘越,彭立宏,等.探索MOOC在计算机实践教学中的应用[J].计算机工程与科学,2014,36(增刊1):118-121.

[4] 罗国玮,兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台构建研究[J].实验技术与管理,2012,29(4):115-117.

[5] 崔贯勋.基于云计算技术的计算机实验教学平台[J].实验室研究与探索,2013,32(10):447-450.

[6] 王斌华,李楠,孙月新,等.国家教育云平台架构设计及关键技术分析[J].现代电信科技,2013(5):59-62.

[7] 何永忠,王伟,黎琳.基于云计算的信息安全实验教学平台建设[J].计算机教育,2014(1):39-42.

[8] 李山山,陈永强,刘敬晗,等.MOOC时代下的计算机实验教学探讨[J].计算机教育,2014(13):103-106.

[9] 崔贯勋,刘加伶,王勇,等.基于VRML技术的虚拟实验室的设计与实现[J].实验技术与管理,2011,28(1):88-90.

[10] 杨龙军,陆洪毅.基于云计算平台的计算机硬件远程实验室实现[J].华中科技大学学报:自然科学版,2013,41(增刊):72-76.

[11] 胡晓玲,强桂.基于云计算的教育技术实验平台构建:以3DMAX课程为例[J].实验技术与管理,2012,29(8):88-91.

[12] 王萍.大规模在线开放课程的新发展与应用:从cMOOC到xMOOC[J].现代远程教育研究,2013(5):13-19.

[13] 李大为.基于云计算的高校实验平台架构建设[J].广西轻工业,2011(12):82-83.

[14] 张宁,潘伟民.基于云计算的高校实验平台的设计与构建[J].新疆师范大学学报:自然科学版,2013,32(3):11-14.

[15] 崔贯勋.基于云计算技术的MOOC实践教学平台[J].实验室研究与探索,2015,34(8):119-223.

[16] 庄科君,贺宝勋.基于云计算的高校计算机实验教学系统设计研究[J].电脑知识与技术,2013,9(2):306-309.

Development of platform in practical teaching for MOOE based on virtual simulation technology

Cui Guanxun1, Xiong Jianping2

(1. School of Computer Science&Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2. Library, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Taking the characteristics of MOOE from the perspective of technology and virtual simulation as an entry point, the key technology required, architecture of platform, model of simulation and mode of operation are elaborated for MOOE practical education platform based on systematic analysis. The paper also illustrates the process flow of virtual design and virtual manufacturing with the example of virtual workshop. An experimental teaching platform is designed based on virtual simulation and cloud computing technique in model of MOOE. At present,the experimental teaching platform is applied to experimental teaching of public computer courses, which is proved to be effectively.

practical teaching platform; virtual simulation; cloud computing; MOOE(massive open online experiments)

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.029

2015- 10- 04修改日期：2016- 02- 25

重庆市高等教育教学改革研究项目(153115);重庆理工大学高等教育教学改革研究重点项目(2014ZD01);高等学校计算机教育研究课题(ER2015011);重庆市高教学会高等教育科研课题(CQGJ15093)

崔贯勋(1978—),男,河南许昌,硕士,高级实验师,实验室副主任,主要从事实验技术研究及实验教学.

E-mail：cgx@cqut.edu.cn

G642

A

1002-4956(2016)4- 0103- 05