开放式虚拟实验教学平台研究与实践

李林++陈宇峰++李凤霞

摘 要 随着虚拟实验教学的大规模推广，众多高校和企业建设了一批虚拟实验资源，并得到初步应用。针对现阶段虚拟实验教学平台各自独立，实验资源无法共享的问题，研发一种开放式虚擬实验教学平台，提供规范化接口，允许第三方用户利用平台共享实验资源及发布实验课程，同时与MOOC相结合开展在线实验教学，实现虚拟实验资源的共享与推广。

关键词 虚拟实验；教学平台；实验教学；MOOC

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）10-0033-03

Study and Practice of Open Teaching Platform for Virtual Expe-

riment//LI Lin， CHEN Yufeng， LI Fengxia

Abstract As the large-scale popularization of virtual experiment teaching， many universities and enterprises have built a batch of vir-tual experiment resources， which obtained preliminary application. To solve the problem caused by independence of virtual experiment teaching platform and monopoly of experiment resources， we deve-loped an open virtual experiment teaching platform that provides a

standardized interface， and allows third-party user to share expe-riment resources and publish experiment courses. Combined with MOOC online experimental teaching， we complete the sharing and promotion of virtual experiment resources.

Key words virtual experiment； teaching platform； experiment tea-ching； MOOC

1 前言

近年来，随着大规模在线教育的应用和推广[1-2]，虚拟实验受到越来越多的重视。教育部陆续建立数百个国家级虚拟仿真实验教学中心，同时国内多家高校和企业也致力于虚拟实验教学的研究，形成一系列虚拟实验教学系统和资源，在各自的领域和用户中获得初步应用，对在线教育形成良好的相互促进。

然而，在虚拟实验教学模式的应用和推广中缺乏公共虚拟实验教学平台的支撑，这也是目前研究的热点问题[3]，比如具有全球影响力的GENI[4]。清华大学[5]等机构做了相关研究，认为在虚拟实验教学资源共享方面还存在很多亟待解决的问题。

一方面，实验教学平台的建设局限于软件。例如：网络硬件虚拟化，专注于网络设备共享实验；通过虚拟机提供虚拟实验环境，供用户通过网络远程访问进行虚拟实验；还有面向特定目的的专业软件环境的网络共享平台等，这些平台之间差异较大，多专注于网络上软硬件资源的共享，而不是虚拟实验内容本身。

另一方面，虚拟实验资源建设缺乏规范化。很多实验教学中心、教师在自己的课程中有很多好的教学内容和教学资源，却仅限于自己创建的平台或课程内使用，即使推广也缺乏共享平台的支持。从总体上来看，分散的虚拟实验内容建设难以满足系统化的教学要求，因此，如何建设共享虚拟实验资源成为一个重要的问题。

2 虚拟实验共享机制

虚拟实验作为一种软件资源，具有先天的共享优势，没有实现大规模共享是受制于以下四个方面的问题。

首先，虚拟实验共享需要专业技术支持。分散于高校、企业的虚拟实验课程内容众多，而且存在重复建设、无统一规划等。虚拟实验共享需要有一个平台支撑，让所有实验都集中于同一个平台，便于管理、选择和发布。虚拟实验平台与MOOC平台相比更难以集成：在MOOC平台中的课程表现形式包括视频、文本、讲义文件以及典型的客观题，这些目前在网站上都有较为成熟的标准模式，便于推广；而虚拟实验教学平台中的关键部分是在线实验程序软件，需要制定一系列标准化的平台软件接口、图形引擎以及接口设计。

其次，虚拟实验共享需要资源规范化管理。高校或企业开发的虚拟实验受到开发者经验和专业的影响，可能在某些实验上具有鲜明特色，一旦扩展到其他实验则缺少亮点，难以形成丰富的系统化的虚拟实验课程群。借助于网络共享经济的概念，开放式的虚拟实验教学平台支持符合共享接口标准的优势实验资源，供实验课程选择，从而形成一系列经典的虚拟实验课程。

再次，虚拟实验共享需要良好的运行机制。如何保持虚拟实验教学平台的活力，让虚拟实验不断扩充？这需要一套类似于应用商店的付费机制。根据用户的使用量对开发者进行激励，从而鼓励更多更好的实验资源填充到实验库。从机制设置上鼓励优秀的虚拟实验，从版权上保证开发者的权利和利益，从而形成可持续发展的虚拟实验资源建设模式。

最后，虚拟实验共享需要支持广泛的教学场景。虚拟实验作为课堂教学的一个环节，可以独立开展，辅助线下课堂教学，需要独立的用户和课程管理系统。虚拟实验也可以作为现有大规模在线课程的一个实验环节，支持与MOOC

平台结合[6]，无缝融合在一起，为在线教学提供实验支持，并且解决在线教育缺少实验教学环节的问题。endprint

3 虚拟实验教学平台设计

为解决上述问题，设计研发开放式虚拟实验教学平台，即虚拟实验工场[7]，系统结构图如图1所示。作为一个中间平台，虚拟实验工场提供以下三方面服务。

为虚拟实验开发者提供实验孵化和发布服务 虚拟实验工场的定位是实验孵化和发布平台，不仅可以发布符合平台规范的虚拟实验，而且可以为具有好的实验设计理念的开发者提供包括开发规范、开发工具、开发资源等，以便快速开发实验内容。孵化的作用不仅限于实验开发，而且包括对实验的推广和评价。虚拟实验工场根据实验内容、兴趣方向、难易程度、教材匹配等方面进行实验推荐，打包成实验课程；再根据实验课程的选用次数、学生完成情况以及学生评价，对该实验进行综合评分，优化推荐系统参数，从而实现实验内容优胜劣汰，逐步孵化出优秀的虚拟实验资源。

为教师用户提供课程配置和教学服务 教师可以根据教学需求、学生情况、课程内容分布以及难易程度，选择相应的实验组合成自己的课程，订购并生成该实验课程，并发布到虚拟实验工场上。发布的形式包括以独立实验课程的形式发布，学生可以直接登录虚拟实验工场进行实验操作；也可以与典型的MOOC平台关联，直接发布为MOOC课程的实验链接。

为学生用户提供虚拟实验服务 学生可以借助以上两种发布方式，利用浏览器直接打开基于Unity3D的虚拟实验，登录后选择教师的课程并开展实验，同时提供实验报告的模板和实验报告评分服务，并最终汇总为实验成绩。学生和教师可以在权限范围内对成绩进行查询、分析，对实验进行反馈，提出改进意见。

为提供以上服务，创建基于B/S架构模式的系统平台，服务器端部署于微软Azure云服务平台上，采用可扩展式的软件设计支持自适应扩展，可以同时支持数万用户的并发访问以及高效的实验操作。

在前端浏览器采用基于Unity3D轻量级图形引擎的虚拟实验平台，通过提供开发模板和接口标准，减少开發者的开发难度。实验内容采用基于用户账户身份验证和服务器系统信息校验的双重加密技术，确保虚拟实验软件的安全，以保护开发者的利益。

4 开放式虚拟实验课程实践

依托北京理工大学国家级大学计算机虚拟仿真实验教学中心，创建面向共享服务的虚拟实验工场，同时以所在团队开发的大学计算机和程序设计课程的虚拟实验为基础，提供一系列大学计算机基础课程的实验方案，并构建典型课程虚拟实验教学体系。

虚拟实验通过平台上传到实验库，在实验库中对其进行分类管理、检索和统计分析，并开设课程对外提供服务。开课教师根据教学重点与难点需求，选配覆盖该课程知识点的虚拟实验，创建并公布实验课程。

2016年9月至今，国内58所高等院校在虚拟实验工场开设了66门课程，200多位教师建立了课堂，学生用户近1.4万人。此外，还应用于教育部中国大学MOOC平台的大学计算机课程虚拟实验教学模块[8]。截至2017年1月，该MOOC课程已经开设三个学期，累计选课人数达12万多人。仅2016年秋季一个学期，选课人数就达到近8.2万人。

5 结语

随着在线教育的兴起，虚拟实验成为课程实践的一个重要环节，虚拟实验平台建设是目前研究和教学的一个热点。本文所开展的虚拟实验工场研究是以实现虚拟实验内容的共建和共享为目标，结合目前互联网的共享经济模型，进行的一种在线虚拟实验模式的探索。目前，虚拟实验工场初步建立，在教育部中国大学MOOC平台上已经取得初步的应用，并正在与多所高校进行虚拟实验教学应用的探索，期待取得理想的效果。

参考文献

[1]伍民友，过敏意.论MOOC及未来教育趋势[J].计算机教育，2013（20）：5-8.

[2]王文礼.MOOC的发展及其对高等教育的影响[J].江苏高教，2013（2）：53-57.

[3]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[4]GENI.GENI-Global Environments for network innovations

[EB/OL].[2011-10-17].http：//www.geni.net/.

[5]周烨，李勇，王芳，等.基于Open Flow的网络实验平台技术[J].清华大学学报：自然科学版，2012（11）：1540-1544.

[6]李凤霞，陈宇峰，余月，等.基于MOOC/SPOC的课程协同建设与思考[J].计算机教育，2016（1）：17-18.

[7]虚拟实验工场[EB/OL].http：//www.vrsygc.com.

[8]中国大学MOOC课程平台[EB/OL].http：//www.icourse163.org/course/bit-47004#/info.endprint