在线开放虚拟仿真实验项目建设的思考

王 森, 高东峰

(1. 浙江理工大学 教师教学发展中心, 浙江 杭州 310018； 2. 教育部 实验室处, 北京 100816)

在建设国家教育资源公共服务体系框架下,推进信息技术与教育教学深度融合成为今年教育信息化工作的重点[1]。《2017年教育信息化工作要点》提出“遴选一批典型虚拟仿真实验项目,开展虚拟仿真实验共享平台建设”。虚拟仿真实验教学项目资源库由在线开放虚拟仿真实验项目组成。在线开放虚拟仿真实验项目以提高学生参与实验项目兴趣为目标,以虚拟现实技术(VR)和分布式存储技术为核心[2],以宽带网络平台为基础,以综合性、创新型实验项目为主体,通过提供具有良好沉浸感、获得感和愉悦性的虚拟仿真实验氛围,激发学生参与实验的兴趣,扩展学生的知识面,促进学生多学科、多专业、多课程知识点和能力的融会贯通[3]。

1 建设在线虚拟仿真项目共享平台的可行性

1.1 高校虚拟仿真实验教学项目基础雄厚

国家级虚拟仿真实验教学中心的建设已取得显著成效。教育部从2013年开始,历时3年,在全国高校建设了300个国家级虚拟仿真实验教学中心,覆盖大多数部属高校、一大批地方高校和军队院校[1]。已经建设的虚拟仿真实验教学中心覆盖的学科详见表1。各省级教育行政主管部门也积极推进省级虚拟仿真实验教学中心的建设工作,特别是2017年教育部发布开展示范性虚拟仿真实验项目建设通知以来,虚拟仿真实验项目呈现蓬勃发展的态势。

表1 国家级虚拟仿真实验教学中心的学科分布

1.2 虚拟仿真技术日渐成熟

虚拟现实(virtual reality,VR)技术是20世纪80年代开发的一种综合集成技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境——虚拟环境,可以逼真地模拟现实世界(甚至是不存在的)的事物和环境。人在这种虚拟环境中会有如“身临其境”的感觉,自然地与虚拟环境进行交互[4]。

虚拟仿真技术以构建全系统统一、完整的虚拟环境为典型特征,并通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体。实体在虚拟环境中相互作用,或与虚拟环境作用,以表现客观世界的真实特征。虚拟仿真技术的这种集成化、虚拟化与网络化的特征,充分满足了现代仿真技术的发展需求。

在2016年前后,VR技术热潮再次掀起。众多国际知名互联网企业相继在VR领域大手笔发力,如Google、Facebook、三星等公司都开始开展虚拟现实设备研发[5]。

2015年12月,我国虚拟现实与可视化产业技术创新战略联盟成立,意味着我国具备了建立虚拟现实与可视化产业技术综合体系的条件。目前,国内有虚拟现实软件开发能力的公司约有20家,这些公司为虚拟仿真共享平台建设提供了技术支持[6]。

1.3 分布式存储系统稳定可靠

分布式存储系统是将数据分散存储在多台独立的设备上。传统的网络存储系统采用存储服务器集中存放所有数据,存储服务器也因此成为影响系统性能的瓶颈,成为系统可靠性和安全性的焦点,但往往不能满足大规模存储应用的需要。分布式网络存储系统采用可扩展的系统结构,利用多台存储服务器分担存储负荷,利用位置服务器定位存储信息。它不但提高了系统的可靠性、可用性和存取效率,还易于扩展。

从分布存储系统的典型应用来看,分布式存储方式有块存储、对象存储、文件存储；开源的项目方式有Ceph、GlusterFS、Sheepdog、Swift；不同的商业实现有Google、AWS、微软、金山、七牛、阿里云、Qingcloud等。分布存储系统的建设思路有所不同,可选的硬件种类也很多。分布式存储系统的快速发展为虚拟仿真平台的建设和运行提供了硬件支持。

1.4 高等教育信息化硬件环境不断优化

我国高等院校信息化网络基础设施建设进展迅速,主要包括学校内部的计算机与相关信息通信设备、计算机网络以及地区性和全国性教育网等。据对全国120所高校的抽样统计,截至2014年底,70%以上的高校固定网络接口超过1万个,而有5 000个以下固定网络接口的高校仅占11%；69%的高校出口带宽超过1 G,81%的学校出口带宽利用率超过60%；82%的高校部署了校园无线网络；近半数学校部署的AP数量超过500个。

从以上3方面的分析来看,开展在线开放虚拟仿真实验项目建设的条件已经基本具备。

2 在线开放虚拟仿真实验项目建设的意义

2.1 贯彻党中央决策,增强学生实践能力

党中央对增强学生社会责任感、创新精神、实践能力给予高度重视,在《关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中明确将其作为深化教育改革的“重点任务”。高等教育作为科技第一生产力、人才第一资源和创新第一驱动力的重要结合点,将日渐成为国民经济主战场和各行各业培养人力资源的最重要补充来源。

高等院校毕业生的实践能力与经济社会发展水平密切关联[7]。综合西方发达国家发展经验,提升高校毕业生的实践能力,对我国实现经济发展方式转变,实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续的发展,保持经济中高速增长具有重要意义。利用现代信息手段,充分共享优质实验教学资源,是快速增强学生实践能力的重要途径。

2.2 实现“互联网+教育”的新举措

“互联网+”行动计划已经成为国家“十三五”发展中拓展发展新空间的主要内容。2015年7月4日,国务院正式印发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》。特别是“互联网+教育”的兴起,将会使未来的教学活动都围绕互联网进行:教师在互联网上教,学生在互联网上学,信息在互联网上流动,知识在互联网上成型,线上教育将与线下教育共同支撑人才培养的支柱,相耀生辉。在线开放虚拟仿真实验项目植根于互联网,有效地利用了优质实验项目资源,扩大了优质教师的授课覆盖面,也必将对“互联网+教育”形成强力支撑。

2.3 以高等教育需求切实带动虚拟技术产业发展

虚拟现实技术已经成为2015年以来的技术革命引爆点。全球著名的互联网公司相继推出了自己的虚拟现实技术或装备,例如谷歌眼镜、Facebook旗下的Oculus Go、三星公司的Gear VR。

中国企业也在跟进发展。2015年12月23日,中国虚拟现实与可视化产业技术创新战略联盟成立,成员单位包括虚拟现实与可视化领域企业、大专院校、科研机构、社会团体、政府机构及投资机构等相关企事业单位。联盟认为:我国VR技术和可视化技术已经有相当的技术储备和市场开拓者、应用者,包括科研机构、众多的创业者、投资者,建立虚拟现实与可视化产业技术综合体系已经具备条件。

有咨询机构预测:到2020年,虚拟现实技术的市场规模可能达到1 000亿美元。在线开放虚拟仿真实验项目的建设将通过虚拟现实技术与高等教育实验项目的结合,推动我国虚拟技术的进步,促进虚拟技术产业的发展[8]。

3 整体思路

目前,在全球范围内还没有类似于在线开放虚拟仿真实验项目的集成式平台,这类平台的建设属于集成创新的范畴,也属于中国特色高等教育管理的优势领域。开展在线虚拟仿真实验项目建设,需要从顶层设计、政策引导、项目建设、平台监管等方面持续综合发力、精准施策,才能使在线开放虚拟仿真实验项目切实发挥应有的作用。

3.1 做好顶层规划

在线开放虚拟仿真实验项目具有影响面大、受益人群广等特点,必须注意做好顶层规划,确保不出现风险[9]。顶层规划要考虑以下基本原则:

一是坚持成熟一批、推出一批,确保推出的实验项目已经在学校、区域或行业内试点获得基本认可；

二是坚持符合专业实践教学发展方向,支持那些能够很好地反映教育教学规律、体现专业教学需求、适应时代发展的实验项目；

三是坚持创新驱动,鼓励与行业、企业合作共建、共享,推动教学形式创新、技术创新、组织模式创新等各项创新；

四是坚持互利共赢,确保集成平台与分布站点之间的关系是平等互利关系,集成平台通过资源链接的集中,呈现高度可信的良好形象,各分布站点负责相关实验项目的持续更新和网络维护,确保实验效果和网络通畅,平台和站点之间沟通形成盈利共享模式[10]。

3.2 制定引导政策

通过制定引导政策,明确项目的发展方向,支持重点和可持续发展机制。

一是鼓励开展在线虚拟仿真实验项目建设。要继续开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设,夯实基础；同时,要鼓励有特色、有条件的虚拟仿真实验教学中心加大虚拟仿真实验项目开发力度。

二是鼓励开展实验项目平台建设。平台是实验项目对外开放共享的基础,要通过广泛发动,鼓励有实力、有基础、有条件的平台加快系统设计和建设,争取形成统一对外发布和使用的平台。

三是鼓励校企合作。根据项目建设进展,协同相关部门共同出台相关项目、技术的校企联合等政策措施,推动企业和高校在项目、平台的技术开发升级、平台运维等方面深度合作。

四是鼓励相关教学研究。推动有关专家组织和机构开展在线开放虚拟仿真实验项目理论、教学模式与学习方式、共享模式、核心技术等研究。

3.3 建立共建共享运行机制

制定优质实验教学资源建设、共享和可持续发展的配套政策,明确高校与科研院所、行业企业共建共享优质资源的途径,构建资源共建共享激励机制,发挥省级实验教学与实践教育中心联席会学科组的指导作用,制定虚拟仿真实验教学技术规范,引导多元化参与和投入,构建实验教学资源有偿使用的市场化、产业化渠道,营造浓厚的共建共享文化环境,促进实验教学资源优化再生和持续提升,最终实现虚拟仿真实验教学资源在线开放共享和可持续发展。

3.4 构建平台常态化运行模式

加强顶层设计和宏观管理,完善多级平台管理体系,引入市场力量和企业化运行模式,以集体购买、学生受益,有偿使用、返利资源提供者的方式运营,形成可持续发展的虚拟仿真实验教学资源在线运行机制。采取措施激励平台管理及技术人员,使其能高质量地完成职责范围内的资源共享平台及资源建设、运行和维护等工作,确保共享平台管理运行顺畅,满足虚拟仿真实验的动态实时过程模拟要求。

3.5 建立科学的绩效评价体系

根据不同专业大类,以分类指导、分层管理的原则,制定合理化的虚拟仿真实验教学平台绩效评价体系,激励高校加大投入建设共享平台及虚拟仿真实验教学资源。加强对虚拟仿真实验教学的常态化绩效管理和日常业务指导,根据资源性质、浏览点击数、下载次数及会员评分等要素,对在线开放虚拟仿真实验教学项目实施星级动态评价制度,促使资源提供者尽可能提升资源质量。

3.6 建立完善的服务支撑体系

实行成本核算和有偿使用原则,建立互补互利、成本均摊、服务有偿、收益共享模式,采用引导性投入,支持虚拟仿真实验教学资源的开发和应用推广,鼓励行业企业和其他社会力量共同参与开发虚拟仿真资源、提供资源开放服务。促进校际间虚拟仿真实验教学资源共建共享和课程互选、学分互认；建立以共享为核心,以促进学科交叉和综合集成、提高共享平台使用效率为目的的服务支撑体系[11]。

3.7 履行监管职责

一是依据国家网络与信息安全的政策法规,协同国家有关部门制定相应的管理办法。

二是通过使用评价、定期检查等方式,对在线开放虚拟仿真实验项目的在线运行、实际应用、教学效果等进行跟踪监测和综合评价。

三是对在线开放虚拟仿真实验项目公共服务平台的网络安全、内容安全、数据安全、运行及服务进行规范管理。

4 结语

2017年,教育部办公厅印发了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[12],对未来3年虚拟仿真实验教学项目建设进行了全面的规划,将建设1 000个虚拟仿真实验教学项目。这些项目的运行必将对整个虚拟产业产生积极的影响,对传统实验教学产生巨大的冲击。而如何建设一套行之有效的管理机制,建设一个高效运转的平台,充分发挥高校实验教学资源的作用,促进人才培养质量的进一步提升,对于管理部门以及高校是一个巨大的挑战。

参考文献(References)

[1] 教育部.教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[A/OL].(2012-03-29)[2017-12-18].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5892/201203/133322.html.

[2] 教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[A/OL].(2012-03-16)[2017-12-18].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s7056/201301/xxgk_146673.html.

[3] 教育部办公厅.教育部办公厅关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知:教高厅函〔2014〕30号[A/OL].(2014-08-22)[2017-12-18].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201408/t20140822_174614.html.

[4] 王森.2014年国家级虚拟仿真实验教学中心分析[J].实验室研究与探索,2016,35(4):82-86.

[5] 高东锋,王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究,2016(10):56-59.

[6] 王健美,张旭,王勇,等.美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示[J].科技管理研究,2010(14):37-39.

[7] 中国电子技术标准化研究院.虚拟现实产业发展白皮书[R/OL].(2016-04-14)[2017-12-19].http://www.cesi.ac.cn/201612/1698.html.

[8] 王森.实验教学示范中心资源共享机制的研究与实践[J].实验技术与管理,2013,30(1):134-136.

[9] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[10] 徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作及2014年申报建议[J].实验室研究与探索,2014,33(8):2-5.

[11] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[A/OL].(2010-07-29)[2017-12-19].http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm.

[12] 教育部办公厅.教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[A/OL].(2017-07-13)[2017-12-19].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.