虚拟仿真教育资源云共享平台的构建及应用

2023-06-25万晨朱宗晓

电脑知识与技术 2023年13期

万晨朱宗晓

摘要：文章从论述虚拟现实技术在辅助教育教学方面的应用入手，分析虚拟仿真系统在建设、使用和管理中存在的诸多问题，针对现存的问题提出了一种新颖的虚拟仿真教育资源云共享平台。深入探讨了平台的建设意义和建设目标。设计了平台的总体技术架构和功能，并对该平台在基于虚拟样机的微缩智能车自动驾驶仿真实验课程中的应用进行分析，通过该平台在云端实现虚拟仿真系统资源统一部署和统一管理，提高了资源的利用率，促进了教育模式、教学方法和学习方式的革新，推动虚拟仿真技术与教育教学深度融合，为高校虚拟仿真一流课程的建设起到支撑作用。

关键词：虚拟仿真；教育资源；云共享

中图分类号：TP311 文献标识码：B

文章编号：1009-3044（2023）13-0123-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

虚拟现实技术简称为VR 技术，是当前新兴的融合信息、艺术与科学等多学科于一身的综合性技术[1]，通过VR 技术能构造出与真实世界具有相同视觉、听觉、触觉感受的虚拟世界，突破时间、空间和其他条件的限制，让用户在虚拟世界中产生身临其境的感觉[2-3]。VR技术具有沉浸性、交互性、想象性、智能化的特征，将其应用于教育领域，能有效丰富和完善现有教学手段，增强学生的学习体验，提高学生的学习兴趣，提升学校的整体教学质量。在《中国教育现代化2035》《教育信息化2.0行动计划》《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》等文件的指导下，我国高校加快推进信息技术与教育教学的深度融合，深入研究将VR技术应用于课堂教学[4-6]、实验教学[7-8]、创新创业教育[9]、非正式学习空间[10-11]、新工科[12-13]、新文科[14-15]及创新型人才培养等方面。由此可见，VR已成为辅助高校教育教学的重要技术手段，并在拓展教学内容的广度和深度、延伸教学时间和空间，探索自主式、合作式、探究式的教学模式，打造智慧学习环境，提高教学质量中发挥着越来越重要的作用[16]。

虽然VR技术在教学方式、学习技术和学习环境等方面带给人们全新的体验，但是虚拟仿真系统的建设、使用和管理仍然存在诸多问题，例如虚拟仿真系统建设布局没有统一规划；系统间的集成和资源共享程度低；已建系统使用的软件和硬件环境各不相同，用户安装和使用难度大；系统缺乏教学过程、教学效果的评价功能；软件硬件维护人才的储备不足等[17]，导致虚拟仿真系统在实际使用过程中功能和作用无法得到充分发挥。如何借助大数据、云计算、云存储、云渲染等新兴技术向上融合已有虚拟仿真系统，压缩系统管理和维护成本，向下整合计算能力，最大程度发挥虚拟仿真系统的作用，已成为当前亟须解决的问题。

1 虚拟仿真教育资源云共享平台建设的意义

建设虚拟仿真教育资源云共享平台（以下简称“平台”），可有效整合高校已有的虚拟仿真资源，为待建的虚拟仿真系统提供标准接入接口，提高资源的利用率，进一步推动虚拟仿真技术与教育教学深度融合，促进教育模式、教学方法和学习方式的革新，对提升高校教育质量具有较大意义。具体体现在以下四个方面。

1.1 降低虚拟仿真系统的建设和维护成本

经过多年的积累，高校建立了大量的虚拟仿真系统，但是目前仍然以分散式建设模式为主，不同时期建设的系统，开发引擎和系统架构各不相同，加之系统运行对服务器及终端硬件要求较高，有的甚至需要配置专门的计算机图形工作站，使得系统升级困难、维护工作量大、难以统一管理。平台能兼容不同开发引擎和软件架构，为已建系统和待建系统提供统一的接入接口和资源管理平台，实现虚拟仿真资源的统一部署、集中管理，同时将虚拟仿真系统运行时用到的海量存储、高性能计算和图形渲染等服务迁移到云端，降低了使用终端的硬件要求，有效解决虚拟仿真系统维护成本高、扩展性差的问题。

1.2 集中管理虚拟仿真资源，优化资源的开放与共享

高校已建设的各类虚拟仿真资源比较丰富。但在资源的整合、开放与共享上还存在一些问题，主要包括：虚拟仿真资源的种类众多、数量众多、但资源存储格式不一；各系统平台间以各自的技术标准和要求为准，使得不同系统间对接、集成、资源共享困难；云平台能通过统一的技术标准和规范的接口，便捷地将已有虚拟仿真资源和应用上传至云端，所有资源在线使用统一管理，并根据学校要求及各类资源的特点，对其进行分类整合，实现资源的开放和共享，极大提升用户获取和使用虚拟仿真资源的能力。

1.3 为虚拟仿真一流课程建设奠定基础

平台支持SR、VR、AR等多种形式的高精度内容，支持电脑、手机、平板、全息、大屏、VR/AR眼镜等终端，能将以前分散建设的不同虚拟仿真系统整合于一个平台中，使各系统形成相互支撑和互为补充的整体，构建一套完整的虚拟仿真实践和教学课程支撑体系。教师可基于平台构建高度仿真、内容可视化、超强沉浸感的虚拟教学环境和实验对象，有效补充传统教育形式不足，激发学生的学习热情和想象空间，为学生带来全新的学习体验，为虚拟仿真一流课程建设奠定基础。

1.4 打通教育业务系统大数据，构建教育虚拟仿真生态系统

平台支持多种开发引擎，能将虚拟课堂教学、虚拟实验教学、虚拟实训教学、虚拟学习空间、虚拟非学习空间等各种孤立的虚拟仿真系统和资源集成管理，并通过大数据技术实现教育业务系统大数据与虚拟仿真系統数据互联互通，构建集教学环境、学习过程支持、教育评价、高校服务与管理等方面于一体的教育虚拟仿真生态系统。

2 平台的设计

平台设计目的是通过利用大数据、云计算、虚拟现实等技术的融合，将所有虚拟仿真教育资源运行在云端，实现虚拟仿真教育资源的整合、重构、组织和管理，以此提升虚拟仿真教育资源的复用效率，降低使用虚拟仿真资源终端配置的要求，搭建集虚拟仿真教育资源统一部署、统一管理的云端平台。

2.1 平台的总体架构设计

平台的总体架构如图1所示，平台通过中心节点接收用户的服务请求，动态调度云渲染服务和云存储服务器协同工作，通过云端计算资源渲染，将高质量的虚拟仿真资源实时推送各类终端，实现随时随地任意终端的在线访问，降低对终端硬件的配置、系统等差异化要求。平台兼容Unity3D、Unreal、OSG等引擎，通过统一的接口接入校内的虚拟仿真系统：如虚拟仿真直播课、虚拟实验教学、虚拟实训教学、虚拟学习空间、虚拟非学习空间、云智慧教室等，并通过学校数据中心提供的数据API接口获取学工系统、教务系统、研究生系统、人事系统的数据，完成访问平臺用户的身份验证，并能将老师、学生、课程数据及操作行为数据进行关联分析。

2.2 平台的功能设计

平台主要功能包括：用户权限管理、虚拟仿真资源管理、业务系统数据集成共享管理、开发者管理、虚拟仿真资源使用统计与分析等。用户权限管理功能主要包括：用户管理、角色管理、权限管理等，根据学校的组织架构数据和人员数据，将在校师生用户数据自动导入，并根据不同的用户角色及预设定的规则，自动给用户分配相应的系统权限。虚拟仿真资源管理功能：支持虚拟仿真资源的上传、部署、发布、权限分配及资源下架，支持虚拟仿真资源的搜索、共享及统一管理，最大化地提高资源的复用效率。业务系统数据集成共享管理功能：通过数据API接口获取教师、学生、课程等数据，并将相关数据转换为本系统的数据标准进行存储，同时能存储虚拟仿真资源操作的行为数据，为数据关联分析提供数据支撑。开发者管理功能：为开发者分配开发权限，让其有效调用平台提供的API接口和SDK，满足用户多元化的开发需求。虚拟仿真资源使用统计与分析：对平台中各虚拟仿真资源统一运维监控和管理、对用户操作数据进行统计和分析，并能生成不同形式的统计图表。

3 平台在基于虚拟样机的微缩智能车自动驾驶仿真实验课程中的应用

自动化专业系统仿真课程在讲授虚拟仿真样机与应用、智能系统仿真等章节时，往往只能用图片、视频和动画进行展示，无法让学生真正体会虚拟样机的强大功能。为激发学生的学习兴趣，提升学生的动手能力，让学生理解工业产品开发从数字仿真、物理仿真到实物仿真的三级仿真体系，实验课程参照第十四届全国大学生智能汽车竞赛官方的赛道和规则，基于unity3D引擎自主提出、自主设计、自主开发了微缩智能车自动驾驶虚拟仿真实验教学软件，软件包含六个不同难度赛道，实现了集仿真系统、算法平台、交互式学习网站三位一体的课程实验环境，课程实验环境技术框架如图2所示，其中仿真系统主要是基于unity3D引擎开发了微缩智能车自动驾驶虚拟仿真实验教学软件，将现实环境中的物理微缩智能车比赛场景1：1地放到了仿真环境中。算法平台主要是基于深度学习的端到端自动驾驶实验算法平台，实现数据采集及用于深度学习训练及识别[18]。交互式学习网站主要包括：实验简介、思考题管理、成绩管理等。本课程虚拟仿真系统最初是以单机模式上线，需要学生自主下载，而系统所占空间大，对电脑配置要求较高，因此使用较低配置电脑的学生无法顺利完成本课程的学习，同时在系统迭代升级后，难以及时共享给学生，不利于课程的开展，需对课程实验环境的技术框架进行优化。

三位一体实验环境技术框架

3.1 云端共享虚拟仿真教学资源，延伸实验教学时间和空间

将课程的虚拟仿真教学资源集成至云端的虚拟仿真教育资源共享平台，实现课程虚拟仿真系统从单机、单任务系统向线上多终端系统的B/S架构进化，通过云计算、云存储、云渲染以及交互式视频流等技术实现虚拟仿真内容的云端采集、存储、计算、渲染和管理，建设为线上可访问的微缩智能车自动驾驶虚实结合实验室，提高了系统的交互性，学生可通过手机、iPad、电脑等多种类终端开展实验课程，无须下载仿真软件，提高了虚拟仿真实验的简便性，打破时间和空间的限制，激发学生的学习兴趣、积极性和创造力。在平台中实现了对课程的虚拟仿真系统统一管理、发布及升级更新，从根本上解决了课程的虚拟仿真资源共享难、系统体验差、系统维护及管理不便等问题，云端微缩智能车自动驾驶仿真系统如图3所示。

3.2 云重塑虚拟仿真教学模式，探索在线教学新实践

平台将微缩智能车自动驾驶仿真实验课程的教学空间从以课堂为主向线上线下结合转变，采用新的教学模式打破了时空限制，提高了学习效率，满足了不同学生的学习需求，同时结合课程在线学习的需求，将本课程三位一体的课程实验环境，延伸为集仿真系统、算法平台、交互式学习网站、在线课程学习网站、在线算法源码学习网站五位一体的在线学习环境，如图4所示，搭建起联通课前、课中、课后的泛在式智能型在线学习环境，教学方式从以教为主向以学为主转变，增强了教学效果，能满足不同层次、选修过不同课程学生的学习需求，形成了以网上教学为主的教育资源拓展和教育形式的创新，探索了在线教学的新实践。

4 总结

虚拟仿真教育资源云共享平台有效地将虚拟仿真技术、教师、学生和虚拟仿真资源融合在一起，延伸教学的时间和空间，实现了虚拟现实技术与教育教学的深度融合，为启发式、互动式和探究式教学提供技术支撑。微缩智能车自动驾驶虚拟仿真实验教学软件可基于本平台提供的API接口和SDK进行二次开发，不断丰富和完善系统的功能，切实解决课程中“教”与“学”的难题，体现了平台对高校建设虚拟仿真一流课程的支撑作用。

参考文献：

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