云教育平台虚拟实验室构建

张新朝 李梦雪

摘 要：为使学生自主设置实验条件、节约实习经费，结合云教育平台和虚拟现实技术，提出一种新颖的虚拟实验室环境构建方法。首先，利用云计算技术搭建云教育数据中心，并配置应用程序和用户终端服务;其次，通过虚拟现实技术创建虚拟实验室场景，主要包括虚拟教师人物、虚拟仪器设备和虚拟实验工具;然后，将虚拟机实验室资源转化为云服务资源，同时整合云教育平台的优势;最后，学生通过云终端进入虚拟实验环境。测试结果表明，基于云教育平台构建的虚拟实验室具有较高的使用价值。

关键词：云教育平台;虚拟现实技术;虚拟实验室;教育环境;资源整合

DOI：10. 11907/rjdk. 182631

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）006-0151-03

Abstract：In order to enable students to set experimental conditions and reduce internship funds， this paper proposes a novel virtual laboratory environment based on cloud education platform and virtual reality technology. First， the cloud computing technology is used to build a cloud education data center， and applications and user terminal services are configured. Secondly， virtual lab scenarios which mainly include virtual teacher characters， virtual instruments and virtual experiment tools are created through virtual reality technology. Then the virtual machine lab resources are transformed into cloud service resources， while the advantages of the cloud education platform are integrated. Finally， students are set in a virtual lab environment by the cloud terminal. The test results show that the virtual laboratory built on the cloud education platform has high use value.

Key Words：cloud education platform;virtual reality;virtual laboratory;educational environment;resource integration

0 引言

虛拟实验室是基于虚拟现实技术（VR）和网页技术建构的开放式网络化虚拟实验教学系统，可将现有多种教学和实验设备及实验室数字化、虚拟化[1]。近年来，国外虚拟仿真实验教学应用常见表现形式主要有以多媒体技术为主的交互式虚拟实验室、以增强现实技术为主的3D虚拟实验室、以3D打印技术为主的综合设计实验室和以遥现技术为主的运程协同实验室等，其特点主要表现在可移动性、即时性、共享性和远程控制等方面[2]。与此同时，随着互联网技术及虚拟仿真技术的飞速发展，虚拟仿真实训平台教育资源也逐渐受到我国教育界人士的青睐，但目前国内投入运营的虚拟仿真实训平台屈指可数[3]。

虚拟教学方法在国内外教学中均改善了教学效果，但在具体应用过程中也出现了一些问题，如部分学校计算机设备老旧，网络资源匮乏，虚拟平台运行速度较慢;推广速度、覆盖院校范围不尽如人意;虚拟仿真实训平台使用频率较低，平台资源没有得到充分利用。本文通过引入云计算技术手段，对解决上述问题提供一条新思路，以期推广虚拟仿真实训平台在实践教学中的应用。

1 需求分析

因受更新成本、地域经济发展、运维水平等因素约束，教育资源使用效率与逐年递增的更新成本的矛盾日益突出。重视课堂理论教学，忽视成本高、难度与质量弹性较大的实践教学已成趋势，这与竞争激烈的市场经济所需的创新、实践能力要求逐步提高的人才发展方向背道而驰。基于云计算教育平台的虚拟实验室研究，要求将云计算低成本运维、高性能、可伸缩的服务定制、稳定高效等优势与教育资源信息化原则有机结合[4-6]。装备一间标准教学实验室时，搭建标准机房和云计算虚拟实验室费用见表1。

将虚拟现实技术与云教育平台结合是一种尝试性的技术创新，目标是实现低成本、高效率、高可用性和便捷性。低成本在于云教育平台客户端的更新、维护成本低;高效率表现在虚拟现实大量三维实时数据的处理来自于云计算超高计算能力的运作[2];高可用性则是云教育平台构建的容错技术和负载均衡可有力支持用户数据安全与稳定;便捷性则充分体现了云计算无所不在，提供浏览器的各种设备如智能手机、平板电脑等，均可借助云教育平台的支持，获得对虚拟实验室实时、交互性访问。以上特性为偏远乡村与经济欠发展、教育失衡地区的远程教育提供了符合教材要求的实验环境[6-7]。

2 研究内容

本文研究内容为采用虚拟现实技术，构建一个PC机组装、维护与维修的网络虚拟实验室，作为云教育平台的应用实例[8]。在该虚拟场景中，可实现实验教学资源共享、实验原理和操作动态演示、沉浸式PC机组装、维护与维修元器件（包括工具使用）的仿真操作、实验教学管理、教师在线实验答疑等主要功能[9-10]。然而，在形成贴近实际环境，具有实时、流畅自然的交互操作时，需要计算机提供高性能的计算能力、大容量的存储空间及稳定、安全地处理海量数据的能力，在现有计算环境中无法实现低成本、高效率、高可用运作。具备高性能、高可用的计算环境、大容量存储、低成本客户端运行与维护、可伸缩与扩展的服务提供等特征的云计算教育平台，为实现虚拟实验室全三维、高交互提供了较为理想的解决方案。虚拟实验室网络拓扑结构如图1所示。

文中选择PC机组装、维护与维修虚拟实验室作为研究对象。其中，设计由虚拟人物引导，完整模拟PC机拆装、测试、维护与维修的板卡级操作与数据处理，并能对实现操作对象给予贴近自然的交互性操作。以往由于大量三维数据的处理依赖于单台计算机软、硬件的局限，从而导致 VR 技术构建的三维实时性交互场景难以流畅实现[11]。同时，采用多台高性能计算机组建集群受限于网络带宽，难以完成低成本、高效率、贴近自然交互的虚拟场景目标。云计算教育平台以低成本、高效率、易用、易维护、需求可伸缩的原则，对上述VR技术中出现的众多难以解决的问题给予了较为理想的支持。如云数据中心虚拟化技术提供了多台虚拟机组建超高性能资源池，充分保障了处理三维海量数据的实时性;再者，虚拟现实技术描述虚拟场景生成的计算力全部来自于云计算教育平台，云终端用户VR场景设计、实施与本地设备性能高低关系不大，从而使获得三维实时场景交互变得简单易行[12-13]。因此，在研究采用VR技术构建虚拟实验室系统的各种方案基础上，包括系统架构模式、实现方法和技术路线，综合比较后确定案例实验室构建将基于云教育平台，采用3DS Max、Maya等建模工具及Virtools整合工具实现。具体实现内容见图2。

首先，构建云计算教育平台数据中心，为虚拟实验室全三维、高交互、低成本运维提供良好的实现平台;其次，构建虚拟实验室场景中的虚拟教师人物、仪器、必备的实验工具等模型，并为实时交互操作提供合理的分层方案（例如设备组装、部件维修均需分层表现细节部分）;第三，在低成本的云终端上实现基于RDP或PCoIP协议的虚拟桌面、高性能云服务应用，并进行海量数据的集群存储等技术开发与实现;最后，整合云计算教育平台的优势及虚拟现实（VR）技术提供的特色内涵，建立實用的PC机组装、维护与维修网络虚拟实验室。部分关键技术与需要注意的问题说明如下：

（1）层次化建模表现虚拟仪器内部结构及其各零部件是成功实现PC机组装、维护与维修的关键技术之一。利用数据结构中树形层次结构作为参考构架，可实现部件内部结构展现清晰化、组装规范化、维修可控化和部件模型修改灵活性等优势，为今后交互控制脚本中代码编写与维护打下良好基础[14]。另外，建立适应发展需要的部件库是必不可少的。

（2）设计一名女性教师，可在实验室场景中漫游，引导学生开展虚拟实验。在3DS Max设计环境中将脸部形状进行UV坐标图像展开后，转到Photoshop中进行脸部和衣物的绘制以构建虚拟人物;利用角色工作室设置骨骼动画，表情动画可选择通过 Maya工具软件实现;虚拟人物导入到虚拟场景的工作则由Virtools软件工具实现[15]。因此，需要为场景中的每个物体创建合理的材质。利用贴图烘培、次世代图形图像技术对材质信息进行优化与简化，如何导入到虚拟开发平台中获得优异表现是虚拟场景材质构建中需要注意的重要问题之一。

（3）虚拟实验室场景的交互设计实现需要完成4个内容：①动作交互，即需要对不同的虚拟部件提供旋转方向、压力大小、正负极区别与选择等模拟动作，而这些行为必须与实际操作过程中的相关内容一致;②视角交互，主要表现在模拟设备故障定位时采用温控法获取目标，实现的难点在于如何将在虚拟环境中表现的温度控制特征与现实生活中的表现统一。若将虚拟操作顺序、操作错误、得分及操作时耗作为评定手段，必然涉及到数据管理工作[14，16-17];③同时，软件安装、维护与维修能力评定等在虚拟场景中的实时数据表现也是需要重点解决的问题;④实验设计交互，目的在于用户可自由选择实验种类，依据性能指标完成对应板卡选择和软、硬件性能测试等方案的设计，让虚拟实验室成为一个极佳的测试平台。在上述复杂的交互过程中，参数优化、部件超频等操作将是研究中不可避免的问题。

3 技术路线

目前虚拟实验室的开发技术主要包括：VRML技术、X3D技术、Flash技术、Viewpoint技术、Cult 3D技术、Java技术和Virtools技术。主流3D建模软件如3DS Max、Maya等均配有专用导出插件，完全支持动作数据处理和3D角色控制，自身也提供脚本语言支持，从而能快速简洁地生成丰富、对话式的3D作品等优点[18-20]。因此，本文拟采用Virtools技术构建基于云教育平台的PC机组装、维护与维修虚拟实验室，云教育平台基础架构采用VMware公司提供的ESX Sphere云操作系统。技术路线总体框架如图3所示。

为构建虚拟实验室的各种PC机及众多如板、卡、部件、外设等设备模型，必须在建模前分清仪器设备可控部件与固定不变部件。对于固定部分，在建模时可作为一个整体使用;对于可控部分，则需单独建模从而有利于交互对象的选择和交互事件的添加。由于需要展示PC机内部结构并实现故障定位、诊断与维修功能，需构建虚拟设备内部部件结构，虚拟仪器通常由成百上千个零部件组成，各个零部件之间存在一定的主从关系[21-22]。

在虚拟实验中，虚拟角色可以是教师、学生或教学员工，用户可把这些角色作为指导教师或自己的化身，与虚拟角色进行情感交流，使软件更加人性化、更贴近现实。其次，实验场景设计需解决布局及实验设备摆放问题，基本原则是真实美观、方便实验对象操作和实验现象呈现。构建的实验室环境应包括实验室房间、试验台、黑板、投影仪、打印机、壁橱、空调、座椅、壁报等。

采用Virtools作为基于云教育平台下三维虚拟实验室的开发平台，开发流程可分模型构建阶段、模型导入阶段、内容开发阶段、体验测试阶段等4个阶段。系统具体开发过程采用Autodesk公司提供的3DS Max 2009构建虚拟实验室模型，结合Photoshop软件修改和创建模型贴图素材，并导入到Virtools开发平台中[23]。通过Virtools强大的实时渲染引擎和云教育平台提供的高性能计算、负载均衡和高可用性，同时，利用其完善的交互引擎BB模块和VSL编程，模拟实验操作全部过程并进行数据采集和处理，其结果通过网页形式发布并利用三维设备输出。

4 结语

本文将云计算技术引入虚拟实验室构建中，消除了传统虚拟实验室计算力度、存储空间、终端运行、维护成本与应用可伸缩性等多方面的瓶颈问题，扩大了虚拟实验室应用范围，同时也为今后该种模式建立规范的评测标准和可扩展软件的设计提供参照。可以预见，虚拟实验环境在教育行业的应用也将呈现持续上升趋势。

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（责任编辑：江 艳）