虚拟仿真实训教学平台的建设与实践

段丹萍 项朝阳 江雷 钟瑜 乔樑

摘要：随着信息技术的不断发展，虚拟仿真实训在职业教育中逐渐占有重要的地位。本文首先分析了虚拟仿真实训教学平台的建设现状，接着阐述了虚拟仿真实训教学平台的建设思路、总体框架和建设内容，最后探讨了平台的运行机制和实践效果。

关键词：虚拟仿真实训;虚拟仿真实训教学平台;虚拟现实技术

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）23-0107-03

计算机技术、网络技术、虚拟现实技术等的快速发展，以及实训教育的改革，为虚拟仿真实验技术的发展奠定了基础，未来，虛拟仿真实训将成为职业教育实训的一种重要方式。但目前虚拟仿真实训资源建设难度较大，且存在没有统一的技术标准、管理混乱、使用不规范、没有足够的开放性等问题，导致各种虚拟仿真实训教学无法开展。因此，为了有效整合、共享、应用和管理虚拟仿真实训资源，笔者所在的研究团队建设了校级虚拟仿真实训教学平台。

本文相关研究述评

目前，国内外大学建设的虚拟仿真实验教学平台，主要技术包括以下几种类型。

1.单机版虚拟仿真实验平台

早期虚拟仿真实验教学平台主要以单机版的形式应用于一些高校支持实验教学，虽然可以汇总和输出各种相关的信息，但存在信息输入工作量大、维护性差、信息时效性差、无法实现信息和资源的共享、需要不断更新等问题。[1]

2.基于C/S架构的虚拟仿真实验平台

美国俄勒冈大学主办的虚拟实验室拥有几十种虚拟实验，其中包括能量与环境、力学、热学、天体物理等。[2]此虚拟实验室被称为VLAB物理实验网站，运行时需要客户机提前安装好从服务器端下载的实验程序。该系统采用了Java技术。重庆理工大开发的“缬沙坦原料药虚拟仿真实验”系统，采用C/S架构，使用者通过下载安装客户端软件，在客户端启动程序与远程服务器进行数据连接。

3.基于B/S架构的虚拟仿真实验平台

B/S架构是目前虚拟仿真实验平台的主流技术，于20世纪80年代在美国开始广泛应用，90年代末逐步引入国内，至今我国已有很多适用于不同高校的虚拟实验管理平台，但大多数功能较为单一，资源主题也偏向于某一类学科或专业，综合性的功能完善的虚拟仿真实验平台较少。[3]NOBOOK虚拟仿真实验室（简称NB实验）采用HTML5前沿技术，支持台式机、平板电脑等跨平台访问进行化学虚拟仿真实验。[4]北京邮电大学开发的关于通信及信号处理等网络虚拟仿真实验系统，采用了B/S架构，同时基于DLL以及多态技术、ActiveX组件技术实现虚拟仿真的功能。

4.混合架构的虚拟仿真实训平台

北京欧倍尔软件技术开发有限公司开发的虚拟仿真实验教学平台，采用B/S+C/S的混合架构模式，涵盖化学化工、食品工程、环境工程、生物制药、工程力学、材料工程、能源电力等多个专业领域，开发了实验、实训、生产实习、半实物仿真工厂等专业化仿真教学平台。上海梦之路科技有限公司开发的医学虚拟仿真教学实验平台（MENGOO 4.0）采用混合架构模式，涵盖了基础医学、临床医学、护理学、口腔医学、公卫预防医学、药学、检验学、中医学、中药学、生物学等全医学科的虚拟实验教学软件资源体系。

本文虚拟仿真实训教学平台的建设

1.建设思路

结合学校健康类学科、专业和课程对虚拟仿真实训管理平台的需求，以虚拟仿真实训教学和VR教学资源管理为核心，建设集虚拟仿真实训教学、虚拟仿真实训资源管理和共享、统计分析、用户管理等功能于一体的校级虚拟仿真实训教学平台，高效管理虚拟仿真实训教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的虚拟仿真实训教学资源共享，持续推动虚拟仿真实训教学改革与发展。

2.建设内容

虚拟仿真实训教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，集理论学习、实验准备、VR虚拟演示、VR虚拟操作、考核评价和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实训教学平台（如下图）。

（1）门户网站。门户网站界面设计科技感强，简洁美观，布局合理，具有VR资源展示、VR项目展示、用户登录、新闻资讯、公共通知等功能。

（2）VR资源管理。VR资源管理是平台核心功能之一，支持VR资源的分类上传、修改删除、收藏使用、按需要开发共享等，采用WebGl协议，可支持Unity3D、Quest3D等开发工具开发的VR软件资源，笔者将VR资源分为Unity3D版、Quest3D版、移动版、单机版和超链接版五种类型，系统支持这五种类型的上传和发布，其中Unity3D版和Quest3D版的资源可直接在浏览器端在线运行，移动版资源需扫描二维码下载安装后在移动终端运行，单机版需下载到本地计算机安装后运行，超链接版直接跳转至对应资源的网址使用。

（3）VR项目教学管理。VR项目教学管理用于支持教师自主创建、编辑和管理VR项目和教学班级及学生的成绩，按需开展虚拟仿真实训教学。在教师指定班级后，该班的学生即可在学习任务中查看到对应的学习项目，并开始项目相关的理论学习、虚拟仿真实训练习操作、虚拟仿真实训考核、在线测试、上传实训报告等，同时还能查看自己的学习成绩。

（4）统计分析。统计分析主要支持对VR资源、VR项目、教师教学、学生学习、访问量等的统计分析。即可对VR资源的容量、数量、发布时间、版权信息、所属学院和专业等进行统计，可对VR项目的建项人、创建时间、开放情况、学生数量、所属学院和专业等进行统计。

（5）用户管理。用户管理支持用户权限管理，包含对院系、专业、班级的管理，支持对教师和学生账号一键导入等功能。

（6）系统管理。管理员登录平台后对系统进行管理，主要包括门户网站后台数据管理、VR资源后台管理、VR项目审批、系统安全管理等。

本文虚拟仿真实训教学平台的运行与实践

1.平台运行机制

虚拟仿真实训教学平台的有序运行依赖于有效的运行机制，主要包括以下方面。

（1）知识产权保护机制

虚拟仿真教学资源是平台的核心资源，拥有典型的知识产权属性。平台的用户必须经过注册和审核通过，登录后才能使用平台中的资源。同时，还要对VR資源进行加密处理，并在发布VR资源时注明该资源的版权信息，不允许用户对平台的资源私自转发。

（2）合理分类、标准统一机制

对校内现有的虚拟仿真教学资源的技术特点进行分析，将其分为单机版、超链接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版），并根据市场主流的VR资源运行模式，确定WebGL为主流的类型。平台同时支持单机版、超练接版、Quest3D版和Unity3D版（WebGL版）的上传和发布，并在未来VR资源建设中，接收以WebGL为标准的VR资源类型。

（3）协同共建机制

教师、开发人员、学生、企业人员深度参与，对平台中的VR资源进行协同共建，建设既能满足学校和企业虚拟仿真实训教学的需求，又能根据不同学校和企业的个性化要求做出相应调整。

（4）按需开放共享机制

平台支持VR资源的分类管理和教师自主创建VR项目，VR资源和VR项目都可以按照需要设置是否完全开放或者部分开放。

（5）激励机制

通过鼓励教师参加校级虚拟仿真实训课程、校级虚拟仿真实训项目立项建设，支持教师基于虚拟仿真教学平台开展教学改革、参加比赛等，逐步推进虚拟仿真实训教学资源在课程日常教学中的应用。

2.测试应用

在平台部署完成后，笔者所在研究团队对校内60多套资源进行了上传和发布，并组织了有虚拟仿真教学需求的8名教师和441名学生对平台进行测试，在新冠疫情期间开展基于平台的线上VR教学，经过理论学习、自主练习、操作考核后，采用电子问卷针对平台功能满意度、平台有用性及易用性对教师和学生进行问卷调查。数据显示，使用的教师和学生对平台均有较高的满意度。

本文结语

虚拟仿真实训教学是有效解决职业教育实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等特殊困难的重要措施。随着越来越多的职业院校注重虚拟仿真实训教学工作，建设可支持虚拟仿真教学资源集中管理、开放共享和深度应用的虚拟仿真教学平台势必会受到更多的关注。

参考文献：

[1]卢梅霞.基于Web的虚拟实验室的设计与实现[D].荆州：长江大学，2017.

[2]伏昕.基于B/S结构的高校实验教学平台管理系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2016.

[3]侯博程.基于安卓的虚拟仿真实验教学资源管理系统的设计与实现[D].呼和浩特：内蒙古大学，2019.

[4]黄教强.面向智慧校园的虚拟实验平台研究与实现[D].广州：广东工业大学，2018.

[5]董红宏.虚拟仿真实验管理平台的设计与开发[D].呼和浩特：内蒙古大学，2019.

第一作者：段丹萍，女，讲师，工程师，研究方向为数字化资源的建设与应用、数据挖掘技术等。

基金项目：2018年广东省高等职业教育教学质量与教学改革工程项目“VR技术条件下工作过程导向的实训教学模式研究”（GDJG2019204）、2018年广东食品药品职业学院自然科学研究项目“高职虚拟实验实训资源管理平台的建设与研究”（2018ZR026）、2019年广东食品药品职业学院质量工程项目“高职虚拟仿真教学资源共享与应用模式研究”。