基于虚拟桌面技术康复实验教学模式的构建及应用*

尹敏敏 张奕雯 黄昭鸣

前言

使用虚拟现实技术就是将物体设备虚拟化，通过将计算机硬件设备和网络技术构建的软件与硬件交互、软件之间交互的中间层，利用软件的可扩展性及灵活的特性，来满足上层接口的调用需求。虚拟现实技术广泛应用于康复训练[1]和康复教育[2,3]领域，其效果也得到相关研究的证实[4]。新一代的虚拟现实技术为实现虚拟桌面提供了强有力的支撑，如何让虚拟桌面为康复实验教学的建设提供助力，使教育信息化技术更好地为师生提供优质的资源和访问体验，构建基于虚拟桌面技术的康复实验教学模式是教育康复学及相关专业快速发展面临的新挑战。

1.虚拟桌面与康复实践教学

云技术区别于传统的单机联网模式，作为一种新兴的技术，被认为是继电脑、互联网后的电子信息领域的一场重大的变革[5]。云技术的核心思想是将大流量用于网络连接的计算机资源统一管理与调度，构成一个计算资源库，向用户按需求服务。利用云技术可以极大地提高平台和软件的利用率，云技术的平台即服务（PaaS）就可通过虚拟桌面发布方式来实现服务访问。虚拟桌面将系统的硬件、软件、数据、存储等资源组成统一的资源库。桌面虚拟化构架(Virtual Desktop Infrastructure，简称VDI)将服务器虚拟成许多桌面虚拟机，让用户能够像操作普通电脑一样，其数据处理都集中在服务器端。虚拟桌面的最大特点是可以通过任何设备，在任何地点、时间访问网络上属于个人的桌面系统[6]。通过虚拟技术将用户的数据信息集中存储、计算机管理，而用户端只需要连接网络设置，就可以实现资源的访问，教师或学生只需要专心进行实验而不需要知道哪个服务器在提供服务[7,8]。

2013年华东师范大学在全国率先设立教育康复学本科专业。教育康复学是整合教育与康复的手段和方法，为兼具教育和康复两种需求的儿童提供服务的一门交叉学科。教育康复学重视学生实践能力的培养，改变了传统特殊教育以教育为主的模式。对教育康复学及相关专业的学生而言，在实验室中需要通过小组模拟的形式掌握评估、个别化康复训练、集体教学的相关技能，为实践课的顺利开展做准备。教育康复专业基于综合康复的课程体系，各康复功能板块实验室不仅应配备相应实验室、康复仪器设备、测试工具等硬件，也需要康复课件库、康复资源定制库等软件资源。实践能力是教育康复学本科生培养的核心任务之一，做好实践能力的培养，系统、规范的实践教学标准至关重要。目前大多数高等院校都存在开展康复实验课程困难，实验室及实验仪器、设备数量有限，仪器和设备更新速度慢，实验资源严重缺乏，师资缺乏且培养周期长等现象[9]。

教育部印发了《教育信息化十年发展规划(2011—2020)》，要求“利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施”，推进“实验教学平台等信息化建设”[10]。各高校为积极响应建立“实验教学平台”的要求，搭建了基于“互联网+”的实践教学平台。互联网的优势在于实时性、交互性、可扩展性，可帮助学校有效地消除时间和空间问题带来的不便。鉴于教育康复对象的特殊性以及教学设备的局限性，本研究构建了基于虚拟桌面技术的康复实验教学模式，从而增加了学生动手练习的机会。与传统实验课程相比，利用虚拟桌面的实验室能大大节约实验成本，提高设备利用率，不受时间、空间、设备和师资等条件限制，交互性好，开放性与共享性强等[11]。

2.基于虚拟桌面技术的康复实践课的构建

基于虚拟桌面技术及理论，本研究构建了康复实验教学模式，如图1所示。

2.1 模式解析

康复实验教学模式由云教育、云训练、云考核三个核心板块组成，这三个板块都以“综合康复理论”为基础。在教育康复实践中，经常会遇到同类残疾儿童伴有多重障碍的情况，以脑瘫患儿为例，有研究表明：73.55%的患儿有言语和语言障碍；31.6%的患儿有听觉障碍；15.06%的患儿伴有癫痫；20.5%的患儿伴有斜视；约有2/3以上的脑瘫儿童伴有智力低下和不同程度的认知能力障碍[12]。另外，多重残疾儿童一定表现出多重障碍。因此，对有多重障碍的儿童必须进行多重干预，即综合康复。实施综合康复，必须架构起现代康复医学理论与特殊教育学校实践之间的桥梁。根据现代康复医学的理论与障碍儿童的需要，华东师范大学教育康复系建构了综合康复体系，该体系由7个康复功能模块构成，即：言语功能评估与训练、听觉功能评估与训练、语言能力评估与训练、认知能力评估与训练、情绪行为评估与训练、学习能力评估与训练和运动能力评估与训练[12]。

图1 康复实验教学模式

2.1.1 云教育

云教育板块提供线上的教育资源，包括“康复学习”“专题培训”和“示范视频”三个部分。“康复学习”板块中包含了大量的康复相关课件。课件内容与康复工具相辅相成，有综合康复体系的7个板块的主题，每个主题中的内容都遵循“概述—评测方法—训练原则—解决方案”这一循序渐进的原则，使学习者在阅读完课件后可以对感兴趣的对象有一个系统的认识，具备专业的理论基础。“专题培训”将教学视频分类后呈现给学习者，每个视频针对一个特定主题，分阶段地围绕数个重点作详细的讲解。视频既是课件的详解，又是课件的衍生，将视频和课件结合起来学习，可以达到非常好的教学效果。“示范视频”人性化地按照教学形式、障碍类型、示范形式对视频进行了分类，使教师和学生更形象、更具体地进行学习。

2.1.2 云训练

精准的评估、有效的训练、实时的监控是进行康复训练的三部曲。“评估（Assessment）—训练（Training）—监控（Monitor）”相结合，简称“ATM”。其中，评估可以明确患者的障碍类型、障碍程度，为训练方案的制订提供依据；训练可以使康复方案落到实处，循序渐进地提高患者的能力；监控主要对患者康复过程中的疗效进行动态评估与监控，有助于及时发现问题、确保训练的有效性。这三个环节循环往复，共同推进康复顺利实施。

2.1.3 云考核

康复实验的考核分为理论和实践两部分。理论考核是教师对学生康复知识、案例分析以及康复方案的设计等方面掌握情况进行评分；实验考核是学生面对康复对象的实践过程中，将整个实验结果包括视频、音频、实验报告、动态监控指标等推送给教师，教师根据学生提交的资源进行评分。这样，教师既可以监控学生对实验课程的学习进度，也可以完成康复实验课的考核环节。

2.2 模式特色

2.2.1 实现智能虚拟机

该模式可以为每一个教师和学生准备虚拟电脑，它可以由任何一个智能设备（电脑、平板、手机）登录。登录后可远程访问一台虚拟机，虚拟机是通过虚拟技术把硬件分割成小部分，每部分单独搭载操作系统和运算资源的“计算机”。这样，教师和学生就好像带了一个无形的笔记本电脑，用户只要在联网环境下就能随时登录访问同一台电脑，进行实验课程的学习及操作。

2.2.2 提升资源的利用率

康复实验课程的实施需要做到快速、便捷地交付给学生实验资源。实验资源既包括硬件资源，如康复评估设备、康复训练设备、测试工具等，也包括软件资源，如课件库、案例库、素材库（文本、图像、音频和视频）等。虚拟桌面系统集中了所有资源，能够实现多个桌面同时运行，在实验室中进行不同软件的安装和不同系统的配置，从而满足不同实验教学的要求，而在软件的维护、升级、安装过程中，也具有更大的便利性[13]，大大促进了资源共享。

2.2.3 不受时间、空间的限制

在传统的实验中，教师只有到专用的实验室才可以演示操作实验仪器，而且有限的空间和仪器的数量远远不能满足学生练习的需求。虚拟桌面资源的开放性可以很好地解决此问题。虚拟桌面提供的仪器设备资源能模拟实验仪器并进行相应操作，模拟整个实验过程并将实验结果在计算机中采用声音、显示技术等反馈出来。

3.康复实验流程

教育康复学虚拟实验的操作流程分为以下几个步骤：（1）实验预习：通过云教育进行综合康复教育，实现智能PPT、云设备、云课件三维一体，实现康复教学资源多点共享。（2）实验设备教学：教师讲解实验设备原理、操作过程、注意事项以及实验设备应用等。虚拟桌面系统也提供设备学习的视频资源，可供教师与学生学习。（3）虚拟实验：学生可以随时进入虚拟实验室操作仪器设备，进行评估与训练，系统地完成综合康复流程。（4）数据分析：对案例进行评估与训练，获得此案例的相关数据并进行分析。（5）实验报告管理：数据分析后可获得实验报告；将获得的实验报告进行数据上传，即可传至教师账号，教师可随时在网上调阅学生的实验报告。（6）实验考核：教师可根据学生上传的实验报告进行日常实验课的考核。虚拟桌面系统也提供系统的理论考核与实践考核，实现综合康复的考核。

4.虚拟桌面模式在课程中的应用案例解析

4.1 《言语障碍的评估与训练》课程介绍

《言语障碍的评估与训练》课程的主要内容包括呼吸障碍、发声障碍、共鸣障碍的临床表现，评估手段和言语矫治的实用方法。该课程包括理论课程和实验课程两部分。实验课程需要借助设备对各类言语障碍定量评估手段和实时矫治方法进行讲授。实验操作部分主要依托虚拟桌面平台进行，通过模拟和实操相结合的方式培养学生在个训课评估和训练过程中所需要的基本技能。

4.2 应用言语障碍测量仪开展言语基频的测量

下文介绍如何运用基于虚拟桌面技术的言语障碍测量仪(由上海泰亿格康复医疗科技股份有限公司授权使用)获取言语相关的数据。言语障碍测量仪利用数字信号处理技术和实时反馈技术，具有定量测量和实时训练言语功能。其中，音调是评价言语障碍的一个重要参数，音调异常不但会使发声系统受到损害，也会影响其言语的清晰度和可懂度。测量流程为：准备工作→录音矫正→新建/选择用户记录→参数设置→录入声音→提取数据。以某名6岁女性患儿为例，获取的统计报告如图2所示。参照中国人平均言语基频的参考标准，该患儿平均基频远远高于正常同龄同性别的儿童，存在高音调问题，建议立即进行降低音调的训练。

图2 言语基频统计报告

4.3 应用言语障碍矫治仪开展高音调的矫治

言语障碍矫治仪提供实时的、可以激发言语产生的声控卡通游戏，可以针对呼吸、发声、共鸣功能进行训练，制定合理的矫治方案，为发音能力奠定基础。如针对患儿存在的高音调问题，可进行降调的训练，降调训练有撞球、茶壶、空战、奇妙海、划船、小恶魔、小天使、宇宙飞船等多个游戏。以小恶魔游戏为例，说明对康复对象进行降调训练的过程。

在完成训练游戏之后，系统会自动记录游戏的结果数据。对小恶魔游戏结果采用以下两种分析：（1）对每一次训练的结果记录进行分析。在每一次训练过程中，实时记录患者的平均言语基频的客观数据，监控患儿的训练效果。（2）选择十条以上相同的游戏记录，并为基线期和处理期选择五条以上相同数量的记录，进行单一被试分析，监控患儿的训练效果。

结语

近年来，随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验室不再是科学研究领域和工程应用领域的专属，它已进入到教育领域。教育康复行业刚刚起步，康复实践的重要性已无须赘述。本研究提出基于虚拟桌面技术的康复实验教学模式的构建，初步解决了目前康复实验课程的教学资源和教师师资相对匮乏的问题。新一代的信息化技术为实现虚拟实验室提供了强有力的支撑，如何使教育信息化技术更好地为教育康复行业提供更加沉浸感的虚拟仿真实验室，更好地为师生提供优质的资源和访问体验，是未来实验室建设和发展的方向。