虚拟仿真实训教学统一数字化平台和服务器部署研究

时间：2024-05-04

杨家蓉，邓昌全，唐华

（眉山职业技术学院，四川眉山 620000)

0 引言

随着信息技术的发展，数字化教育资源越来越普及，虚拟仿真技术作为一种新型的教育技术，具有直观、生动、逼真的特点，可以有效地提高教育教学的质量和效率。然而，当前虚拟仿真教学资源存在着重复建设、内容脱节、教师素质有待提升等问题，给用户的使用带来了诸多不便。为了解决这些问题，本研究旨在推进虚拟仿真实训教学统一数字化平台和服务器部署的研究，实现虚拟仿真教学资源的共享和统一管理，提高教育教学的数字化水平。

1 虚拟仿真实训教学环境建设现状

虚拟仿真技术是一种利用计算机模拟真实世界的技术，将真实环境和对象通过数字化方式呈现出来，从而让使用者感受到真实世界的存在。虚拟仿真技术主要包括虚拟现实技术、增强现实技术、三维动画技术等多种技术手段，具有省时省力、可视化呈现、交互性等特点，在教学中的应用场景非常广泛，包括虚拟实验、虚拟实训、虚拟演练、虚拟展示等。

1.1 国家级虚拟仿真实验教学中心建设

根据《教育信息化十年发展规划》的指导意见，教育部在2013—2015 年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，得到了社会各界的积极的响应和支持。现已遴选出300 个国家级虚拟仿真实验教学中心，分别分布在26个省市自治区，其中理工类211个，农林医药类53个，人文社科类36个[1]。

1.2 高职类虚拟仿真实训中心建设

2015年《高等职业教育创新发展行动计划(2015-2018 年）》的出台，正式开启虚拟仿真实训中心建设，但是在2019年的成果认定中，整体成果却不理想，仅有46项获得国家级认定[2]，其中主要原因仍然在于项目建设偏重于硬件环境，缺乏专业内容支撑，导致实训教学实验室重复建设、利用率低，造成资源浪费。虚拟仿真实训中心专业内容缺乏实用性，致使仿真实训的作用无法有效发挥。

2020 年，教育部职成司发布《关于开展职业教育示范性虚拟仿真基地建设工作的通知》，开启了新一轮职业教育领域虚拟仿真实训教学项目的建设热潮[3]。

2 职业院校虚拟仿真实训环境建设存在的问题

对国内几所具有代表性的公办和民办高职院校的虚拟仿真实训教学环境进行调查研究发现，目前高职院校虚拟仿真实训环境的建设还存在诸多问题，本文重点阐述以下具有代表性的三个问题。当然，文章只调查了部分院校，在研究上还存在一些局限性。

2.1 教学设施重复建设，设备闲置利用率低

调查发现，超过半数的职业院校在建设虚拟仿真实训环境时，存在重复建设、设备闲置、利用率低的问题。一方面，缺乏整体规划和合理布局，没有充分考虑资源共享和利用，重复建设虚拟仿真教学实验室。同一个学校内部，不同的专业之间，甚至是相同专业内部不同学科之间，都争相建设各自的虚拟仿真教学实验室，这些机房被冠以“xxx专业虚拟仿真实训实验室”的名字。设备的充分建设，并没有结合学校或学院实际需求，致使设施重复，成本攀升。虚拟仿真实训实验室的建设需要投入较高的成本，就服务器来讲，其支出成本能占到整个仿真实训室总支出的30%以上。

另一方面，虽然虚拟仿真实验室“遍地开花”，但建设好的实验室又没有发挥其服务学生、服务教学的功效，多数陷入闲置的尴尬境地。部分实训室只提供给指定学科的实训教学使用，限制了实训教学的范围；或者仅仅将虚拟仿真实训教学作为“噱头”，用于招生宣传；再或者只是为了响应上级建设虚拟仿真实训教学实验室的要求，应付上级检查。如此种种，造成了实训设备长时间处于闲置状态，使用率低下，无法高效地发挥设备的价值。

2.2 教学内容缺乏深度，与行业需求脱节

从多所高职院校的调查研究结果来看，当前职业院校虚拟仿真实训环境的建设还存在内容缺乏专业深度，与行业需求脱节的问题。一方面，在内容上缺乏深度和挑战性，例如，某些实训任务设计过于简单，学生不需要过多思考就能够完成，这一定程度上限制了学生创新思维的发挥，影响了学生实践能力的提升，也达不到理想的教学效果；另一方面，一些实训的任务与专业课程、行业需求联系并不紧密，实训项目过于单一。这主要在于仿真软件的内容、场景、资源已经固定，扩展性受限，这也导致很多仿真实训仅仅只是进行了简单的模拟，如果教师在实训中仅仅停留在表面的模拟，而无法全面地融入专业内容，很容易降低学生的兴趣和参与度，无法让学生掌握最新的技能和知识，也无法满足不同专业和职业领域的需求，发挥出实训的最大效果。

究其原因，教学内容与行业需求脱节的原因主要在于一线教学人员与虚拟仿真教学软件和资源的开发的割裂，设计者与使用者之间存在着“鸿沟”，致使一些设计虚浮表面，无法真正达到教学的良好效果。

2.3 教学人员专业性不强，素质有待提高

虚拟仿真实训环境需要教学人员具备相应的技术知识和技能，比如，在教学过程中，需要进行软件设计，教学资源开发等，以便能够有效地运用虚拟仿真实训系统进行教学。然而，现实情况中，这些技术对于大多数教学人员而言仍然存在一定难度，目前许多教学人员仍然欠缺这方面的知识和技能，这就陷入了教学人员“懂专业，不懂技术”的窘境，难以充分发挥虚拟仿真实训环境的优势。同时，教学人员技术操作困难。虚拟仿真实训环境的技术操作相对较为复杂，需要教学人员具备一定的技术能力和经验，然而，许多教学人员在实际操作中面临困难，无法有效地完成实训教学任务。此外，教学人员掌握新技能的速度滞后于技术更新的速度。虚拟仿真实训环境的技术更新速度非常快，需要教学人员不断学习和掌握新的技术知识和技能。然而现实情况中，许多教学人员缺乏持续学习和更新技术知识的意识，导致技术在不断更新，而教学人员的技能却相对滞后。

3 职业院校虚拟仿真实训环境建设优化策略

3.1 整合教学设备资源，避免资源闲置

面对虚拟仿真实训设备闲置的问题，要多措并举。首先，职业院校可以联合进行虚拟仿真实训环境的规划建设，统一采购设备和资源，避免实训实验室的重复建设；其次，在建设虚拟仿真实训环境时，需要考虑设备的合理布局，以便能够更好地利用设备资源。可以将设备按照功能和用途进行分类，然后根据使用频率和重要性进行布局，确保设备能够满足教学需求，同时避免浪费和闲置；最后，要积极建立共享平台，让各个职业院校都可以共享虚拟仿真实训环境资源和设备，提高实训室的利用效率的同时，有效降低成本支出。同时，借助共享平台实现技术交流和资源共享，促进职业院校之间的合作与发展。

3.2 整合行业需求，拓展教学深度

在虚拟仿真实训教学中，要不断整合行业、企业，拓展教学内容的深度。通过定期更新虚拟仿真实训环境的内容，保持与行业发展的同步。同时，要加强与相关行业、企业的合作，积极引入最新的专业技能和知识，确保实训内容的实用性和前瞻性，保持与行业需求的紧密挂钩；其次，要根据不同专业和职业领域的需求，设计多样化、创新性，并且与专业课程紧密联系的实训项目，项目要涵盖实际工作中可能遇到的各种场景和问题。通过设计各种不同的实训项目，让学生体验不同的职业场景和工作任务，提高学生的学习兴趣和参与度，培养他们的综合素质和职业技能；最后，在设计实训内容时，注重知识的深度和难度，以挑战性的方式引导学生思考和创新。通过设置复杂的问题和任务，培养学生的分析能力、解决实际问题的能力。同时，可以根据学生的实际能力和水平，设计不同难度的实训任务，让每个学生都能够在自己的能力范围内得到挑战和提升。

3.3 加强教学人员队伍建设，提高教学人员综合素质

职业院校在推进虚拟仿真实训教学的过程中，也不能忽视学学人员队伍建设。要定期组织教学人员的技能培训，提高他们的技术知识和技能水平。培训内容可以包括虚拟仿真实训系统的操作技巧、技术更新和应用案例等。通过培训，教学人员可以更好地掌握虚拟仿真实训环境的技术操作和方法，提高教学效果；其次，要建立技术支持团队，为教学人员提供及时的技术支持和指导。当教学人员在操作过程中遇到问题时，可以快速得到解决，从而提高教学效率和质量。同时，支持团队可以定期对虚拟仿真实训环境进行维护和更新，确保系统的稳定性和性能；最后，要加强与行业企业或者其他高校的合作，建立技术交流与合作机制，共享技术和经验资源。通过合作，教学人员可以了解最新的技术发展和应用情况，学习到更多的技术知识和操作方法，提高自身的技术水平和综合素质。

4 虚拟仿真服务器部署

4.1 局域网方式部署

虚拟仿真实训实验室由局域网中多个工作站和服务器组成，使用时需要将虚拟仿真软件和资源安装在本地服务器上，形成局域网方式部署，也就是本地部署。由于仿真软件耗费硬件和网络资源的情况不同，服务器的性能要求也不同，这也就造成了资金投入的不可控。仿真软件要求高并发和高运算性能的服务器，这也意味着整个虚拟仿真实训实验室的投入成本直线攀升。局域网部署方式虽然有建设周期短、部署灵活的优势，但是也存在虚拟仿真资源单一，硬件环境无法多专业共享，扩展难度大，形成信息孤岛等诸多问题。

客户端学生机访问速度由局域网速度决定，这就要求局域网规划合理，网络交换设备性能优良。所以，在实际使用过程中，需要配备专业的管理人员对服务器进行日常安全维护、系统升级、用户管理，这无形中增加了实训室的运营管理成本。如果虚拟仿真实验室日常管理不到位，可能会导致仿真实验室无法长期持续正常运行，造成硬件设备形同虚设、闲置浪费，或者无法真正发挥虚拟仿真的教学功能。

4.2 统一虚拟仿真数字化平台

虚拟仿真实训实验室由局域网中多个工作站和远程统一数字化平台服务器组成，如图1所示。虚拟仿真软件和资源安装在远程统一数字化平台服务器上。服务器由第三方公司运营管理，提供专业的软件管理和硬件管理，包括网络安全监控、虚拟仿真软件维护升级、用户认证鉴权、虚拟仿真教学资源共享等。

图1 虚拟仿真实训实验室

统一数字化采用高性能服务器，实现分布式部署，数字化平台则采用云化微服务化部署。服务器性能可随业务增加而动态扩展，分布式计算可以满足虚拟仿真的巨大算力需求，使仿真教学效果不受影响。客户端学生机访问速度受学校公网出口带宽影响，服务器支持多专业虚拟仿真资源，安全有保障，易于扩展，利于打破信息孤岛[4]。

4.3 本地服务器与统一虚拟仿真数字化平台

结合对于成熟度高、无特殊专业要求的虚拟仿真资源，可以选用第三方提供的虚拟仿真服务器和资源，对于一些小众的或需要结合学科教学特点自行开发的虚拟仿真系统，可选择本地服务器运行。此方案支持多专业虚拟仿真资源，易于扩展，成本较高。

5 建设统一虚拟仿真数字化平台

统一虚拟仿真数字化平台的建设，可以有效解决虚拟仿真实训室重复建设，减少设备资金投入。使用统一虚拟仿真数字化平台可以改造利用原有的计算机机房，完成多学科虚拟仿真实训环境建设。不但可以减少计算机机房重复建设，也可以减少设备闲置浪费。

5.1 统一虚拟仿真数字化平台建设

要建设全国范围统一的职业院校虚拟仿真数字化平台。平台需要具有涵盖学校管理、虚拟仿真实验室、虚拟仿真资源建设、练习与考试、过程评价、教学管理等功能模块。管理者支付平台管理费用后[5]，注册成功后，就可以开启平台的使用。

管理者在平台上可以建设院系、专业、班级等教学单位，导入学生信息。同时，可以进行教学资源的购买或者教学资源的开发，进行自主资源开发时，通过将已有资源上传平台，服务教学。自主开发的教学资源可以通过设置共享或私有的方式自主决定使用者的范围。管理者在教学正式开始前，需要在平台中选择课程所需仿真教学资源，再将仿真资源发布到班级。如此学生可以通过终端进行仿真实验，实验结束系统自动给出评分结果及指导意见。

同时，学生在籍期间也可以免费使用平台的海量资源，学生可以在平台上自主搜索选择适配的资源，而平台可以根据学科方向自动建立虚拟仿真资源学习链，学生可以按照此学习链进行循序渐进的仿真实训实验。

5.2 统一虚拟仿真教学资源库建设

在虚拟仿真实训教学统一数字化平台建设过程中，一定离不开资源库的建设，在资源库的建设中，要明确虚拟仿真教学资源库的建设目标，包括要覆盖的学科、提供的教学资源类型、服务于的学生层次等。根据建设目标，制定详细的建设规划，规划要涵盖资源库的结构设计、资源分类、资源收集与制作、技术实现等方面。根据规划建一个能够整合存储、搜索、管理等功能的虚拟仿真教学资源库的平台。

虚拟仿真教学资源库通常包括标准库、私有库和共享库，由平台运营商统一完成各类学科虚拟仿真资源标准库建设，标准库里涵盖着一些常态化的资源。高职院校可以通过补充仿真教学资源建设独属于自己院校的私有库，私有库是院校资源个性化的体现，仅限自己院校使用。而共享库中的资源是对平台所有用户可见，平台运营商、职业院校和教学人员个体都可以向共享库推送虚拟仿真教学资源，平台根据评分标准对上传的资源进行评级，按照级别和资源数量给予上传者积分奖励。当资源共享被其他院校使用后，就可以获得额外积分。

需要注意的是，对于虚拟仿真教学资源库的使用情况要定期检查，定期收集用户反馈，及时进行改进和更新，确保资源库的质量的同时，也要保证其内容的实用性。