构建智能型虚拟实验平台，推进现代教育技术改革

构建智能型虚拟实验平台，推进现代教育技术改革

奎晓燕¹，郭克华¹，杜华坤²

（1.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083；

2．中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

【摘要】实验教学作为高等教育的重要实践教学环节，对提高学生动手实践能力，培养学生的创新性和创造力起着不可替代的作用。随着新工科教育的发展，培养具有高素质工程实践能力的创新型人才成为高等学校的人才培养目标之一。随着2017年《新一代人工智能发展白皮书》的发布，要求高等教育教学在人才培养中要更多地结合人工智能的思想，更好地推进现代教育技术改革和双一流建设。本文探讨了在新的形势下基于人工智能的理念来构建智能型虚拟实验平台的必要性，通过应用案例验证了智能型虚拟实验平台的有效性和重要性，具有很好的应用价值，为高等学校实验教学改革和教育教学质量的提高提供了新的思路和有益帮助。

【关键词】新工科；人工智能；智能型；虚拟实验；现代教育技术 

一、引言

2015年，国务院出台《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》和《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，提出要围绕国家的创新驱动发展战略，深化高校创新创业教育改革，培养具有历史使命感和社会责任心、富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才，其目的是为了满足当前和未来的战略新兴产业竞争人才培养的需要，为高等教育的发展奠定了坚实基础^[1-4]。

2017年教育部启动了“新工科”发展研究工作，并于2月18日形成了“‘新工科’建设复旦共识”，4月8日形成了“‘新工科’ 行动路线（天大行动）”^[1]。新工科建设在我国高等教育界掀起了一阵新的改革热潮，各高校纷纷响应，在工业界和国际上也引起了巨大反响^[1-4]。

2017年中国电子学会/CIE智库发布了《新一代人工智能发展白皮书（2017年）》。白皮书重点围绕新一代人工智能面临的新形势、驱动的新因素、呈现的新特征，详细介绍了新一代人工智能发展特征、技术框架及产业化应用，展望了新一代人工智能中长期技术及产业发展趋势，分析了人工智能领域的投融资特征及趋势，提出了推动新一代人工智能发展的措施建议^[5]。随后，2017年12月14日，工业和信息化部印发了《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018—2020年）》^[6]。因此，在人工智能快速发展的驱动下，高等学校需要对教育教学进行改革，尤其是在实验教学中发展智能教育，推进现代教育技术改革。

二、相关工作

《新一代人工智能发展白皮书（2017年）》指出，当前形势下必须大力发展智能教育，在教学过程中应侧重启发与引导，关注学生个性化的教育和交互，学生能够获得实时反馈和自动化辅导，通过丰富的教学资源提供高质量的教育^[5]。

当前，信息技术在教育领域中应用越来越广泛，教育业务开始智能化、自动化和数字化。信息技术在教育领域的应用能够提高教育的效率，降低教育投入的成本，取得更好的教学效果。随着MOOC、混合式学习、翻转课堂的广泛应用，智能教学系统（ITS）、智能计算机辅助教学系统（CAI）等也迅速发展，为传统教育的变革提供了相应的支持。

在实验教学中构建智能型虚拟实验平台，能够有效促进高等教育的实践教学改革，对提高学生动手实践能力，培养学生的创新性和创造力可起重要作用。新工科教育要求高校培养具有高素质工程实践能力的创新型人才。本文将基于人工智能的理念来构建智能型虚拟实验平台，并通过相关应用来验证构建方法的有效性，为高等学校实验教学改革提供思路和帮助。

三、智能型虚拟实验平台的重要性及关键技术

（一）虚拟实验的意义

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果^[7-9]。本文探讨的智能型虚拟实验平台是将虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境（也称仿真平台）上，注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性，这个交互环境可以设计和开展模拟实验。通过智能型虚拟实验平台，可以将现有各种教学实验室实现数字化、虚拟化和网络化，这也是科研仿真实验思想在高等教育教学中的延伸。

虚拟实验是一种动态体验，其效果能与现实结合，通过实验来确定生活中是不是能完成现在的实验现象。虚拟实验的实现一方面能有效缓解很多高校在场地、器材、经费、师资力量等方面普遍面临的困难和压力；另一方面，通过开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对“时、空”的限制，无论是学生还是教师，都可以自由、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室，自如操作仪器，进行各种实验，有助于提高实验教学的质量和效果。虚拟实验室的开发与应用将会对高等学校实验教学改革产生变革性的影响^[8-9]。

（二）虚拟实验平台的组成及相关技术

虚拟实验室是一种基于Web3d技术、虚拟现实平台（如VR-Platform）^[8]构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统几个部分组成，可以为需要高性能计算的实验项目提供低成本、高可用性的解决方案。

虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验或实验案例，这也是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征^[9]。

目前，构建虚拟实验室的技术主要有以下几种：

1.多媒体技术

采用文字、图片、声音、视频、三维模型、三维动画等多种媒体元素来展示媒介，让实验者从视觉和听觉等方面有逼真生动的体验。

2. Web技术

采用基于Web的开发技术，支持虚拟实验的在线访问和运行。

3. 三维建模技术

通过结合数学知识，数学模型等对实验中设计的物理对象进行仿真建模。

4. 虚拟现实/增强现实/混合现实技术

采用VR（Virtual Reality，虚拟现实）、AR（Augmented Reality，增强现实）、MR（Mix reality，混合现实），其中MR包括了增强现实和增强虚拟等技术，其合并现实和虚拟世界而产生新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。这三种技术在结合人机交互技术后，可支持需要临场操作的实验项目。

5. 云计算技术

通过在高性能的计算工作站上建立虚拟化资源池的方式，利用Web进行资源预约以及对平台的访问和资源的调用，从而实现服务器虚拟化管理和应用，可提高资源利用率，节约工作站的管理和建设成本，降低设备管理和维护的工作量，能提高虚拟实验室的服务能力。

6. 大数据与人工智能技术

采用人工智能技术，进行实验数据的智能收集、分析和处理，以支持虚拟仿真实验的智能化。通过结合机器学习与深度学习方法，从搜集的实验大数据中产生新的发现，用于指导实验的设计和改进，可实现实验的智能设计、实验的智能辅助和实验的智能评价等。

四、智能型虚拟实验平台案例

近年来高校建了适用于不同专业学生教学需求的虚拟实验室，例如，医学虚拟实验室、力学虚拟实验室、电气虚拟实验室、计算机组成原理虚拟实验室、程序设计虚拟实验室、电路虚拟实验室等。在这些虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识，学生更容易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈^[10]。

本文将以图形学虚拟实验室为例来阐述智能型虚拟实验平台在当前高等实验教学改革中的重要性和有效性，为高等学校实验教学改革提供新的思路和有益帮助。

（一）核心技术

当前，对教师人力资源的过度依赖是教育行业问题根本所在，能够辅助教育过程、提升教师效率，同时激发学生自主学习兴趣的产品，将率先得到市场的认可，因此，我们建立的智能型图形学虚拟实验室需要具有自动化、智能测评和个性化学习等功能，其中个性化学习是指基于学习行为的数据分析，推荐适合学生水平的相关学习内容。

智能型图形学虚拟实验室是建立在与学生充分的交互和数据获取的基础上，并在海量的教育数据中，匹配用户的学习需求，最终能够完成辅助教育和评估反馈，图像识别、知识图谱和深度学习技术应用较多。图像识别实现了规模化的自动识别和个性化反馈；知识图谱和深度学习技术搜集学生学习数据并完成自动化辅导和答疑，预测学生未来表现，智能化推荐最适合学生的学习内容，最终高效、显著地提升学生的学习效果。

（二）设计方法

智能型图形学虚拟实验室针对计算机图形学课程实验以编程实现为主的特点，用软件的方式来模拟实验，使用完全可视化语言进行图形化编程，学生可以通过类似拼图玩具的方式用一块块图形对象构建出应用程序。每个图形对象都是代码块，学生可以将它们拼接起来，创造出实现实验内容的函数，然后将一个个图形函数组合起来，构建出一个完整的实验。整个过程只需要鼠标的拖曳，不需要键盘敲击。在智能型图形学虚拟实验平台中，系统对事件进行及时响应，如对鼠标点击事情的响应（如图1所示），能够确保显示的所有数据可以准确地反映当前状态。

图1智能型计算机图形学虚拟实验平台对鼠标事件进行处理

智能型图形学虚拟实验室的人机交互界面设计在整个系统的设计中至关重要，作为整个系统与用户直接交流的终端，人机交互界面的结构必须能体现非常强的用户友好性，特别在模拟编程的设计中，为了能让用户更有效的进行实验，系统真实性和便利性的要求将更高。以往繁琐的配置库文件和学习图形学的过程在智能型图形学虚拟实验室中被简化为鼠标的选择和拖拽，实现了所见即所得的效果（如图2所示），为用户提供了简单、直观、使用方便、便于扩展的虚拟网络实验平台，从而使学生可以将精力专注于实验本身，节省了大量学习时间，系统在实际应用中收到了良好的教学和学习效果。

图2 智能型计算机图形学虚拟实验平台典型案例

五、结语

本文在新工科背景下基于人工智能技术论证了在高等教育实验教学中推进虚拟实验室建设和改革的重要性，并利用新兴技术创新了传统的实验模式，通过典型案例分析了相关应用的有效性。研究表明，智能型虚拟实验平台有利于解决实验条件不具备或实际运行困难的问题，具有非常广泛的应用领域。高等学校可以在科学实验、大型工程实践、实际操作和算法原理等涉及到的领域进行实践和推广，有利于实现资源共享和共同建设高水平实验平台，最终能有效促进高等教育教学改革和双一流建设。

参考文献：

[1] 徐晓飞, 丁效华. 面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J]. 中国大学教学, 2017(6).

[2] 伍李春, 李廉. 新工科背景下的计算机通识性课程建设[J]. 中国大学教学, 2017(12).

[3] 顾佩华. 新工科与新范式:概念、框架和实施路径[J]. 高等工程教育研究, 2017(6).

[4] 叶民, 钱辉. 新业态之新与新工科之新[J]. 高等工程教育研究, 2017(4):5-9.

[5] http://www.sohu.com/a/224103042_353595

[6] 吴妍. 《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020年)》发布[J]. 福建轻纺, 2018(1).

[7] Thompson P W. Mathematical microworlds and intelligent computer-assisted instruction [M]// Artificial intelligence and instruction: Applications and methods. Addison-Wesley Longman Publishing Co. Inc. 1987:83-109.

[8] VR-Platform三维仿真虚拟现实平台．VRP官网.

[9] 百度百科词条“虚拟实验室”．百度百科.

[10] https://baike.baidu.com/item/虚拟实验室