虚拟实验设计论文

评职称或毕业的时候，都会遇到论文的烦恼，为此精选了《虚拟实验设计论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。[摘要]探讨了虚拟仪器技术在“测试技术”课程相关知识点中的应用，在理论教学和实践教学的基础上，建立了与理论教学相辅相成的仿真实验目标，设计了课程中信号及其频谱、电桥的仿真实验方案及仿真实验程序，实现了不同信号的频谱分析、不同组桥类型的电桥输出特性等仿真实验。

第一篇：虚拟实验设计论文

初中化学虚拟实验的设计及应用

摘 要：如今的社会在高速发展阶段，而初中化学虚拟实验作为传统演示实验的一种补充，在如今的化学知识教学中扮演着越来越重要的作用。虚拟化实验有着比较良好的共享性和可重复利用性，安全性也比较好，弥补了初中传统化学实验的一些弊端，可以在很大程度上促进初中化学的教学，保证课堂的效率。

关键词：初中;化学;虚拟实验;设计

在新课程标准下的化学教学需要开展一定的改革过程，初中化学教师要积极顺应社会的要求，在具体的化学教学中组织多种以化学实验内容为主的探究活动，充分激发学生参与课堂活动的兴趣，提高学生的主体性，同时也让学生通过自主探究，培养和提高自身的科学探究能力。以前的实验教学中，因为实验器材、实验场地的多种限制条件，学生很难通过课堂亲自参与实验，充分活跃思维，发挥自己的创造能力和探究能力。虚拟实验是借助多媒体中的信息技术，在计算机上营造一个虚拟的实验环境，让参与者仿佛置身于真正的实验场所中开展实验，完成相关的实验探究。将虚拟实验结合真实实验运用于初中化学的课堂中，可以保证实验的安全性，并且其有一定的共享性，还可以充分培养学生的创造性思维和探究能力，保证课堂的教学效率。

一、降低实验风险，把握初中化学虚拟实验设计目标

在开展化学实验时，实验的风险是一个重大的问题，是教师在开展相关教学中必须重视的问题。在初中化学实验的开展过程中，教师要将学生的安全问题当作一个重要的问题，在实验开始之前反复为学生普及相关地实验注意事项。但是学生在开展实验的过程中，总会出现多种多样的操作问题，比如滴入一定的实验试剂过量了，导致反应发生过程中产生更加剧烈的反应，对学生的安全等造成一定的威胁。另外，化学实验本身因为其生成物或者反应物中也会涉及一些有毒化学物品。比如在学习《应用广泛的酸碱盐》一课时，其中就涉及了大量的强酸和强碱，这无论是在发生制作或者反应上都有一定的危险，所以采用虚拟实验的方式来代替实际操作，取代某些比较危险的化学实验。教师可以按照教材内容将实验的步骤和注意事项设计进入虚拟实验之前的视频、动画播放中，吸引学生的兴趣，然后通过后续的信息技术来开展相关的虚拟实验。

通过虚拟实验可以拓宽学生的眼界，丰富学生的知识，提高学生对实验的理解程度和认知。通过多种多样的虚拟实验过程，促进学生近距离对实验现象进行清晰的观察，让学生可以对相关的实验过程进行具体分析，产生非常真实的实验操作体会，让学生在真实的实验过程中有着更加标准的操作。通过虚拟实验，可以为学生提供更好地学习实验素材，加深学生对实验的认知程度，促进学生对化学知识的学习和掌握。

二、结合虚拟特点，开展初中化学虚拟实验设计实践

在对化学实验开展虚拟教学时必须要求教师对整个初中化学整体教材内容进行一定高度的理解和归纳。另外，教师还要根据如今教育新形势的特点。如今的初中化学，不应该仅仅止步于课堂，还需要学生通过一定的实践掌握化学技能和操作技能。化学实验作为初中化学的重要部分，在新课程标准改革下的教学中需要注入新的活力。采用科学的虚拟实验教学可以充分提高实验教学的效率，让实验的方式多种多样。

初中化学的虚拟实验一般有探究式实验和体验式、演示式。体验式主要针对学生，学生在学习完成教师讲解的内容后，自主开展实验，这种实验一般有着比较好的交互性，可以促进学生更好地体验实验过程，加深学生对实验的认识。而探究式的虚拟实验是教师创设一定的教学情景，让学生在情景中可以自主开展实验，选择实验方法和过程。比如在“氢气还原氧化铜”的实验中，教师可以在虚拟实验平台中设计导入新课内容：经过了氢气的学习，我们知道氢气有一定可燃性，那它还有其他的性质吗?就像我们个体一样，肯定不可能有唯一的优点和缺点啊，这节课我们将学习氢气的其他化学性质。通过这样的虚拟实验引入，可以充分让学生化被动为主动，培养学生的思维能力和创造能力。

三、引出问题探究，落实初中化学虚拟实验设计运用

随着教学观念的改变，教师也要积极反思如何开展新的教学模式，促进学生个性发展和全面素养的提高。充分采用虚拟实验的方式，注重对虚拟中的某个环节或者某几个环节的实践都可以深化学生对探究对象的了解和探究方法的学习，教师可以通过提出问题来对学生的具体实验操作起一个导向的作用，帮助学生更加高效地开展实验过程。在具体环节的设计过程中，教师还需要充分考虑学生的能力。

又以上文的“氢气还原氧化铜”教学为例，教师可以在学生开始操作前为学生播放动画演示实验，让学生在进入相应的教学情景的过程中，教师提出问题：在开始实验前，需要做哪些准备工作?实验中又做了什么?实验得出什么结论?通过这样的问题，学生一一回忆视频动画，对整个实验过程的步骤开始的梳理和总结：先完成实验仪器的组装、对实验药品进行取装，实验要点是排尽管内空气，实验完成后先熄火。实验现象：有金属铜生成。然后再完成具体的亲手虚拟操作，提高了虚拟实验的效果。

总的来说，将虚拟实验和真实实验结合的方式在初中化学课堂中开展，可以克服诸多传统实验的教学缺点，对于促进整个初中化学的教学有着很重大的意义。在使用的过程中，需要注意的是无论虚拟实验有多么逼真，其也不能完全代替真实实验。教师需要明白，最终的教学目标是要学生掌握现实情况中的实验能力和严谨态度，培养学生的真实实验能力才是教學的主要目标，开展虚拟实验教学只是一种教学辅助手段，可以丰富教学，促进课堂效率的提高。

参考文献

[1]毛芳芳，刘梦琴，唐清，骆雅丽.虚拟实验在化学教学中的应用[J].山东化工，2017，46(18)：42.

[2]李芳.初中化学虚拟实验的设计及应用[J].软件(教育现代化)，2016，(9)：106.

作者：刘志强

第二篇：典型测试技术实验的虚拟课堂实验设计

[摘 要] 探讨了虚拟仪器技术在“测试技术”课程相关知识点中的应用，在理论教学和实践教学的基础上，建立了与理论教学相辅相成的仿真实验目标，设计了课程中信号及其频谱、电桥的仿真实验方案及仿真实验程序，实现了不同信号的频谱分析、不同组桥类型的电桥输出特性等仿真实验。结果表明：电桥特性的仿真程序可以分别进行单臂电桥、半桥、全桥的仿真实验;周期信号频谱分析的仿真程序可以直观地给出周期信号的时域和频域波形。研究成果为仿真实验在“测试技术”课堂教学中的应用提供了解决方案。

[关键词] 虚拟仪器;测试技术;电桥和差特性;周期信号频谱

[基金项目] 2019年度中国矿业大学教育教学改革与建设课题“虚拟仪器技术在‘测试技术’课堂教学的应用及探索研究”(2019YB09)

[作者简介] 李贝贝(1984—)男，江苏徐州人，博士，中国矿业大学机电工程学院副教授，主要从事机械工程研究;刘秀梅(1982—)，女，江苏盐城人，博士，中国矿业大学机电工程学院教授(通信作者)，主要从事机械工程研究。

引言

“测试技术”是高等院校中机械工程等相关专业学生的必修课，其专业知识在工程科学领域中的应用非常广泛[1]。传统课堂教学方法主要以理论教学为主，需要学生在严谨的数学推导等手段下学习相关概念、原理等。但这种教学方式对学生学习和理解所学知识是不利的。因此，通过课堂演示实验的方法能帮助学生更深入理解课堂中讲授的理论知识。但传统的实验装置因结构复杂、体积大，因而只適合在实验室内使用。此外，受实验条件限制，相应的实验项目也难以与课程教学同步。导致学生在学习课堂理论知识时，不能及时有效的通过实验加深理解，降低的学习兴趣和效果[2]。

因此，通过虚拟仪器技术将课堂教学和仿真实验的有机结合，用直观的课堂演示为理论教学提供验证，必然能够增强学生对理论知识的理解[3，4]。虚拟仪器技术已经广泛应用于大学教学和科研、测试等各个领域。如：蔡共宣讨论了虚拟仪器在课堂教学过程的实现方法，研究了虚拟仪器技术引入“测试技术”课程教学的意义[4]。汤小娇等人对测试技术传统教学活动存在的问题进行了分析总结，建立了基于虚拟仪器的测试实验室，提高了教学质量和学生的实践创新能力[5]。邹大鹏等人将虚拟仪器技术与“机械工程测量与试验技术”课程内容相结合，构建了计算机辅助教学系统，实现了教学内容的直观体现和演示[6]。尤丽华、周洋搭建了基于涡流传感器振动测试的虚拟仪器综合实验教学系统，让学生对测试系统有了更加全面的认识[3]。姚建南、蒋玉强开发了基于虚拟仪器技术的模块化测控实验系统，使得教师的授课不再是单纯的理论教学，促进了学生对问题的理解[2]。南京理工大学的谢丽华设计并开发了测温、称重等虚拟仿真实验，让学生能够更加形象地理解课堂教学的理论知识[7]。此外，泰州职业技术学院王艳[8]、齐齐哈尔大学的王丽[9]等人也分别针对虚拟仪器在“信号与线性系统分析”“传感器”等课程教学活动中的应用展开研究，并取得了积极的效果。

为了更加直观的将理论知识展示并传授给学生，本文分析了机械工程专业对测试技术的学习要求及相应先修课程情况，课程典型知识点的实践教学方法及手段，研究了虚拟仪器在课程典型知识点上的课堂教学仿真实验的实践环节设计。

一、测试技术典型知识点的仿真实验设计

(一)电桥和差特性的仿真实验设计

在工程测试中，常用电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器测量力学参数、位移参数、振动等，而这类传感器仅仅是将被测量转换为电路或磁路的参数变化。因此，此类传感器往往需要使用电桥电路将电路或磁路的参数变化转换为电压变化。此外，电桥具有结构简单、组桥形式灵活的特点，使得电桥在工程测试中得到了较广泛的应用。因此，电桥及其和差特性是“测试技术”课程教学的重点内容之一。

为了实现电桥和差特性的仿真实验，让学生掌握单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、邻臂同号/异号电桥、全桥等不同组桥形式下的电桥输出、灵敏度等特性参数。同时，为了减小课堂演示实验的复杂程度，本文采用如图1所示的电路原理图及实验流程图，并使各桥臂上元件(R1、R2、R3、R4)可分别设置为固定电阻值、应变片，且不同桥臂上应变片的电阻变化率可以分别设置正负变化。因此，在课堂教学的演示实验中，可以按照设计组桥类型—指定各桥臂元件类型—指定应变片电阻变化率符号—指定输入电压—改变电阻变化率—计算输出电压的顺序进行。最后，根据得到的数据分析不同类型电桥的输出特性。其中，在指定各桥臂元件类型时，可以指定各个桥臂的元件为“固定电阻”或“应变片”;在指定应变片电阻变化率符号时，可以指定应变片的电阻变化率为正或负。

为了实现电桥和差特性的虚拟实验，本文设计了如图2所示的程序界面(程序运行时的典型界面)和LabVIEW程序图。运行仿真实验程序，我们可以分别进行单臂电桥、邻臂同号/异号电桥、对臂同号/异号电桥和全桥等六种不同类型组桥方式，在不同电阻变化率下的输出电压值仿真实验。根据实验得到的电桥输出特性，可以画出如图3所示的典型实验结果曲线。通过图3中曲线，引导学生分析不同组桥类型的电桥输出特性及其灵敏度关系。

(二)周期信号频谱的仿真实验设计

由课程知识点可知，任意满足狄里赫利条件的周期函数都可以分解成一个直流分量和无限多个正弦分量，且其频谱呈谐波性、离散性和收敛性。为了让学生更好地理解这一周期信号的频谱特性，采用对不同周期信号进行频谱分析实验，可以非常直观的展示这些特性。因此，本文应用快速傅立叶变换，设计了如图4所示的仿真实验流程及程序图，即：在仿真实验过程中，依次按照选择周期信号—指定周期信号的幅值、频率等—计算信号频谱—观测信号原始波形及幅值谱—测量各谱线对应的频率和幅值的顺序进行。其中，周期性信号的类型有正弦波、方波、锯齿波和方波。

根据所设计的仿真实验流程图，本文设计了如图5所示的程序界面(程序运行时的典型界面)。此外，图5给出了方波信号的原始波形和信号幅值谱。从图5可以看出：幅值谱在基频和奇次谐波分量上具有谱线且幅值逐渐减小，使用读数光标可以将幅值谱的各次谐波的幅值和频率读取出来。因此，在课堂教学过程，我们可以通过运行仿真实验程序，完成不同周期信号的频谱分析，并且可以非常直观的向学生展示周期信号频谱的特性。

二、结论

本文分析了虚拟仪器技术在“测试技术”课堂教学中的应用，并设计了基于虛拟仪器的电桥和差特性、周期信号频谱的仿真实验方案和仿真实验程序。结果表明：电桥和差特性的虚拟仿真实验可以完成不同组桥类型的电桥输出特性实验，分析其灵敏度;周期信号频谱的仿真实验可以完成多种典型周期信号的频谱分析，并直观的展示周期信号频谱的特性。通过虚拟仪器技术的演示实验，可以达到实践教学与理论教学相辅相成，让学生在实践中学习，从而更好地掌握本专业课程教学内容。

参考文献

[1]戴振松，葛康定，鈡瑞明.基于LabVIEW的“测试技术基础”教学研究与实践[J].现代测量与实验室管理，2014，22(5)：32-33+42.

[2]姚建南，蒋玉强.基于虚拟仪器仿真的测控课堂实验演示教学方法研究[J].教育教学论坛，2018(25)：276-278.

[3]尤丽华，周洋.基于虚拟仪器的测试技术实验教学系统建立[J].实验技术与管理，2011，28(2)：83-86+90.

[4]蔡共宣.虚拟仪器技术引入测试技术教学的研究与实践[J].装备制造技术，2009(2)：170-171+183.

[5]汤小娇，雷振山.虚拟仪器在测试、教学改革中的应用[J].理工高教研究，2004(1)：107-108.

[6]邹大鹏，吴百海，龙建军.基于虚拟仪器技术实现测试技术教学改革的研究[J].东工业大学学报(社会科学版)，2007(S1)：104-107.

[7]谢丽华.基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究[D].南京：南京理工大学，2010.

[8]王艳，于雯.基于Labview的《信号与线性系统分析》教学实现[J].当代教育实践与教学研究，2015(9)：54.

[9]王丽，苗凤娟，王艳春，等.虚拟仪器在传感器教学改革中的应用[J].高师理科学刊，2015，35(1)：81-83.

On the Virtual Classroom Experiment Design of Typical Testing Technology Experiment

LI Bei-beia， ZHAO Qiaob， LIU Xiu-meia

(a. School of Mechatronic Engineering， b. College Student Innovation Training Center， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China)

Key words： virtual instrument; Testing Technology; bridge and differential characteristics; periodic signal spectrum

作者：李贝贝 赵巧 刘秀梅

第三篇：动画远程教育云虚拟实验平台设计

【摘 要】 伴随信息技术的发展，云计算技术已经被广泛地应用在远程教育领域。针对动画专业远程教育实验环节设计的云虚拟实验平台可以为学习者提供一个即时交流、协作互动、使用灵活、安全高效的实验环境，该平台的应用将促成动画远程教育向实践性、多样化的转变。

【关键词】 实验平台;动画专业;远程教育;云计算;虚拟化

实验环节对动画专业远程教育至关重要。然而，现有的主流远程教育平台尚无法满足动画专业对于实验环节的要求。本文从动画专业的特点和面临的问题入手，研究设计了一个基于虚拟化技术的远程实验平台，对动画专业课程实践进行初步的应用尝试。该实验平台从动画专业远程实验的需求出发，试图解决分组管理、组内交互、教师管理等问题，是对动画专业远程教育实验平台的一次有益尝试，也希望能够起到抛砖引玉的作用，引起领域内的广泛关注，以期进一步研究、实践和提高。

一、动画专业的特点和动画

远程教育面临的问题

(一)动画专业的特点

动画专业课程属于实践性较强的课程，有着区别于其他学科专业的显著特点。主要体现在：

1. 动画的制作流程决定了其创制过程的协作性

动画的创制周期较长，制作过程相对复杂，其制作流程包括前期、中期、后期三个阶段，在每个阶段中，都由不同的人员完成不同的任务。动画前期策划阶段，包括故事创作、角色造型设计、场景绘制、画面分镜头设计等手绘工作。在这个阶段，需要全面收集资料，集思广益，将抽象的构思转化为具体的画面。动画是一种高度假定性的电影艺术，无论何种艺术形式的动画，其前期的设计工作最为重要，直接决定了影片风格与未来成片品质的优劣;中期包括设计稿绘制、原动画、动检、校对、拍摄等工作，3D动画则由电脑生成动作，加动画，最后渲染完成;后期编辑与合成等工作都需要几个部门合作完成。

2. 动画专业的实践性决定了实验环节的重要性

除了需要具备专业基础知识、基本理论和软件操作技能之外，动画创作更需要动手实践能力与团队协作能力。因此，动画专业的学习环境建设必不可少，需要特别注重对学习者实践能力的培养。

实践性强的特点，对远程教育中开展动画专业提出更高的要求。例如，在动画前期的课程设计中，需要学习者创作完成整部动画片的所有角色造型设计方案。与其他远程教育课程不同，这些设计方案的最终确定不存在唯一答案和单一评价机制，而是需要教师与学习者之间共同沟通并进行修改。动画教育注重培养的是创造性思维、艺术感受力和实践能力，因此，教师应在第一时间亲自修改学习者的角色造型设计稿，并让学习者同时看到图形图像的绘制过程和完成效果。在共同讨论的氛围中推进创作进程，这种形式对于动画专业的教与学都是非常重要的。

(二)动画远程教育面临的主要问题

当前的远程动画专业实验教学受到教学环境的制约，不能解决动画创作流程中各部门之间有效合作，不能完全满足基本的教学需求，主要表现在：

(1)动画前期故事脚本、角色造型、场景、故事板等不同分组的设计，需要几个小组的设计者在创作过程中即时分享创意和设计图稿;

(2)同一小组成员需随时交换意见，并对设计文档进行修改;

(3)动画通过画面表现故事，这种本质特点决定了在创作过程中，最为有效的交流方式是直接使用图形图像来说明问题;

(4)教师对不同小组设计进程的监督和指导工作需要一个人性化的模块设计，并对图文修改权限进行保护;

(5)动画中、后期的制作、合成、特效等工作需要提供支持二维、3D等动画制作软件和庞大的运行空间，并提供软件更新与维护服务;

(6)远程动画实验平台应提供易于操作的界面设计与功能管理，以便教师和学习者之间的相互操作。

学习者进行团队协作的过程是一个集思广益、相互协调、相互促进的过程。由于远程教学环境的局限，导致动画教学不能进行作品创制过程中的实时交流。缺少协助环境已经成为影响教学质量的重要问题。因此，建立一个适用于动画学习者合作的虚拟实验室非常有必要，用于组织、协调学习者在同一个实验环境下分工协作完成动画设计制作的各个环节。这种学习方式让学习者能够参与丰富多样的思维活动，经历实践与创新的过程，也有助于学习能力的提高。

二、云计算为构建虚拟实验

平台提供了可能

开放大学主要以远程学习与在线教学为主，动画远程教育实验在技术上应突出灵活性、智能性。远程虚拟实验平台应体现集成化，加强学习者的学习体验。新技术的研究与应用必将促进教育理念、教育方式、教育环境的变革。基于现代信息技术的实验平台将作为一种有效的辅助教学手段在动画远程教学中发挥重要作用，解决当下存在的实际问题。

(一)云虚拟实验平台可以解决组内协调互动和组间资源共享的问题

云计算为远程虚拟实验平台的构建提供了可能。云计算是建立在计算和存储虚拟化技术的基础上，以互联网为中心，使用户可以按照自身需求申请相关设备进行数据存储等应用的一种服务(Klems， Nimis， & Tai， 2008)。我国工业和信息化部在2012年5月发布的《通信业“十二五”发展规划》中将云计算定位为“构建国家级信息基础设施、实现融合创新的关键技术和重点发展方向”。可以看出，虚拟化技术是云计算最重要的关键技术之一，也是云计算的理论基石(Armbrust， et al.， 2009; Kaplan， 2008)。

云虚拟实验平台就是将云计算技术应用于远程教育领域，为远程学习者提供一个“集中式”信息化实验服务平台。云虚拟化实验平台的设计原则是“组内协同互动，组间资源共享”，根据动画实验存储和运算资源开销大的特点，云虚拟实验平台通过对资源动态调节为广大学习者提供具有较强的灵活性、实时性、互动性和隔离性的虚拟实验环境 (Klems， Nimis， & Tai， 2008)，每个实验组可以共享组内资源，组与组之间相互独立。同时，平台也继承了云计算技术的数据安全、高效管理、高可用性等诸多优点，结合教育资源建设，使之成为学习者和教师的辅助教学互动服务平台。

云虚拟实验平台具有可以实时交互、分工协作、共同编辑修改等功能，可以满足学习者在动画制作各阶段的分工协作需求。另外，云计算技术还可以提供弹性的计算能力、灵活的网络互联，具有不受限制的存储等特点，能够在上色、动检、声画合成、特效制作、影片剪辑等创制过程中提供超强的共享运算能力和存储空间，满足动画中后期阶段的工作需求，供几个小组同时进行大运算量的操作。通过云虚拟实验平台，教师可对学习者进行一对一的协调控制与统一管理，同时也有效地实现了学习者之间的远程合作。作为有效的实验教学手段，云虚拟实验平台是对现有远程教学环境实验室空间和功能的扩展，也是帮助动画专业学习者提高动手实践能力的一条新途径，可以解决当前存在的种种问题，满足动画远程教育的需求。

(二)云虚拟实验平台为打造远程智慧学习环境提供了可能

学习环境建设是实现教和学的方式变革的基础。为学习者提供更加便利、舒适、高效的学习环境将是未来教育信息化发展的重要方向。智慧学习环境是一个以信息通信技术的应用为基础、以学习者为中心且具备以下特征的环境，可以适应学习者不同的学习风格和学习能力，可以为学习者终身学习提供支持，为学习者的发展提供支持。智慧学习环境的基本特征可以概括为以下几点(黄荣怀，杨俊锋，胡永斌，2012)：① 实现物理环境与虚拟环境的融合。在智慧环境中，对物理环境的感知、监控和调节功能进一步提高，增强现实等技术的应用使虚拟环境与物理环境无缝融合。② 更好地提供适应学习者个性特征的学习支持和服务。③ 智慧学习环境是一种能感知学习情景、识别学习者特征、提供合适的学习资源与便利的互动工具、自动记录学习过程和评测学习成果，以促进学习者有效学习的学习场所或活动空间。

云虚拟实验平台作为“圆桌型”虚拟云教室的设计，试图提供学习者“智慧学习环境”，开创动画远程教学空间的新格局，真正实现“技术促进学习”(Technology Enhanced Learning)的愿景。打造未来新型学习模式，引领动画教育在人才培养模式上的创新，营造培养学习者实践能力的良好氛围，建立以注重培养学习者艺术感知力与合作能力为目标的全新教学观念，增强学习者自主学习能力。教师也由单方面传授知识真正转变为引导、组织、帮助学习者认知动画行业、获取新知识的引导者。

(三)现有的两种主流云计算不能充分满足需要

目前，教育云平台主要分为两种，一种是政府部门、教育机构牵头建设的非营利性教育信息平台，一种是社会力量、公司企业建设的营利性资源平台。但是以上两种平台都不适合动画远程教育，原因包括：一、教育云平台通常借助云计算技术和服务模式，建立统一的云计算中心，并搭建基础设施云、高性能计算云，这种公共云平台在软件功能上无法满足动画专业教学的基本需求;二、企业推出的营利性资源平台之间数据、服务共享困难，难以互联互通，无法满足动画专业教学特有的分工协作的要求。目前，开放教育、网络教育以及远程教育平台中多采用B/S工作模式，具有技术成熟、开发周期短、管理要求低、使用简便等突出优点。动画专业实验课程所用软件升级快、资源需求越来越高，但现有的远程教育平台往往存在一些无法克服的弱点，如硬件追加投入高、系统资源共享能力差、软件升级困难等。

三、云虚拟实验平台设计的思路与架构

动画远程教育云虚拟实验平台基于云计算技术和互联网技术设计开发，用于动画专业远程教育的实验环节。通过使用池化虚拟机资源为平台提供充足的计算资源(Gibbs， 2006)，同时采用按需分配模式开辟多个独立的服务端为不同的学习组提供服务。实验平台支持多个实验组同时开展实验，每个组有若干学习者组成，同组的学习者可以利用各种终端设备连接到实验平台，利用实验平台提供的交互协同、资源共享和软件支持服务，各自承担不同任务并共同完成实验。如图1所示，实验平台同时为多个实验组提供服务，组内成员可以登录到本组的服务域，并使用相关的服务功能。组与组之间相互隔离，但底层的计算、存储、网络等硬件资源是共享使用的。云虚拟实验平台为各小组之间以及不同分组之间进行学习与讨论提供了一个虚拟空间，可以有效实现动画设计制作过程中“编、导、演”的远程操作过程，同时为教师进行远程监督、指导学习者分组协作提供技术支持。

为提高平台资源的共享利用率、软件功能的灵活性，采用C/S工作模式(Aymerich， Fenu， Surcis， 2008)。动画远程教育云虚拟实验平台的体系结构如图 2所示。

云虚拟实验平台的服务端由云计算基础架构和实验平台专用应用构成，主要由物理资源层、软件支撑层和平台应用层组成。

物理资源层主要包括平台运行的服务器、存储设备、网络设备、安全设备，构成了整个平台的硬件支撑环境，这些计算资源被虚拟化后，可以同时向多个实验组提供完成实验所需的计算、存储和网络资源。动画远程教育云虚拟实验平台与其他远程教育云应用的区别在于该平台依据动画实验设计流程，除提供各设计阶段所必需的软件服务外，还为每个设计阶段提供组内成员之间互动协作的计算、存储和软件服务。

软件支撑层主要包括虚拟化层、数据库、调度管理、负载均衡、日志管理、平台安全管理等模块，用于对实验平台提供软件支撑。

平台的关键实现技术在于云虚拟实验平台应用层，主要包括：① 即时通信模块。同组学习者之间可实现时点对点、一点对多点的通信服务，消息传递、文件共享等快速有效的交互学习。② 设计协作模块。具备版本控制功能，支持多人对同一文档或多媒体文件进行修改标注的操作。例如，5-6人的制作小组中担任编剧、导演、角色造型设计、场景设计、后期合成与特效制作等不同区域工作的参与者，可同时进行讨论。动画剧本、角色造型、场景绘制方案等可以同步完成多人展示与修改工作。③ 电子故事板模块。实现多人同时在线的多媒体交流功能，可以在故事板上输入文字或进行绘画操作，输入结果即时在屏幕上显示，并可保存为图形文件。例如，开展讨论时，负责动画角色造型设计的学习者可直接将设计方案以图像形式进行展示和讨论，听取意见之后，在故事板上直接绘制修改图像。另外，利用平台提供的动画软件，也可随时生成角色三视图及完成简单动作展示。设计协作模块与电子故事板模块功能提高了组内会议交流的效率。④ 登录管理模块。此模块用于对学习者或教师的登录进行管理，完成角色的身份认证。教师角色具备对学习者的分组、任务分工、实验进度查询、作业点评等管理功能。⑤ 专用软件管理模块。实验平台中集成了相当数量的动画专用软件，这些软件可随时被学习者调用，此模块用于维护软件的安装、更新、卸载操作。⑥ 平台管理模块，实现实验平台的维护、管理功能。云虚拟实验平台专有模块功能虚拟现实的交互功能设计符合动画产品创制的特点，不但合理优化了小组的分工协作，同时方便教师监督指导整个小组的设计进度与作业质量。教与学的同步也大大增强了动画学习者的兴趣，提高学习者的参与性与学习效率。

需要特别指出的是云虚拟实验平台应用层中电子故事版模块、设计协作模块是区别于其他实验平台的主要部分，也是本平台的特色与核心。电子故事板模块和设计协作模块充分考虑动画设计的特点，采用了协同合作技术和并发处理技术，在动画设计过程中有效防止操作死锁、信息同步慢、用户体验差等问题。

终端设备包括笔记本、个人电脑、平板电脑、智能手机等。伴随着移动设备和互联网的高速发展，学习者不但可以通过笔记本、个人电脑利用专用软件连接实验平台进行相关实验，还可以通过移动设备利用专用的客户端APP连接实验平台进行大部分的实验操作，使得学习者之间或师生之间能以更加快捷的方式交互。

动画远程教育云虚拟实验平台针对动画远程课程实验环节各个阶段的功能需求设计，为动画远程教育的实验环节提供实验所需的软硬件支持。该实验平台有以下特性：① 硬件成本低，平台采用云虚拟化技术有效实现硬件资源的共享，降低了硬件采购成本。② 易用性，平台采用C/S结构，支持多种客户端设备，利用手持设备学习者可以随时随地登录实验平台。③ 可扩展性，基于云计算平台的设计能够很好地支持各种软件的集成，新增功能模块添加简便。

四、实验平台的实现与验证

(一)实验平台的实现与试行

我们利用8个由1Gbps以太网连接的刀片服务器和一个盘阵搭建了云虚拟实验平台的硬件基础设施。每个刀片服务器包含4个 Xeon X5660 CPU和24GB DDR3内存。盘阵型号为IBM Storwize V3700，容量为12TB，接口为1Gbps iSCSI。云虚拟实验平台运行于qemu-kvm-0.12.1.2虚拟化环境之上，服务器软件均在Windows Server 2008环境下开发，通过100Mbps专网连接互联网。作为远程教育的云计算平台，我们必须考虑基础设施的成本问题，采用刀片服务器为主的硬件架构主要考虑以下几个因素：① 硬件成本：与机架安装式基础设施相比，刀片服务器的连接线缆和配件成本下降约35%。② 能耗成本：刀片服务器的高集成度可有效降低功耗。③ 资源配给灵活：利用刀片服务器的模块化设计，加快资源、更换和恢复速度。表1显示了不同实现方式的对比情况。

(二)实验平台的验证

平台研制完成后，通过不断完善和修改，经过2年4学期的在线试用。每学期约有300人使用该平台进行动画课程设计，每组5人，分成60组。我们观察到的最高同时在线人数为246人(58组)，用户操作流畅，系统的CPU使用率和网络吞吐率最大值分别为58%和73%。试用的结果表明，该实验平台的功能达到动画远程教学实验设计的基本要求，平台运算能力能够满足相关课程的需要。

在刚过去的一学年里，我们通过该平台完成了528人次的课程，130人完成了5门基础课程的学习任务，学习成绩比以前有所提升。学习者合作完成了35个动画作品。据抽样调查，87%的学习者对平台的评价为优良。

五、结语

云计算作为一种新型计算服务模式，正对远程教育、网络教育的各个环节产生积极而深远的影响。本文设计和构建的基于云计算的动画专业远程教育实验平台，是对本专业实验环境建设的初步尝试。案例显示，该尝试取得了初步成效，也是利用云计算技术建设低成本、高效能、通用教育平台的一次实践。虽然，目前由于动画专业学生人数相对较少，不能大规模展开以广泛地检验效果，对于最终的大规模教学成效尚缺乏有力的数据支撑，试验的规模也不够系统，实施方面也缺乏研究，但是随着移动终端设备和移动网络的进一步普及，云计算远程教育平台的不断兴起，动画专业自身的不断探索和发展，必将极大地促进不同地区间的教育平衡发展，使得泛在学习成为可能，也对进一步细化和深化相关研究奠定坚实的基础。整体上看，云虚拟实验平台的设计符合远程教育的特征，作为一种丰富、有效的交互学习手段，其建立必将有利于营造一种指导协作、鼓励创新、互帮互助的学习氛围。

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收稿日期：2016-04-21

定稿日期：2016-06-30

作者简介：王筱竹，博士，讲师，国家开放大学文法教学部(100039)。

责任编辑 韩世梅

作者：王筱竹