基于“互联网+”虚拟技术的实验教学平台研究

卢 民 荣

(福建江夏学院会计学院 福建 福州 350108)

基于“互联网+”虚拟技术的实验教学平台研究

卢 民 荣

(福建江夏学院会计学院 福建 福州 350108)

以“互联网+”、虚拟技术视角，从技术层面搭建“互联网+”虚拟技术框架，提出虚拟实验室教学设计，然后使用虚拟化技术设计实验教学平台，包括实验虚拟交互、SPOC云、开放共享等。以校企共建实验室的理念和学科专业特点，搭建与企业接轨的仿真实验教学平台，包括3D仿真财务决策平台、财务与会计核心课程平台(含课程实验、综合实训、社会实践)、实验室管理平台等，并以该平台设计“互联网+”实验流程和财务会计相关专业案例分析。通过“互联网+”虚拟实验室构建在线教学共同体，并对该共同体进行优化设计，建立优化模型，以提升MOOC学习效率和实践效果。同时对国内外高校“以职业能力为导向”的教学模式设计进行了应用比较分析。最后总结虚拟实验室利用率的相关影响。

互联网+ 虚拟技术 虚拟实验室 实验教学平台 MOOC SPOC

0 引 言

慕课即大规模在线开放课程MOOC(Massive Online Open Course)的核心理念是开放共享知识，可高效地实现优质教育资源的全球共享，是学习方式和方法的突破性创新。目前，主要MOOC提供商以美国为主(Coursera、Udacity、edX)；而小规模限制性在线课程SPOC(Small Private Online Course)更加强调“线上线下”相结合的新型教学模式，对实验教学更有帮助[1-3]。MOOC在我国的发展晚于欧美，2013年我国清华大学加入了由哈佛大学、麻省理工学院联合发起的大规模开放在线课程平台edX；2014年教育部在线教育研究中心在清华大学成立；2015年国内学者逐步研究MOOC视频替代模式、“MOOC视频+自制视频”模式、二次开发模式等多种新型教学模式[4-5]。我国教育信息化十年发展规划(2011-2020年)中明确提出“要注重信息技术与教育的全面深度融合，实现优质教育资源广泛共享、推动教育理论变革以及培养具有国际竞争力的创新人才等”[6]。随着计算机互联网和移动设备快速发展，“互联网+”成为国家战略，以及MOOC和SPOC被我国教育界逐步认可，“互联网+教育”将成为在线教育的新趋势。在“互联网+”时代背景下研究“互联网+教育”理念及模式，探讨“互联网+”虚拟实验室的教学模式等可以把封闭的教育资源走向开放，把被动的学习引导到自主学习[7]。

本研究以传统教学模式转变到基于互联网的MOOC教学模式为契机，结合福建江夏学院会计学院实验教学中心(简称“实验教学中心”)的特点，以“央地共建”研究型实验平台为背景，充分利用互联网的优势，将“互联网+”、云计算、SPOC教学模式融入到虚拟实验教学的开放课程中。通过研究虚拟化理论技术、使用云计算平台的体系结构和现有高校虚拟实验室解决方案，提供虚拟化教学服务和提升实验教学层次。在设计MOOC云平台中核心理念是实现实验课程SPOC化和实验教学虚拟化。SPOC云平台在成熟的MOOC理论教学基础上，引入实验课程教学资源开发，结合互联网环境、虚拟实验室技术设计实验教学环节，提升MOOC的实验学习效果，推广虚拟实验室应用及扩大MOOC课程应用范围。

1 “互联网+”虚拟技术框架

1.1 “互联网+”硬件体系结构

在“互联网+”时代，处理信息数据的核心资源主要在服务器，服务器的资源动态配置能力不仅要实现用户需求，还要快速响应、方便使用等。通过云计算、大数据等技术将服务器资源整合，配置虚拟化服务器，结合虚拟化软件，能够方便地实现实验环境的部署和统一管理[8]。目前比较流行的桌面虚拟化软件主要由VMware和Citrix公司提供(微软公司的Microsoft Windows Thin PC也可以提供类似的服务，但这个软件只支持Windows 7及以上操作系统且必须取得软件保障)，桌面虚拟化架构如图1所示。然而，虚拟化软件在虚拟桌面时需要消耗一定的时间，为此，高校在新学期开始，实验室就要根据学校实验教学任务准备好相关的实验环境(含物理实验室和虚拟实验室)。虚拟技术所需要的服务器系政府、高校的贵重设备，基于“互联网+”虚拟技术的实验教学平台研究亦探讨了服务器在虚拟实验室中如何为MOOC课程教学、实践教学提供更好的服务，以及如何提高其利用率。

图1 “互联网+”桌面虚拟化架构

1.2 “互联网+”应用虚拟化

桌面虚拟化与应用虚拟化概念比较接近，前者是以应用领域来划分的，后者是以实现层次来定义的，而当前应用虚拟化不像桌面虚拟化有比较权威性的定义，Wikipedia[9]是这么定义应用虚拟化的：将应用程序及其依赖软硬件环境从底层操作系统中包装出来的软件技术。其大致原理是将服务器硬件、操作系统、应用软件及访问控制等资源整合在云计算平台中，实现了软件环境与硬件环境的分离，客户端不需要安装应用软件，在“互联网+”环境下能获得更加灵活配置；应用虚拟化软件针对应用资源进行集中化管理，提供了多用户远程访问。“互联网+”应用虚拟化访问过程如图2所示，当用户访问虚拟化的应用时，客户端将处理需求和交互数据提交到服务器端，服务器端会对每个客户端进行独立的处理，并将处理结果回传到客户端，让用户操作服务端应用程序能够像本地操作一样[10]。高校实验室可以针对不同专业、不同课程的教学需求，利用服务器虚拟化软件将服务器虚拟成多个教学平台，互联网用户(教师、学生或工程师)可以根据个性化的需求进行配置，形成“互联网+”教育内容、教育管理、教学平台等[11]。高校实验室服务器主要用于实验教学，较多提供应用服务，从安装、配置、管理便捷方面考虑，高校实验室服务器建议安装Windows服务器操作系统。

图2 “互联网+”应用虚拟化访问过程

2 “互联网+”虚拟实验教学平台设计

2.1 虚拟实验室教学设计

虚拟实验室是基于虚拟原型技术的计算机虚拟实验室，目前高校在形象化教学中已经初步应用，其虚拟仿真技术越来越普遍；在校企合作模式中虚拟实验室主要设计为实践教学中虚拟仿真任务，与MOOC实验教学结合度还很低[12]。利用硬件虚拟化技术，将虚拟实验室中服务器的硬件资源抽象成一个拥有巨大计算能力的“云”资源池(或共享池)，教师(或工程师)、学生(或社会学习者)可根据学习需求申请、使用、注销虚拟资源[13-14]。虚拟实验室中服务器配备的虚拟仿真软件是虚拟实验室的灵魂，目前虚拟仿真商业软件价格不菲，这迫切需要多校多企共建模式和“互联网+”共享模式的展开，提升虚拟仿真软件共享度，降低虚拟实验室的建设成本。虚拟实验室在改变传统实验教学环境的同时，教师的教与学生的学也相应的发生结构性的变化，学生的学习渠道不再是单一高校教师的指导，还有工程师的参与；教师教学范围也得到很大扩展和挑战，包括社会人员。虚拟实验室、参与者(教师、工程师、学生)在虚拟实验教学管理平台下的关系如图3所示，虚拟实验室和参与者之间关系不是强制的，以实验主题区别，通过虚拟实验教学管理平台进行管理。在虚拟实验室环境下的实验教学，教师、工程师、学生等参与者由各自需求而定，教师不受限特定教学群体，工程师不受限工作时间，学生不受限实验环境。高校现有许多实验、实践等环节很多已经使用相应的专业软件实施教学，部分教学软件由于付费问题学生无法在个人计算机上演练，部分商业软件由于安装复杂性导致学生不会独立安装等情况都会影响实验教学的开展，虚拟实验教学设计可为学习者提供便利[15]。

图3 虚拟实验室教学设计

虚拟实验室穿插在实验项目的实施过程中，根据实验项目特点和虚拟资源情况，有些实验项目或仿真项目的局部是不需要进行虚拟实验室教学，虚拟实验教学管理平台对虚拟实验室的教学过程进行自动录制，在虚拟实验室平台关闭时再作整理，为后续师生再次实施该实验项目作参考，提升实验效率，对减少占用虚拟资源起辅助作用。在“互联网+”实验教学平台环境下，虚拟实验室展开的实验教学通过录屏技术能够保存教学过程，随着移动互联网的发展，学生可通过手持设备(智能手机、平板电脑)进行随时、随地的学习和提问，大大提升了学习空间和效果[16]。

2.2 “互联网+”SPOC的实验教学平台设计

在虚拟实验室教学设计基础上，运用“互联网+”虚拟技术设计“互联网+”SPOC的实验教学平台，方便各实验课程的实践教学开展，实现虚拟实验室资源在互联网中共享，形成开放教育平台的雏形，从而促进教育手段改革和虚拟仿真实验室建设[17]。本平台为各类教育者、学习者提供虚拟化服务教学平台的实践做出努力，包括实验虚拟交互平台、SPOC云平台、开放共享平台，平台总体框架设想如图4所示。

图4 平台总体框架

(1) 虚拟实验交互系统

该系统主要是在研究虚拟化理论技术基础上，运用虚拟化、云计算技术设计MOOC环境下虚拟实验交互，提供师生交流的虚拟互动社区、学生基于互联网的自主虚拟实验或自主探索模块，并提供实验评价管理，实现了实验过程管理包括：指导模块、实验模块、过程监控等管理。

(2) SPOC教学云

提供“互联网+”云服务包括教学云、专家云(也可设为贵宾模块，为后续平台收费做铺垫)，结合互联网环境、虚拟实验室技术设计实验教学环节，以期实现实验课程SPOC化和实验教学虚拟化。引入资源云进行开发，研究云平台、移动平台技术，为开放共享平台服务，同时也为MOOC移动学习提供技术支撑。

(3) 开放共享平台

在开放共享平台中核心功能有优质课程实验和精品课程点播，在运行过程中逐渐形成比较完善的实验知识树、答疑库等。教学资源共享是一个循序渐进的过程，高校所需的教育软硬件资源、高校办学特色存在一定的雷同和差异，也受到教学资源付费问题的影响。因此，在本系统下的教学资源存在政府层面的统一配置问题，并以某种方式进行分摊费用以及资源共享机制还需要进一步研究，以扩大教育资源共享范围。

2.3 实验教学中心平台搭建

本平台系实验样本(详见第三部分)中实验教学中心与厦门网中网软件有限公司(以下简称“网中网”)共建实验教学平台，主要以财务与会计专业的实验教学为主。本平台包括：3D仿真财务决策子系统、财务与会计核心课程平台(含课程实验、综合实训、社会实践)、实验室管理子系统；为“互联网+”实验教学和MOOC视频录制服务，实验教学中心采购两台服务器，并对实验室进行改造和光纤网络部署，其网络部署如图5所示。

图5 实验教学平台网络部署

(1) 3D仿真财务决策子系统

实验过程采用3D仿真效果，通过互联网参与实验需要网页加载3D插件。本系统以人机对抗的方式，采取组队竞争模式去虚拟运营一家工业企业，训练学生以企业内各关键部门(市场部、生产部、物资部、财务部、人力资源部等)和企业外部机构(银行、工商管理局、税务局、法院等)不同视角更全面地关注企业决策、财务管理、筹资投资、市场营销等相关知识和实务技能。

(2) 财务与会计核心课程平台

该课程平台是实验教学中心与网中网共建核心部分，设有课程实验、实训子系统，实现MOOC在线实践教学，也可为其他专业课程平台建设提供参考。平台整体以会计循环为线索，力求高度仿真的专业课程实践教学，并划分为三类课程群(基础能力课程、综合能力课程、情景仿真课程)，涵盖课程实验、综合实训、社会实践等30门课程的理论及实践内容，如：实践教案、实践报告、实验教学在线公开课、在线测试等，同时也包括在线课外辅导，教师和学生通过课程平台内的教学论坛进行答疑与互动交流。

(3) 实验室管理子系统

主要解决实验室管理的门户网站建设(中心介绍、实验教学、管理模式、设备与环境、教学特色、中心新闻/公告/通知等)、实验教学管理(虚拟实验安排、实验批改、成绩管理、实验报告)等统一安排管理。通过虚拟实验教学管理系统可向教师、教务管理员和系统管理员提供实验教学管理辅助功能(学生考勤、实验资源调配、在线申请)。

3 实验过程

3.1 实验样本

工商管理大类在高校中的占比非常大，直接导致整体就业压力，其中财会专业的实践能力较强及其仿真实验平台的可操作性强和效果可视度较高。因此，实验样本选择国内采用网中网开发的财务与会计实训平台的财经类和非财经类院校各两所。本研究的实验教学平台是根据福建江夏学院展开。该学院是福建省人民政府举办的省属公办全日制普通本科高校，重点突出应用型本科大学，现有省级实验教学示范中心5个，省级公共基础课实验教学平台5个，其中福建江夏学院会计学院财务与会计实验教学中心是“十二五”期间福建省首批省级实验教学示范中心。该中心承接2013-2015年中央支持地方“以职业能力为导向的开放式财务与会计实训基地”建设项目，并与福建瀚鼎投资管理公司、网中网共建财务与会计实验教学平台和会计综合实验室。

3.2 “互联网+”实验流程

实验教学中心通过实验教学平台网络部署可以轻松构建在线教师教学、学生学习共同体(详见3.3节构建在线教学共同体)，教师在平台上发布实验内容和安排，学生根据平台要求进行相关实验，在实验室管理平台中实现相关实验流程：

① 实验前学习：在实验开展之前让学生做好充分的准备，如需要学生对实验涉及到软硬件操作流程、虚拟仿真做简要在线培训，并对实验相关知识进行提前了解。

② 实验选择(若为预约则此环节为预约选择)：除了教师安排的实验内容，学生也可以通过平台选择感兴趣的实验内容进行实验。

③ 实验安排：实验选择后学生可以查询要实验的内容和安排，同时学生要注意查看实验安排，分为专业实验室(“线下”)和虚拟实验室(“线上”)两种实验方式。

④ 实验开展：根据申请的实验方式展开实验，如指定专业实验室则需要学生在规定时间到指定实验室进行实验；如选定通过虚拟实验室进行实验，则学生可以在宿舍区内在线实验，教师可以在线指导和通过实验教学平台中的教学论坛进行在线实时互动交流，同时也可以设置实验过程允许平台智能辅导即学生在开展实验的过程中，可通过平台获得帮助和智能提示。

⑤ 提交实验结果：完成实验之后，学生可以提交实验结果，平台能够对学生提交的结果进行判断，学生可以看到错误的操作；另外教师也可以将成绩导出，方便成绩统计和查询，以及实验情况的分析。

3.3 构建在线教学共同体

在实验教学平台上设有静态的课程资料(如：课程简介、大纲、指导书、教材、实践教案、巩固练习、实践报告等)和动态的视频资料(大量MOOC学习视频和在线指导视频)，丰富学习内容的力度，能有效辅助学生学习。动态的视频资料主要在录播管控平台中完成录制，主要有两类视频录制：录制教师的课程教学并制作成实验课程MOOC视频和录制教师在互联网上进行实验指导的屏幕演示过程并制作成在线实践教学MOOC视频。然而MOOC等在线教学因师生分离造成互动不足，影响了学习效果[18]。为了让实验教学平台更能服务于学生，本研究通过构建在线教学共同体(如图6所示)以提升和评估实验教学平台效果。在线教学共同体不仅体现在教学论坛的答疑与交流，还体现在实验课程的指导，在平台上形成师生共同探讨，以及支撑平台。如预置了大量的课程相关的各种流程的多媒体课件，可辅助提高学习乐趣，引导学生自学，引入工程师的在线指导，可较快提升学生解决工作中实际问题的能力。

图6 在线教学共同体

在脱离监管状态下MOOC课程视频自主学习较弱，即便知名MOOC提供商Coursera(美国)其课程完成率也在10%以下，部分高校选修课MOOC平台采取半强制状态下才有所转变[19]。本课题构建的在线教学共同体以学习行为进行分类，对难易不等的财务与会计专业的选修课考核其学习效果result(R)和学习效率优势，学习过程设定参数及权重如表1所示。

表1 在线学习过程设定参数及权重

• difficulty(d)课程难度系数:1容易、2普通、3较难。

• experiment(e)实验工具:1专业实验室、2学生宿舍，3移动设备。

• attitude(a)学习态度:本项为外部因素1差，0一般，1好。

• 自主学习：以在校本科生在无人监督状态下的学习行为，探索如何促使学习者更加自觉完成各种任务。

• 互动学习：在学习过程中教师与学生在互联网上同步、异步指导，学习者之间相互交流并分享各自学习心得。

表1中基于“互联网+”虚拟实验室构建的在线教学共同体T，其线上教学模式可表示为不同学习方式共同提升学习行为，其学习效果R(详见式(2))以考核成绩为准。

(1)

式中i表示在线参与学习(含实验练习)的学生，j表示在线参与教学(含实验指导)的教师，j为0表示学生自主学习形式，形成在线教学共同体。

(2)

式中w1、w2、w3、w4表示在线学习方式所在的权重(每个学生根据不同情况，其权重不统一，但总和均为100)，k表示在线参与学习(含实验练习)的学生个数，Ri表示对应每个学生(个体)其学习效果(考核成绩)。

在实验教学平台上通过学生参与量和学习效果的评估，建立学习评价优化模型(详见式(3)和式(4))，优化其学习过程，以实现学习效果质的提升。

(3)

(4)

式中O(i)表示学习者个体化行为，经优化后的学习效果分析O(R)为学习评价优化模型，表示达到本研究设计的在线教学共同体学习目标。

3.4 相关影响

(1) 应用比较分析

在国外研究中，以德国为例，从人口发展趋势来看，到2020年，德国总人口将减少2.3%，从高等教育入学率预测到2030年受高等教育的人数将增加25%，而职业培训的人数则将减少20%，这意味着从事职业能力的劳动者在直线下降，因此2014年德国教育部再次提出职业教育与高等教育之间关系[20-21]。在国内随着高等教育的普及和人口减少大趋势下，我国教育部也重新审视和颁布“以职业能力为导向”的相关人才培养实验教学方针和指导意见，要求高校开展探索“以职业能力为导向”的教学模式。实验教学中心承接中央财政支持地方高校发展专项资金2013-2015年建设规划“以职业能力为导向的开放式财务与会计实训基地”建设，目前已经完成一期建设，投入400万资金进行软硬件升级、改造，侧重提升实验教学模块(其软件部分投入占比超过40%)。本课题以“以职业能力为导向”研究为契机，调研对象为国内采用网中网开发财务与会计实训平台的多家财经类院校和非财经类院校如表2所示，其中占比为财务与会计等工商管理大类师生在全校范围内所占比例。

表2 财务与会计等工商管理大类占比情况

从表中的数据可以看出以工商管理(财务与会计专业)学生和师资规模比较大，就业压力不容乐观。鉴于该类专业在校进行职业能力演练的可操作性及实现概率都比较大，以此进行“以职业能力为导向的开放式财务与会计实训基地”建设意义相当重大，而且教学效果比较直观、明显，因此高校投入该类专业实验教学软件研发的比例较高。本平台系实验教学中心与网中网共同设计制作，不仅给教师教学带来方便，而且给学生提供更直观的学习体验，确实加强学生的专业动手能力，同时也受到2016年福建江夏学院接受教育部本科合格评估小组的充分肯定。该平台在其他院校应用亦收到较好的评价，如：在厦门大学经过网中网专门配备的师资力量现场讲解，进行5周的教学实践，取得了良好的教学成果。

(2) 实验室利用率分析

传统实验教学一般在学校专业实验室完成，专业实验室带有专业特点、课程性质，学校在排课过程中一般只用于相关专业教学，实验室的软件、硬件与专业或课程相对应，难以分离。因此专业实验室、教师、学生三者无形中限制了实验室的利用率，如部分专业实验教学相对较少、专业学生数不多等，容易造成部分专业实验室资源浪费，对资源开放共享的满意度也比较低[22]。基于“互联网+”虚拟实验室的教学模式要求教学平台、软件都安装在服务器上，各专业实验室(或普通计算机实验室)、虚拟实验室仅作为交互的客户端，在架构设计上把软硬件资源从专业中分离出来，弱化了传统实验室的专业特点，使得计算机类实验室、多媒体教室、学生宿舍区以及个人移动终端等都可以通过互联网接入教学平台。一方面可提升实验室利用率和资源优化，另一方面为基于桌面云的实验室推广和扩展多专业共建虚拟实验室起到推动作用。传统的实验室教学过程中，企业无法参与，而引入“互联网+”实验教学平台的校企合作模式，则工程师参与实践教学成为可能，学生通过互联网平台可提前涉及企业实践，同时也提升了虚拟实验室利用率。

4 结 语

本研究在实验教学中心承接中央支持地方高校建设项目“以职业能力为导向的开放式财务与会计实训基地”背景下，针对国内高校专业实验室共享程度和MOOC视频学习过程中缺乏实践引导现状，围绕“互联网+”、虚拟实验室、实验教学平台理念盘活高校封闭式专业实验室，整合教学资源，提升实验教学效果和实验教学仿真性。通过当前实验教学方法在SPOC、MOOC环境中面临的困境，提出“以职业能力为导向”设计思路和“互联网+”虚拟现实技术为支撑的实验教学平台下实施实验教学模式的改进手段，并以实验教学中心、网中网共建财务与会计实验教学平台和会计综合实验室进行案例分析。在案例分析过程中设计实验流程，并构建在线教学共同体，以学习效果演化过程进行综合分析，抽取在线教学共同体的优化模型，达到引入实验教学平台的学习目标。基于“互联网+”虚拟实验室的教学模式研究结合云计算建立一套由教师、学习者共同参与的实验教学平台，实现MOOC实验环境虚拟化、SPOC化，能够进一步促进虚拟仿真实验室建设。在调查分析高校教育资源共享程度和MOOC学习效果中发现，国内高校教育资源还有待进一步整合，通过“互联网+”计算机虚拟技术探索高校优质教育资源共享的长效机制，以期合理配置教育资源和建立高校教育资源库。

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RESEARCHONPRACTICALTEACHINGPLATFORMOFVIRTUALTECHNOLOGYBASEDONINTERNETPLUS

Lu Minrong

(SchoolofAccountancy,FujianJiangxiaUniversity,Fuzhou350108,Fujian,China)

This paper presents the design of virtual teaching laboratory. From a technical perspective, we established the framework of virtual technology based on Internet plus. And we adopted virtual technology to create the practical teaching platform, including practically virtual interaction, SPOC (Small Private Online Course) cloud, sharing, etc. Combined the ideas of co-built laboratories by enterprises and schools with the features of majors and subjects, 3D stimulation practical teaching platform was created such as 3D stimulation financial decision platform, financial and accounting core courses platform, laboratory management platform, by which practical process was designed and specialized cases related to financial accounting were analyzed. Online teaching community was established by using virtual laboratory technology based on Internet plus. And the community was optimized to improve MOOC (Massive Online Open Course) learning efficiency as well as practical performances of students. Meanwhile, we compared the teaching mode design based on employment-oriented at home and abroad. Finally, we summarized the effects of utilization coefficient of virtual laboratories.

Internet plus Virtual technology Virtual laboratory Practical teaching platform MOOC SPOC

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.10.022

2016-11-21。福建省中青年教师教育科研项目(2016年福建省本科高校教育教学改革研究项目)(JZ160212)；福建省教育科学“十三五”规划2016年度海峡两岸职业教育专项研究课题(FJJKHX16-053)；福建省社科研究基地福建江夏学院财务与会计研究中心培育项目。卢民荣，高级实验师，主研领域：云计算，虚拟仿真。