10月19日，2021年雲栖大會“數字孿生&Cloud XR技術助力産研創新”分論壇上，清華大學能源與動力工程系高工、實驗室主任高琪瑞老師進行了題為《基于雲端視覺計算建設全球先進的工科實驗教學平台》的演講。以下為演講實錄：
本次演講主要介紹我們基于阿裡雲和視覺計算建設了一個全球先進的工科教學實驗系統。第一部分介紹視覺計算在工科教學、實驗教學當中的應用情況，第二部分是向大家介紹現在做的全球先進的仿真實驗教學平台。
圖：高琪瑞主任在雲栖大會現場演講
視覺計算在工科實驗教學中的應用
傳統工科實驗教學的四大問題
實驗教學在高校的教學當中起非常重要的作用。我們過去自行設計了具有複雜系統的教學實驗，這些實驗是我們通過對各種理論知識的了解、融合，利用理論知識去分析工業界現象所設計的。比如，我自己設計了一個電廠仿真實驗，電廠非常複雜，通過這個實驗，學生理論知識得以融會貫通，工程能力得到提升，同時對塑造學生的人格、精神起了非常大的作用。
高校實驗的實踐環節方面存在的問題主要是：
- 一是高标準實驗，實驗條件不具備，做不到；
- 二是高成本實驗，實驗條件不充分，做不好；
- 三是高危險實驗，實驗條件不允許，做不了；
- 四是高複雜性實驗，實驗條件不滿足，做不上。
這些因素，導緻很多實驗沒辦法進行，在實驗室根本沒法做，去現場也做不了，受到安全、生産各種各樣的限制。這是現有的傳統教學實驗存在的問題。
而這個問題，實際上教育部早就意識到了，在2012年教育部發文提示高校實踐環節的教學很薄弱，要求加強。教育部要求從思想上、技術、方式上多個方向進創新。2013年開始建設高校國家級虛拟仿真實驗中心、國家級示範虛拟仿真試驗項目，後來有了高校的虛拟仿真一流課程、精品課程，而今年上半年開始試點虛拟仿真教研室。
視覺計算在工科實驗教學中的優勢
傳統實驗方式存在問題，我們嘗試利用視覺計算的方式加以解決。利用視覺計算進行虛拟仿真的優勢在于：
一是不受現有實驗教學條件限制。過去受條件的限制，現在可以克服了，解決了傳統的受限；
二是突破學習時間空間條件限制。過去在教學實驗當中是固定的場所、固定的時間，這受限很大的；
三是抽象的教學内容直覺展示。在傳統教學過程當中有一些抽象的理論，老師教起來很費勁，學生了解起來很費勁。
四是教學内容可依所需延伸或壓縮。
視覺計算在工科實驗教學中應用
基于視覺計算進行虛拟仿真實驗系統具有想象性、沉浸感和互動性的特點，能夠給學生增加很大的自由度。過去想做，但是出于安全、空間等因素導緻學生做不了；現在利用虛拟仿真，可以增加學生的自由度、專注度和回報度。
這幾年，教育部和各家高校在這方面做了不少工作：2013年建設國家級的虛拟仿真實驗教學中心，高校主要負責建設單一的虛拟仿真實驗課程、建設線下虛拟仿真實驗教學中心。2017年開始建設示範性虛拟仿真實驗教學項目，嘗試通過線上模式向社會開放的。2018年開始，就開始大規模建設。2019年，教育部開始評選一流課程，并建了統一的平台，所有上平台的項目都必須在一定時限内免費向社會開放。2021年開始建設虛拟仿真教研室。
據統計，截止到2020年，目前全國有300家國家級的虛拟仿真實驗中心，728門國家級的虛拟仿真教學一流課程，虛拟仿真教學項目有3000多個。2020年春季教育部仿真平台總通路量達到2300萬次。
雖然取得了一定成績，但本地視覺計算仿真實驗在現有工科實驗教學中也存在問題：
1.資源配置設定不均。建設的資源主要集中在沿海或者北京、上海經濟比較發達的地方，中西部尤其是西部地區資源相對來說沒有或者很少；
2.運作終端比較單一。主要建在高校的實驗室裡面，裝置、系統允許容易出現卡頓，甚至有時候出現當機的現象；
3.裝置場所固定維護問題多。
全球先進的工科實驗教學平台建設
這幾年，我們能看到，雲端的算力在飛速發展。英偉達GTC 2021的資料統計顯示，在5年的時間裡面，從P100到A100，GPU的算力，也就是視覺計算的運作速率提升13倍。而基于雲端視覺計算優勢，有着衆多優勢，包括加載時間短、運作速度快、支援多終端和多場景等。
我們認為，在這種算力猛增的背景下，未來網際網路+教育甚至智能+教育是主要發展趨勢，而基于視覺計算和雲的教育模式則是工科實驗教學發展的必然趨勢。
可以看到，雲端視覺計算有三大支撐技術：存儲、網絡和計算的虛拟化，為高校虛拟仿真實驗系統的建設提供強大的支撐。
基于此，清華大學動力工程及工程熱實體國家級實驗教學中心做了一些工作，2014年我們建設了虛拟仿真示範中心；2016年我們開始将一些國家級科研成果轉化為教學資源，用于做實驗；2018年獲評國家級虛拟仿真實驗項目。
現在，我們正在建設全球先進的工科實驗教學平台，這個平台有三部分：服務平台、營運平台、計算平台，計算平台由阿裡雲提供，營運平台由平行雲提供。高校主要做服務平台這部分。
目前，這個工科實驗教學平台已經應用到我們學校校内的9個專業16門課32項實驗項目，每年有700多個學生學習，年實驗總數達到2萬多個學時。
大家可以點選
視訊連接配接，通過這個視訊感受一下學生是如何使用我們這個平台的。平台的加載速度很快，學生在課堂上使用電腦或者Pad即可體驗實驗，或者用VR眼鏡感受實景。學習十分靈活。
是以，我們相信，基于視覺計算和雲的教育模式是工科實驗教學發展的必然趨勢。然而，從産業發展資料來看，在金融、零售、文娛等7個行業中，教育行業應用雲的指數仍然是低于平均指數。我們相信，未來在這方面，還有很多工作我們要繼續努力。