智慧实验：教育信息化的新阵地

薛耀锋 苏小兵 贺斌 祝智庭

[摘 要] 文章阐述了智慧实验的基本概念、系统架构和功能组成，介绍和分析了国外已有的代表性实例，设计和开发了智慧实验原型系统，为智慧实验的进一步发展提供参考。

[关键词] 智慧教育； 智慧实验； 虚拟现实； 增强现实

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 薛耀锋（1977—），男，山东冠县人。副研究员，博士，主要从事教育信息化研究。E-mail：yaofeng.xue@163.com。

一、引 言

2013年诺贝尔化学奖颁给了美国哈佛大学马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）教授， 美国斯坦福大学迈克尔·莱维特（Michael Levitt）教授和美国南加州大学阿里耶·瓦谢勒（Arieh Warshel）教授，奖励他们为计算机模拟复杂化学过程提供了系统化的理论基础，促进了化学实验的信息化发展，“把化学实验室搬上了网络”。[1]这三位科学家的突出科研成果可以看作是实验教学信息化发展的又一个里程碑，对未来实验教学的发展和研究工作具有很大的启发意义。

而我国在2010年发布的国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）也对未来实验教学的发展给出了明确指导意见，“建立虚拟实验室”，“增强学生科学实验的成效”。[2]同时，国家教育信息化十年发展规划（2011—2020年）中也提到“建设实验系统、虚拟实验室”，“遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统”。[3]可见，国家教育主管部门从顶层设计视角对未来实验教学的发展给出了明确的发展规划。

在此背景下，结合教育信息化的发展方向，本文阐述了智慧实验的定义、理论基础、系统架构和功能组成，介绍与分析国外已有的典型实例，揭示智慧实验的未来发展趋势。

二、智慧实验

（一）定义和理论支撑

随着信息技术对教育的深入影响，智慧教育成为学界的又一研究热点。智慧教育以智慧学习环境为技术支撑、以智慧教学法为催化促导、以智慧学习为根本基石。[4]智慧教育是经济全球化、技术变革和知识爆炸的产物，也是教育信息化发展的必然阶段。[5]而智慧实验是智慧教育的重要组成之一，也是智慧教育具体教学应用的一种主要形式。智慧实验是实验教学与信息技术深度融合的产物[6]，是教育信息化发展的新阵地。

智慧实验以满足学习者和科研工作者的实际需求为最终目标，以智慧教学理论为教学指导，以情境感知（Context Awareness）、泛在计算（Ubiquitous Computing）、人工智能（Artificial Intelligence）等先进的信息技术理论为支撑，为广大学习者和科研人员提供个性化、多样化的实验教学和科研服务。智慧实验的理论支撑图式如图1所示。

在智慧实验范畴中，学习者和科研人员是整个体系的核心，是以人为本理念的具体体现。智慧教学理论、人工智能理论、情境感知理论和泛在计算理论都是紧紧围绕这一核心服务的。

智慧教学理论强调信息技术对教学方式和教学过程的变革作用，建构文化共享的学习共同体。[7]智慧教学理论根据教学情境的特点和约束条件，保持技术、学科知识和教学法三者的动态平衡，并选择应用恰当的教学法、学科内容以及支持技术，促进学习者智慧学习的发生和智慧行为的涌现。[8]智慧教学理论是对具体教学情境中技术与学科知识、教学方法的复杂关系的平衡与权变，为寻求最为妥当的教学处理方案提供一种可能。[9]在智慧实验中，智慧教学理论为学习者和科研人员提供智慧教学服务，转变单一、落后的实验教学模式，以实验学习者为核心对象，采用多样化的实验教学模式，激发学生的学习积极性，促进学生对学科知识的理解和掌握，提升学生的实验动手能力和实践能力，培养学生的创新精神，形成个性化的培养新模式。

人工智能是研究人类智能行为（如感知、记忆、推理、证明、学习、思考等）机器化的综合性学科，是极具发展潜力的前沿学科之一，也是引导人类社会科学技术发展的重要学科之一。自20世纪50年代末以后，人工智能作为涉及计算机、心理、自动控制、仿生等多学科的交叉产物得到不断发展，研究成果从图灵机理论模型、图灵准则、形式化计算、数理逻辑、知识推理、专家系统、人工神经网络、模式识别、机器学习到人工生命无所不有。人工智能的研究成果也被广泛地应用于人类社会等各个领域，如机器问答、进化机器人、人工大脑、虚拟三维场景、智能决策、语言识别、人工神经元、智能医疗诊断、人脸识别、智能体等。进入21世纪以来，随着人工智能理论体系的日趋完善和一些重大理论的研究突破，人工智能进入了高等人工智能的发展新阶段。[10]在智慧实验中，借助人工智能的知识表征理论、知识推理技术、专家系统、机器学习理论与智能算法等技术理论的支撑，实现实验装备和实验教学系统的智能化水平提升，突破语义鸿沟屏障，为学习者、科研人员与实验装备和实验教学系统之间架起双向的信息交互桥梁，实现人与机器的无障碍交互和自然交互。

对于情境，学者Dey给出了一个经典定义：情境是可以表征某个实体的任何信息。该实体可以是与用户及应用的相互作用有关的人、地点或物体，也可以是该用户或者该应用本身。[11]情境可以包括用户的基本信息、兴趣偏好、用户所处物理环境信息（如温度、湿度等）、事件发生的时间信息（如年月日等）和用户所隶属组织或社会的信息（如制度、風俗习惯等）。如果一个系统运用情境来向用户提供相关信息或服务，那么该系统就是情境感知（系统），其中的相关性取决于用户的任务。[12]情境感知利用各种感知器件采集服务对象的基本信息及所处环境的信息、服务对象的兴趣偏好、服务对象相关事件的发生时间和服务对象的操作信息等，归纳服务对象行为模式，分析服务对象实际需求，从而为互用提供个性化的服务，提高服务对象的满意度。在智慧实验中，情境感知理论通过有线或无线感知器件和计算机系统采集学习者或科研人员的个人基本信息和所处的实验环境信息、地理位置信息、实验操作信息与人机交互信息等，为智慧实验教学应用系统提供重要的参考和依据，实现个性化学习方案和学习资源的智能推送。

随着嵌入式计算设备、移动终端设备、无线互联网的发展，泛在计算逐渐进入到人们的日常工作和生活中。泛在计算是指一种随时随地、无所不在的计算模式，为用户提供移动、透明的计算服务。[13]泛在计算是桌面计算之后的新一代计算模式，它是计算设备微型化、无线化和网络化的发展产物。自20世纪80年代末以来，泛在计算理论不断发展和丰富，它在人们日常工作和生活中也得到不断应用。泛在计算具有时空性、透明性、多态性、移动性等特点。泛在计算的时空性是指其可以为用户无时无刻提供无处不在的计算服务。泛在计算的透明性是指用户不用特意使用传统计算设备就可以接受计算服务。泛在计算的多态性是指其可以通过自然方式进行人机交互，摆脱传统的鼠标—键盘—显示屏的输入输出模式。泛在计算的移动性是指其可以不受用戶地理位置的变化而提供计算服务。在智慧实验中，学习者的教学信息和情境信息将会产生海量的动态异构数据。这些数据没有显著的规律，并且四处分布。同时智慧实验需要对这些异构数据进行大量计算和处理，这些实际需求已经超过了传统计算模式的承载能力。而泛在计算以其时空性、透明性、多态性和移动性的优势，为智慧实验提供强大的计算支撑，实现智慧实验的移动、无线、实时、多用户、多任务的计算服务。

（二）系统组成

智慧实验包括智慧实验装备系统、智慧实验环境系统和智慧实验教学系统等三大组成部分，为广大学习者和科研人员提供定制化的实验教学和实验科研系列服务，其组成结构如图2所示。

1. 智慧实验装备系统

智慧实验装备系统是指人工智能与实验技术深度融合之后产生的新一代实验装备，具备感知、分析、推理和控制等功能，并具有便携、移动、无线通信、3D显示等特点，为智慧实验提供强大的装备服务。智慧实验装备系统的功能概念图如图3所示。智慧实验装备系统包括新一代手持实验装备、头戴式实验装备、3D投影实验装备、触觉和力反馈实验装备等。

新一代手持式实验装备配备有高计算速度的中央处理器、高分辨率摄像头、触摸屏、陀螺仪和其他嵌入式硬件，并具有无线上网功能，可以方便地与互联网进行信息交互。头戴式实验装备可以为用户提供3D虚拟视效和环绕立体声音效，具有大视场，并支持高分辨率的显示。3D投影实验装备可直接投影出立体图像，使用户摆脱了专用眼镜和头戴式装备的穿戴不方便，增强了立体渲染效果，并支持多用户同时使用。触觉和力反馈实验装备在智慧实验教学中的应用可以帮助用户实现各种实验操作体验，增强用户身临其境的互动感受。

2. 智慧实验环境系统

智慧实验环境系统从生态心理学视角出发，以环境给养理论[14]为设计基础，实现实验学习者和科研人员的动态定位跟踪、行为识别、实验条件自动调节、实验环境自适应调整、实验情境数据计算处理等实验环境服务。

环境给养是指在人与环境的交互过程，由环境的属性或属性组合所提供的，可被直接感知的、并能诱发有意图的活动或行为，以实现一定效用的动态的互惠关系。[15]智慧实验环境系统参照环境给养理论的生态框架和六大设计原则，[16]设计智慧型实验学习环境，促进实验环境的物理给养、认知给养、感觉给养、操纵给养、情境给养[17]之间的生态互动关系，从而大幅提高学习者的学习绩效。

根据功能的不同，智慧实验环境系统可划分为感知层、网络层、推断层和控制层等四个层级，其功能结构图如图4所示。

在大多数的智慧实验的教学应用中，智慧实验环境系统整合传感器技术（如光学传感器、声学传感器、重力传感器等）和计算机视觉技术，运用无线射频（RF）定位技术，在参考特定的环境地图的基础上实现对用户的运动跟踪。在对用户的动态跟踪数据的基础上，智慧实验环境系统将根据实验情境的空间模型，实现对用户的行为识别。智慧实验环境系统通过各种有线和无线网络协议，将感知和测量的海量数据进行实时传输和存储。智慧实验环境系统将依据实验教学的具体环境条件要求，自动调节实验环境条件，如温度、湿度、光照强度等，为实验学习者创造良好的实验环境。同时，智慧实验环境系统也会参照实验教学的具体场要求，自适应地调整实验室的布局和开启或关闭相应的实验装备，为实验操作人员提供合适的实验环境。

3. 智慧实验教学系统

智慧实验教学系统以学习空间设计原则[18]为基础，将实验教学资源、实验教学工具、实验教学平台进行无缝链接，为实验学习者和科研人员提供实验教学管理、人机交互、实验场景库、实验教学资源库、实验指导、实验评价、实验学习分析等服务，构建智慧的学习空间。智慧实验教学系统主要包括实验管理层、实验教师层、情境推理层、实验学习层（即个人学习空间[19]）等四个组成部分，具体见图5所示。

智慧实验教学系统主要考虑实验管理员、实验教师和实验学习者三个角色。实验管理员利用智慧实验教学系统可以查询和修改实验教师信息与实验学习者信息，新增和修改实验课程信息，为实验课程分配时间段，安排实验教师授课，控制学习者的选课进度，统计学习者的实验成绩和出勤情况，评价教师的实验教学情况，管理和维护实验设备，向教师和学习者发布通知公告信息。实验教师通过智慧实验教学系统可以查询实验教学课表和选择实验课程的学习者名单，为不同层次的学生设计多个实验教学方案，筛选和推荐实验教学资源，批改学习者的实验报告，录入和核查学习者的实验成绩。

智慧实验教学系统为实验学习者构建了个人学习空间。[20]在个人学习空间，实验学习者可以参考多样化的实验教学方案，根据个人学习需求选择实验课程，阅读自动推送的个性化实验学习资源，如微视频资源。[21]实验学习者在智慧指导功能的帮助下完成真实实验、虚拟实验、远程控制实验或增强现实实验的实验操作。应用个人学习空间提供的各类学习工具，实验学习者完成并提交实验报告，查看自己的实验成绩，了解智慧实验学习分析报告和评价结果，透析自己对实验教学内容的掌握情况，改进自己的不足。

而情境推理层通过分析情境感知数据库的数据，借助情境模型对情境数据进行识别和匹配。然后利用推理引擎，准确推理用户的真实学习需求，并推送個性化的实验学习资源给用户对象。

三、典型实例

智慧实验目前在国内外正处于不断发展阶段。表1列出了七个具有代表性的智慧实验典型实例。

墨西哥学者Millan-Almaraz[22]等开发了一类基于新型FPGA（大规模集成电路）的光合作用智能传感器系统，并在辣椒的光合作用实验中得到成功应用。此智能传感器系统能够采集温度、相对湿度、太阳辐射、CO2、空气压力和空气流量等传感器信号。此系统的测量结果用来实时计算净光合速率，并通过无线通信传输数据到汇聚节点。它还可以估算碳含量等变量，并完成信号处理等功能，如平均抽取和卡尔曼滤波器。

罗马尼亚学者Gorghiu等[23][24]承担了欧盟项目“VccSSe”，即虚拟社区合作空间科学教育项目。该项目的合作伙伴由罗马尼亚、西班牙、波兰、芬兰和希腊等五个国家的九个研究机构组成。此项目的主要目标就是基于虚拟仪器实验软件，开发、测试、实施和推广相关培训模块并结合课堂教学方法和教学策略进行应用。为了达到这个目标，项目组开发了总时间为40小时的培训模块“虚拟仪器在科学教育中的应用”，并设计了四个虚拟实验课程。最终，他们一共开发了50个视频教学资源和9个在线/远程模拟实验。这九个在线/远程模拟实验主要是物理和数学实验，具体包括气体定律、电共振研究、传热研究、浏览器工作坊、三角形的专用线、神秘的四边形（1和2）、角的奇妙世界（1和2）等。总共有363个科学教师和约2900名学生使用了此培训模块和实验课件。

捷克学者Sládek[33]等开发的远程控制实验可以提供一天24小时的服务。在该远程实验中，振荡器的振荡取决于振动激励力的频率。实验中，用户可以通过摄像头直接观看整个实验操作。自2009春季学期远程实验部署完成开始，截止到2010年12月，已经有4200多个注册用户访问了此远程实验系统。

塞尔维亚学者Stefanovic[34]提出了一整套采用客户机/服务器模式的远程实验和虚拟实验解决方案，并开发了两套远程控制和虚拟实验：倒立摆和四耦合蓄水池。该实验教学系统已使用了两年，并对使用此实验系统的1595名学生和24名教师进行了调查评估，普遍反映良好。

波兰学者Wojciechowski[35]采用增强现实技术开发了一个学习环境。此学习环境是一个使领域专家，如教师，积极参与创作过程的互动教育方案。此学习环境是增强现实环境建模方法的一个具体实现。此方法使教师能够为增强现实环境设计和创造学习场景。

台湾地区Hwang教授等[36]整合无线技术、移动技术和情境感知技术，建立了一个基于情境感知的X射线衍射单晶体结构分析实验学习环境。此实验过程中，每个实验环节都安装了传感器和摄像头，每个实验学习者都配备了一台PDA（个人数字辅助终端）和远程控制实验软件。学习者通过PDA和实验软件实现远程控制整个实验的操作。

美国哈佛大学Kamarainen教授等[37]在美国自然科学基金、高通公司和德州仪器公司的资助下开发了生态系统移动户外仿真学习环境项目（Ecosystems Mobile Outdoor Blended Immersive Learning Environment，EcoMOBILE）。此项目应用了传感器技术、便携式手持终端技术和增强现实技术，在当地的一个池塘使用环境传感器进行实地考察学习，并应用智能手机和增强现实学习软件辅助中学生生态系统科学的学习，使他们了解水质测量实验的具体步骤和数据分析。

四、应用系统原型设计

依据智慧实验的原理和中学地理探究性学习信息化环境设计模型，[38]我们设计了一个面向中学地理实验教学的智慧实验应用系统。该系统的体系结构如图6所示。

此中学地理实验教学系统首先通过我们自主研发的地理实验数据远程采集系统，对校园地理环境的温度、湿度、大气压力、风向、风速、降雨量、蒸发量、光辐射、土壤温度、土壤湿度等参数进行远程数据采集控制和无线传输，并将测量数据存储到网络数据库中。同时，实验学习者也可以通过便携式手持测量工具对相关地理环境数据进行测量，利用智能手机或平板电脑将数据写入到网络数据库中。实验学习者根据智慧教学系统自动推送的个性化教学方案，利用网上个人学习空间上提供的网络地理信息系统工具（见图7）、绘图工具（见图8）、数据分析工具等学习工具完成相关实验操作，撰写实验报告并提交给教师批改，完成实验课程。而教师可以选择实验课程，推荐学习资源，指导学生实验操作，批改实验报告，分析学生学习情况等。实验室环境监控子系统通过对温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数的监测，控制实验室的灯光、空调等设备适应实验课程的开展。

此实验系统已在上海市某中学的地理实验课堂上进行了教学应用，各项功能指标都达到了设计要求。

五、结 束 语

实验教学是培养学生实践能力和创新能力的突破口，是信息技术与教学活动深度融合的领地，也是基础教育教学变革的重要阵地。实验教学是基础教育乃至高等教育和职业教育转型发展的关键实践。

随着信息技术在教学活动中的深入应用，智慧实验理论将会不断发展和丰富，智慧实验应用案例将会不断增加。同时，虚拟现实技术、远程控制技术、增强现实技术的快速发展，也将为智慧实验注入新的活力，智慧实验将会上升到新的发展阶段。我们相信在不久的将来，智慧实验将在基础教育领域生根开花，取得更加丰富多彩的成果。

[参考文献]

[1] 祝智庭.MOOC为传统教育敲响警钟[N].北京晨报，2013-10-17.

[2] 中华人民共和国教育部. 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[DB/OL]. [2012-10-11].http：//www.edu.cn/zc_7444/20100926/t20100926525129.shtml.

[3] 中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）[EB/OL].[2012-10-11].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html.

[4] [7] [8] [9] 祝智庭，贺斌. 智慧教育： 教育信息化的新境界[J]. 电化教育研究，2012，（12）：5～13.

[5] 黄荣怀，胡永斌，杨俊锋. 智慧教室的概念及特征[J]. 开放教育研究，2012，18（2）：22～27.

[6] 余胜泉. 推进技术与教育的双向融合[J]. 中国电化教育，2012，（5）：5～9.

[10] 钟义信. 高等人工智能：人工智能理论的新阶段[J]. 计算机教育，2012，（18）：6～11.

[11] Dey A K. Providing Architectural Support for Building Context-Aware Applications[D]. Georgia Institute of Technology，2000.

[12] Dey A K，Abowd G D，Salber D. A Conceptual Framework and A Toolkit for Supporting the Rapid Prototyping of Context-Aware Applications[J]. Human-Computer Interaction，2001，16（2）：97～ 166.

[13] 陈凯泉，张凯. 融合学习科學与普适计算：构建大学生泛在学习环境的路径选择[J]. 远程教育杂志，2011，（5）：50～57.

[14] [15] [16] [17] 贺斌，祝智庭. 学习环境给养设计研究透视[J]. 电化教育研究，2012，（11）：30～38.

[18] [19] [20] 贺斌，薛耀锋. 网络学习空间的建构——教育信息化思维与实践的变革[J]. 开放教育研究，2013，19（4）：84～95.

[21] 王觅，贺斌，祝智庭. 微视频课程：演变，定位与应用领域[J]. 中国电化教育，2013，（4）：88～94.

[22] [25] Millan-Almaraz J R，Torres-Pacheco I，Duarte-Galvan C，et al. FPGA-Based Wireless Smart Sensor for Real-Time Photosynthesis Monitoring[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2013，（95）：58～69.

[23] [26] Gorghiu L M，Gorghiu G，Dumitrescu C. Implementing Virtual Experiments in Sciences Education-Challenges and Experiences Achieved in the Frame of VccSSe Comenius 2.1. Project[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2010，2（2）：2952～2956.

[24] [27] Gorghiu G，Gorghiu L M，B？觘zoi M. Setting up of A Web Educational Video-Clips Exhibition Related to the Implementation of Virtual Experiments in Sciences Education[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences，2010，2（2）：2906～2910.

[28] [33] Sládek P，Válek L P J. Remote Laboratory——New Possibility for School Experiments[J]. Procedia- Social and Behavioral Sciences， 2011，（12）：164～167.

[29] [34] Stefanovic M. The Objectives，Architectures and Effects of Distance Learning Laboratories for Industrial Engineering Education[J]. Computers & Education，2013，（69）：250～262.

[30] [35] Wojciechowski R，Cellary W. Evaluation of LearnersAttitude toward Learning in ARIES Augmented Reality Environments[J]. Computers & Education，2013，68（10）：570～585.

[31] [36] Hwang G J，Yang T C，Tsai C C. A Context-Aware Ubiquitous Learning Environment for Conducting Complex Science Experiments[J]. Computers & Education，2009，53（2）：402～413.

[32] [37] Kamarainen A M，Metcalf S，Grotzer T，et al. EcoMOBILE：Integrating Augmented Reality and Probeware with Environmental Education field Trips[J]. Computers & Education，2013，（68）：545 ～ 556.

[38] 苏小兵，薛耀锋，李治洪. 支持中学地理研究性学习的电子教学地图设计及应用开发示例[J]. 电化教育研究，2013，34（2）：111～115.