基于“互联网+”的中小学远程控制实验中心的构建与实践研究

张 曦，许炎桥

(宁波市学校装备管理与电化教育中心，浙江 宁波 315010)

基于“互联网+”的中小学远程控制实验中心的构建与实践研究

张 曦，许炎桥

(宁波市学校装备管理与电化教育中心，浙江 宁波 315010)

中小学实验教学易受到教学环境、教学时间、师资水平的影响，因而学生不能更好地自由地学习。本文提出在“互联网+”背景下，将物联网技术、虚拟技术、移动互联技术与教育融合，构建基于真实实验的中小学远程控制实验中心，使学生实验不受时间、空间、身份的限制，体现智慧教育“时时、处处、人人”的泛在学习理念。文章强调将“互联网+”思维和智慧教育建设目标融入到实验中心，以学习者为中心，构建开放、共享、共赢的系统平台，并通过实践给出了行之有效的实施策略。为了保持中小学远程控制实验中心的可持续性，本文提出了学分银行、市场化运维等创新机制，并以具体的实验案例说明远程控制实验中心在教学中的具体应用。

实验；远程控制；互联网+；智慧教育

观察和实验在中小学教学中具有不可替代的作用，但传统的在教室或实验室中进行的实验教学受到多种因素的制约，如学校的办学理念、教育设备、教学环境，教师教学能力、教学方式，学生的知识结构、动手技能、兴趣爱好等。在很多学校，为了应对中考、高考，大大减少了学生的实验时间，甚至关闭了实验室。学生想做实验而没有条件做，严重挫伤了学生科学探究的积极性。如何创造条件，整合资源，引进技术，并打破学校间教育资源不平衡现状，为广大学生创造尽可能多的实验条件，这是每个科学教育工作者必须认真思考的问题。

随着信息技术的发展，众多的虚拟实验应运而生，使学生可以在电脑或者固定设备上进行虚拟化的实验。虚拟实验(包括模拟实验、仿真实验和虚拟现实实验)是借助于物理模型、数学模型、虚拟现实模型，来研究相对复杂的实际系统。虚拟技术具有多感知、交互性、自主性等特点，突出了实验的形象性和直观性，弥补了传统实验难以达到的效果，又可避免实验仪器的损坏和材料的消耗，受到了众多学校的欢迎。但由于虚拟实验的条件、环境是理想化的，过程是简单有限的，结果是预先设定的，实验者难以真正体验到操作真实仪器设备所带来的成功、挫折、快乐和收获，尤其缺乏对偶发情况的应对能力，无法培养真正的动手和操作能力。

为此，笔者另辟蹊径，尝试将“互联网+”思维应用于实验教学，建设基于真实实验的中小学远程控制实验中心，即引入互联网、物联网、移动通讯技术，将传统的教学仪器进行技术改造。让学生利用身边的电脑，自主操控远程的各种教学仪器设备，做一些真实的实验。

中小学远程控制实验中心是一个“无墙”的实验室，只有逻辑上的限制，没有物理空间的限制，通过网络平台，实现协同学习及资源共享，其实质是在线实验室。作为宁波智慧教育项目中一个重点要突破的具体应用案例，可以从不同的视角进行解读。本文重点探讨中小学远程控制实验中心的建设和实施策略，不涉及具体的技术要求。

一、国内外研究现状和案例

关于远程控制实验，根据本地端设备是否是真实设备，分为远程控制虚拟实验和远程控制真实实验。后者的主要形式是：设备与用户在地理位置上分离，服务器与实验设备之间通过RS-232接口或总线进行连接，用户通过互联网与服务器通讯，对实验设备发出操作指令，完成相关的实验过程。同时，系统将真实的实验数据、图像反馈到用户端。用户还可以通过网络摄像机对实验现场进行实时转播，便于用户获取更多信息，使用户有身临其境感。由于远程控制实验对网络传输速度、设备控制以及运维管理有较高的要求，因此发展不快。但国内外高校已有典型的成功应用案例。例如，美国麻省理工学院建立的基于网络的实物远程实验室(MIT iLab)，覆盖物理、电子等多个学科，可以与世界多个国家的用户通过网络远程连接进行实验[1]；美国田纳西大学查塔努加分校的网上工程实验室提供了压力控制、液面控制、温度控制、速度控制等一系列远程实验[2]；美国德克萨斯州立大学建立了控制倒立摆的远程实验室[3]；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验[4]。

在国内，上海交通大学电子信息学院研制的机器人远程控制系统，基于C/S模型实现对机器人的运动及产品加工[5]。浙江大学电工电子网络实验室是在远程实验室基础上提出虚实结合的网络实验室，涵盖了电路原理、数字电子技术、模拟电子技术、微电子器件、微机原理等课程，是一个综合性远程实验室[6]。大连理工大学机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统，控制设备对象是数控加工机床。还有其他一些大学也在尝试应用远程控制技术开展实验教学。

但是，基于真实实验的远程控制实验虽然在国内外高校已经进入实际教学领域，但由于专业性较强，应用范围相对狭窄。而在基础教育领域，则仍是以虚拟仿真为主，基于真实实验的远程控制实验中心鲜有报道。因此，笔者以为，研究并构建基于真实实验的中小学远程控制实验中心，使中小学生能够不受时空限制，可以自主选择感兴趣的领域进行实际操作和研究，并与同学进行信息共享，这是一项非常有价值的事业。

二、建设中小学远程控制实验中心的依据

1.自主学习理论

齐莫曼的自主学习理论认为，学生的学习涉及自我、行为、环境三者的相互作用，当学生在元认知、动机和行为三个方面都积极参与者时，其学习是自主的。因此，中小学远程控制实验中心要创造环境，激发学生内在的学习动机，如明确为什么学、怎样学、何时学、学什么、在哪里学、与谁一起学等。在中小学远程控制实验中心中学习，需要将观察、思维和操作紧密结合起来，满足学生操控的欲望，突出自我效能感，从而形成稳定的学习动机，更积极主动地获取科学知识，参与科学探究过程。

2.“互联网+”思维

“互联网+”在教育中的本质是教育和技术的融合，因此在建设中小学远程控制实验中心时要嵌入“用户”“平台”“实时”“在线”“流量”“资源”“大数据”“移动互联”等互联网思维。以平台为基础，搭建开放、互动、参与、融合的应用系统；以用户为中心，关注用户的体验，提高用户的粘性，增加系统的流量；以资源为核心，通过大量实时、在线的真实实验项目，促进优质资源的共建共享；以技术为支撑，挖掘大数据的价值，实现智能化的指导，提升学习的效率。

3.智慧教育建设的要求

苏泽庭[7]认为，智慧教育的建设有三个目标：整体性、智能性、持续性。整体性是指要有顶层设计与整体开发；智能性是提高教育服务的智能化、个性化、便捷化，是融合教师、学生、专家、技术的新型学习共同体；持续性是指自循环化、产业化和可复制化，基于市场规律实现可持续发展。中小学远程控制实验中心是宁波智慧教育总体建设内容中的具体应用案例，因此中小学远程控制实验中心的建设也要遵循智慧教育建设的规律，顺势而为，才能做大做强。

三、中小学远程控制实验中心建设总体目标

基于“互联网+”的中小学远程控制实验中心的总体建设目标是：充分利用互联网资源以及信息技术、物联网技术、仿真技术、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等手段，使一批真实的实验设备处于“实时待命”状态，使学生可通过操作电脑、平板、手机等终端设备上虚拟设备的同时，实时操控远程实验中心的真实仪器，为学生提供自主实验机会，提高学生实践动手能力，努力改变目前中小学实验教学的不足，提升学生的科学素养。实验过程以文字、数字、图表、视频、音频等形式反馈给用户，实验过程和实验结果可以在一定范围内与其他实验者分享。

为了促进实验中心自身的不断发展和完善，还可以更开放的心态，扩大受众面，即不仅仅向中小学生开放，还可以向教师、企业工程技术人员和广大公众开放。这样，远程控制实验可以不受时间、地域、身份限制，实现智慧教育“时时、处处、人人”的学习理念，为建设学习型社会作贡献。

四、中小学远程控制实验中心整体架构和操作流程

中小学远程控制实验中心整体架构由系统端、用户端、资源端构成，其中资源端为提供实验的环境、设备以及软件资源，它可以分散到几个地方，而不一定集中在一个地方，只要有网络即可。用户和资源通过云平台实现互联互通，如下页图1所示。

图1 中小学远程控制实验中心拓扑图

中小学远程控制实验中心系统结构如图2所示。通过控制中心界面，管理者可以对一些实验项目、用户、资源进行管理，对数据进行查询、统计、分析，为大数据分析和智慧教育发展积累资料，从而为下一步的智能化实验教学提供数据支撑。

图2 中小学远程控制实验中心系统结构

在用户端，中小学远程控制实验中心操作流程如图3所示。

五、实施策略

与传统的实验室不同，中小学远程控制实验中心的建设应由市级教育行政部门牵头，市级装备技术部门与教学研究部门合作，进行整体的规划和布局。在具体设计思路上要着眼于“互联网+”思维，以学习者为中心，建设互联互通、开放融合、共建共享、合作共赢的系统平台。在实验资源建设上采用整体设计，分步推进，而不追求面面俱到，一步到位；要突出个性和特色，扶优扶强，集中优势力量，建设一批中小学有需求而又适合进行远程操控的项目；在使用上形成共享机制，使不同地区、学校的学生共享远程实验中心的资源，提高资源利用率；在运维上引入市场机制，实施公益加有偿的模式；在评价上与学校考核、学生学业水平测试挂钩，增加评价的多元化。在具体的实施过程中，应重点考虑以下几个方面：

1.队伍建设。一是要做好人员、资源、政策配套储备，在教育系统和教育行业汇集一批志同道合的人员，建立研发团队；二是要积极寻找企业资源，扩大合作对象。

2.政策保障。要加强各部门之间的沟通与协调，努力争取政策上的突破，如承认学分、奖励经费等。

3.确定试点。根据学校、教师、企业自愿申报原则，经过有关部门评估，设立分布式的远程控制实验中心的物理地址，成熟一个发展一个。可以是学校、教师个人工作室、学生个人工作室，也可以是企业研发中心。先在某个学科、某个学校、某个县(市)区试点，以点带面，分步推进。分布式的物理地址可突出学科特色、地方特色、个性特色。

4.积累数据。通过在线运行，积累大量第一手资料，通过分析筛选，挖掘实验教学中的大数据资源，为提高实验教学质量和效率提供智能化服务，为政府决策提供客观依据。

5.动态推进。要按照先易后难，循序渐进。如先将一些机构操作简单、效果明显的演示实验上线，积累运行经验，再将一些互动性强的实验上线，逐步充实完善。先期可尝试实验教学中的翻转课堂研究，开发一些基于移动互联网、物联网、虚拟现实的互动设备，不断积累相关素材和数据。

图3 操作流程

六、创新机制

为保持中小学远程控制实验中心的可持续发展，应在以下方面有所突破，并在具体实施中逐步完善：

1.探索市场运作。在资源端，发挥政策的导向作用，政府购买服务，鼓励学校、教师、学生、企业及其它社会机构参与这项工程。实验中心免费提供一些课程标准内的实验资源，对于定制的、个性化的、高端的实验资源，则允许收取一定的费用。政府与市场双轨驱动，多方共赢，实现可持续发展。

2.建设学分银行。实验者通过实验，获取一定的学分。该学分可与实验者的其它学分互认，综合反映实验者的学习素质，并对高学分者采取一定的奖励。

3.打通高校接口。在具体的实施中，在建好一批中小学重点实验外，进一步拓展视野，跳出中小学教材的界限，打通与高校的联系，让高校某些实验资源也能向中小学生开放，为学习有潜力、科研有兴趣的学生开设向上的窗口与接口，那怕仅仅是“一瞥”。

七、成功案例

“远程控制数码显微镜”是中小学远程控制实验中心的一个成功案例。在用户屏幕上有三个区域，分别对应显微镜实时视场区、二维虚拟显微镜区、实时摄像视频区，如图4所示。实验者可以用本地电脑通过鼠标调节二维虚拟显微镜，来操控远方的实际显微镜。通过物联网技术可以使远方显微镜的载物台在水平面上前后左右平移，以选择不同的切片或被观察物体；显微镜的镜头在上下移动，用于调焦；还可以旋转物镜盘，以选择不同倍率的物镜；显微镜的动作状态通过网络摄像头实时捕捉，并呈现于画面中。在观察切片的同时，实验者可实时调用存于“云”上的数字切片库，用于对比教学。实验者还可以通过在线交流，将实验过程与他人实时分享，接受老师和同学的点评或指导。

图4 远程控制数码显微镜

基于真实实验的中小学远程控制实验中心，具有真实性、开放性、交互性、共享性、可扩展性、可持续的特点，实验操作是在有物理干扰的真实环境中进行的，因此学习者能体验到实验过程中成功的喜悦或失败的教训，从而增强其科学探究的兴趣和能力，提高学习者的实践素养。在这一过程中，每个实验者既是资源的享用者，同时也是资源的提供者，系统通过大数据的挖掘，为智慧教育提供了丰富的土壤，这将是未来实验教学的热点。但是囿于资源、人员、技术，要完全实现上述目标，还有不少路要走。

[1]V.J.Harvard et al..iLab:A Scalable Architecture for Sharing Online Experiments[DB/OL].http://www-mtl.mit.edu/～alamo/pdf/2004/iLab-ICEE2004.final.pdf,2004-10-21.

[2]Henry J.Running Laboratory Experiments via the World Wide Web[J].Asee Annual Conference Session,1996,36(1):34-43.

[3]Swamy N,Kuljaca O,Lewis F L.Internet-based educational control systems lab using NetMeeting[J].IEEE Transaction on Education,2002,45(2):145-151.

[4]C.C.Ko,B.M.Chen,J.Chen,Y.Zhuang and K.C.Tan.Development of a web-based control experiment for a coupled tank apparatus [J].IEEE Transactions on Education,2001,44(1):76-86.

[5]程建军.基于LabWIEW的远程中学物理实验系统的设计[D].苏州:苏州大学,2009.

[6]杨凯.基于虚实结合实验室的电路原理实验[D].杭州:浙江大学,2013.

[7]苏泽庭.信息化背景下的智慧教育推进策略研究[J].中国电化教育,2015,(2):46-50.

张曦：宁波市智慧教育研究与发展管理中心常务副主任，宁波市学校装备管理与电化教育中心主任，宁波大学兼职教授，浙江省特级教师，研究方向为智慧教育(nbzhangxi@nbip.net)。

许炎桥：中学高级教师，教育硕士，研究方向为物理教学(2415461334@qq.com)。

2015年6月9日

责任编辑：赵兴龙

The Construction and Practice of An Internet-plus-based Remote Control Lab Center for K-12 Schools

Zhang Xi,Xu Yanqiao
(Ningbo School Facilities Management amp; Audio-Visual Education Center,Ningbo Zhejiang 315010)

Lab teaching at k-12 schools is,to a large extent,determined by teaching facilities,course time and the level of teachers,hence is not always accessible to students.This article looks into the possibility of establishing a remote control lab center for k-12 schools based on actual experiments conducted in labs by combining the technology of IOT(Internet of Things),virtual technology and the technology of mobile interconnection.The lab center allows students free access,regardless of time,space and identity,symbolizing the idea of Smart Education:anytime,anywhere and anybody.This article emphasizes the need of integrating the Internet-plus way of thinking and the goals of Smart Education into the lab center and provides practical strategies on the implementation of this open,learner-oriented sharing center.To ensure the sustainability of the remote control lab center,this article also introduces some innovative mechanisms like the credit bank and the marketing operation.To the end,this article uses a lab case to demonstrate the practical applications of the remote control center in teaching.

Lab Teaching; Remote Control; Internet +; Smart Education

G434

A

1006—9860(2015)08—0099—04