浅谈仿真实验室

张雯莉

摘 要 建设仿真实验室，让繁杂甚至有危险性的实验项目变成快乐且安全的存在带领学生探索与发现未知世界，领略物质世界的奇妙，让学生深刻认识这个世界的构成。

关键词 仿真实验室；人工智能；计算机；实验；虚拟现实技术

中图分类号：G482 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）01-0097-02

1 引言

每当想到实验室那纷繁复杂的器具，随时可见的未知可能危险性和数不清的操作禁忌总会萦绕在师生的脑海，令人望而生畏。但实验室中种种创造性的实验，所带来的魔幻效果又使人欲罢不能。那些神奇的实验使师生领略物质世界的奇妙，让人深刻认识这个世界的构成，带领人们走向未来。那么当然希望学生能尽情领略实验室所能带来的各种知识与冲击力。但如何才能让他们既学到知识，感受科技的神奇世界，又能规避种种危险呢？有没有这样鱼与熊掌兼得的好事呢？答案是乐观的——有！那就是仿真实验室。

2 什么是仿真实验室

所谓仿真实验室，由一组计算机和几款开源的开放式编程模块（多为组态模式），以及N多的外载附加电子模块（各种传感器）组成，在声光电以及虚拟现实技术、人工智能技术的完美配合下，达到既定实验条件就可以产生与真实实验相同的展示效果。仿真实验室可以最大限度破除实物资源限制，由计算机通过图形化的界面视窗配合动画、视频等形式来展示出实验的过程和结果。加入虚拟现实技术的实验，甚至可以有身临其境的体验。并且通过现代化的网络以及新型信息技术、人机交互技术，可以有效利用全世界互联网联通到的实验资源。这样就大大地解除了地域以及资源配置不均衡所带来的困扰，同时提高实验资源的利用率及工作效率。实验中通过拖动鼠标、点击屏幕甚至手势及其他生物识别传感装备，举手投足之间即可展开实验。

当然，这些展示效果和实验过程是没有任何危险性的。大到模拟核弹爆炸，小到模仿打雷下雨，都没有任何的危险，反倒有身临其境的体会。具体来说，就是在计算机上建造一个开放式软件编码平台，这个平台可以在设定的条件下接入对应功能的电子模块而产生同现实实验室中实验一样的效果，只不过这个效果是由计算机画面或者配合虚拟现实进行展示，如火药的配置、闪电的生成等。当想要去做类似的实验时，只需打开平台，按照配比及步骤就可以看到火药及闪电制成的整个过程。

3 仿真实验室现状分析

目前运行比较成功的仿真实验室是微软公司的Technet虚拟实验室，是微软公司20世纪90年代初期作为基于CD的订阅服务所提供的，用一个电脑通过Internet，无须格式化硬盘驱动器就能做到对服务器产品的评估和测试。

国内高校近几年在仿真实验室建设方面也已铺开，但进度较慢，质量不理想，在如何体现信息化核心教学理念方面仍缺少实质性的方案和实践。特别是实验内容和实验手段，难以满足实验教学对于各学科支撑作用的需求。2000年以来，全国高校普遍扩招，加之学科设置增多，实验需求迅猛增长，随之实验室数量也大幅增加，但实验室的容量与实验内容设置参差不齐，又由于各个地区经济发展极不均衡，因此，学科发展下的实验要求与现实实验室资源极其不匹配。难以满足学科专业及实验教学质量的提升要求。再者，许多实验资源价值较高，又难以重复利用。

在这样的大环境下，发展仿真实验室可谓解决这种供需失衡的最有效手段。仿真实验室构建高度的仿真实验形态，并且实验资源可以反复利用，又能破除资源及条件限制；也不必担心实验中的仪器损坏及危险，可以大胆尝试各种设计性、综合性、探索性实验，并可整合全世界互联网范围内可用资源。仿真实验形式灵活多样，可以充分满足各学科教学需求，又能开阔学生视野，提高学习兴趣，充分地适应新形势下培养各种人才的需求。因此，发展仿真实验室将是现在乃至今后满足实验需求的重要方向。

4 仿真实验室的关键程式

要实现之前描述的实验过程，就必须依照软件承载的步骤加载不同的外设电子模块（开源硬件）。外设电子模块所承载的正是实验原料的功能。而计算机软件平台上则会根据具体实验提供相應的虚拟器皿或器械，将反应在画面中展示。当加载的模块错误或者配比失当时，则会发生失败的实验效果。

这个仿真实验平台的成功关键，在于支持它的算法、数据库以及编码的丰富及优化。做什么样的实验就需要配备相应的数据库，如做物理运动实验，则需要此类数据库的支持。换言之，也就是说这些实验大多数是已知的在真实实验室中已经得到验证的实验。通过电子虚拟化处理，相应把在现实中复杂而危险的实验搬到计算机平台上，绿色无污染又不失实验所能带来的探索发现的学习教育功能。利用这样的平台破除条件限制、资源限制，让学生在科学环境中进行自由创作，将会大大提高学生的主观能动性学习能力，开发想象力和创造力。

5 仿真实验室中的神经元网络应用

对于仿真实验室而言，最为关键的一点不是实现既定的计算机思维下所能达成的实验，这些实验大都（90%以上）是在既定条件下产生的人类基本已知结果的实验；而是去探索与发现未知的实验，创造出未知的未来，还原实验最大的魅力，在于实验的偶然性及发现性目的。要解决这个问题，就必须对神经元网络进行有效利用。随着神经元网络的开发，由于它的构成原理和功能特点等方面更加接近于人脑，它不是按给定的程序一步一步地执行运算，而是能够适应环境、总结规律，完成某种运算识别或远程控制。因此，这样进行大型复杂的实验，或替代真实实验室中的绝大部分实验，就成为可能。

6 仿真实验室中平台的搭建

如果解决了这个实验平台只能进行已知实验的问题，是否这样的实验平台就趋于完美了呢？答案是否定的，因为这样的平台仍然需要大量的模块及数据库支持。也就是说，要解决仿真实验室自身资源的海量补给，才能使这样的平台发挥它天然的优势（可大可小、模块化组态，可以共享；一台计算机外加几个实验模块就可以运行简单实验，几台计算机或者很多计算机组合在一起，就可以运行超级实验）。解决它的方式，按照现在的互联网思维，最好的方案就是为它搭建一个互联网平台。开放的互联网平台、开放的源代码、开放的开发者支持工具，让全世界的仿真实验爱好者及开发者都可以加入这个平台之中。这样就可以开发出丰富的满足各种实验需要的模块，创造出无数的实验可能，走向真正的创新开发之路，让仿真实验室成为一个创新工厂。即便是复杂的虚拟环境展示，也能分分钟就像科幻电影中那样完美展示。endprint

对于仿真实验室软件平台的搭建，软件的搭建已经稍微提及，现在给出一个大胆设想，就是利用安卓平台，只搭建一个承载开发实验程序的平台，预留大量的实验接入口，上面的实验应用程序与模块都由程序开发者或爱好者以及厂商来贡献及完成。这样就可以很好地搭建一个生态圈，成为一个仿真实验的王国。至于用哪种语言来开发这个开源平台，篇幅所限，在此不再赘述。

7 回归初心

用以上篇幅为大家尝试描述了一个仿真实验平台的搭建，至于它更加奇幻的作用与功能，现在就可以想象和开发！也许下一代通信方式将在仿真实验室诞生。要知道搭建的不仅仅是一套实验器械或终端，而是一个庞大的互联创新工场，期待它的无限可能性吧。

其实这样的仿真实验室原本就是为学生启蒙教育而设计的，在基本功能上当然应简单易用、趣味随智，让学生随心随性地学习开发，提高脑动力，比如可以任意组合出各种个性玩具、生活中的小电子设备等。配合计算机而附加的各种传感器和组合模块必须具备简单编程功能，可以开发学生的动手编程能力。有了这些模块和传感器，模仿门铃、钢琴、演唱会甚至红烧肉的气味（加入气味传感器即可）就变得简单了。在简单有趣的实验中，引领学生走进科学技术的殿堂，使他们慢慢拥有编程能力，使计算机语言不再是艰涩的数码记程式，为未来人工智能的交互物联网世界铺平道路。

有了这些，学生可以把生活中的场景搬进实验室，开始他们的新发现，按照自己的爱好来搭建属于自己的实验室。想一想：什么样的东西能够给亲人们的生活增添色彩？爸妈的生日就快到了，用仿真实验室为他们来个焰火表演吧！还可以利用3D虚拟模块把給他们送上的生日祝福加载在这场焰火表演中！当然这样的场景还有许多，是不是可以尝试用这样的场景来建设一个虚拟卖场呢？想一想怎样让它媲美Amazon Go卖场？

说了这么多，其实无非就是利用新科技，解除环境和条件的限制，提高实验的便利性和可操作性，让学生更多地了解自己的兴趣爱好，开发思维力与创造力，更好地融入未来。它的整个构建方式类似于一张连接天地万物的物联网，具备感知—传输—处理的功能，利用功能各异的传感器和现在的高速互联网络，连接物与物、连接物与人，利用虚拟与现实的转化，足以媲美真正实验室里的各种实验。对于学生而言，它的最大功用体现在即兴开发、所见即所得。那么鉴于这样的设计初衷，就需要在模块开发及软件设计上做最大限度类似于积木搭建那样的设计，体现简单易行、开发益智的理念。

8 仿真实验室的商业模式发展

笔者接下来把关于仿真实验室商业模式的发展可能性稍微叙述一下。鉴于仿真实验室的性质，大可借鉴小米的初期发展模式，以发烧友及爱好者为基础，搭建基于仿真实验室的软件交流研发平台，逐步推出迭代产品，营建产品生态环境；吸引到一定量的爱好者及粉丝后，联合商业企业及创投基金，共同向市场开发投放终端实验模块，做好产品定位及细分。面对儿童群体的，偏重于游戏，寓教于乐；面对发烧友的，则偏重于时尚新奇；面对教育团体的，则趋向于稳定、多元、可升级。至于这样做的原因，就是可快速积累资源，营造生态圈，迭代产品，创造商业价值。

当然，在这里笔者也仅仅是提出设想，在这方面更加喜欢或者有实力的朋友大可以为此详细调查研判，做出可行性商业报告。总之，在一个信息爆炸的时代，一个创新层出不穷的时代，一个科技发展日新月异的时代，也许下个5G时代风口到来时，学生就是那个飞在风口的风流人物！endprint