“智能场景—任务驱动”的智慧实验学习空间设计

2018-04-25于方

计算机教育 2018年4期

于方

（包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古包头014030）

0 引言

我国教育信息化正由初步应用融合阶段向全面融合创新阶段过渡，从国家、地区、学校与学习者各个层面来看，教育信息化的发展内涵更注重创新应用与追求卓越智慧，这种以信息技术为支撑、以智慧教学法为引导、以智慧学习为基石的智慧教育生态理念正在得到大众的熟知和认可，并被不断地实践运用[1]。实验教学是具有明显实践性和应用性的一种教学活动，在当前教育信息化的浪潮下，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）[2]和国家教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）[3]中对未来实验教学的发展给出指导意见，建议通过各种信息化技术手段“建设实验系统”“建立虚拟实验室”“开发虚拟仿真实训实验系统”等，来“增强学生科学实验的成效”[4]。可以看到，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。

智慧实验是实验教学与信息技术深度融合的产物，是教育信息化发展的新阵地[5]。在此背景下，笔者借鉴真实实验活动具有的“场景化”和“任务驱动”特点，提出一种基于“任务场景智能推送”+“任务线性流式驱动”理念的智慧实验学习空间，将实验任务“场景化”组织、“卡片式”呈现、“智能化”推送，以“学习需求驱动工具使用”的方式组织、集成相关实验工具，为学习者提供一个提高学习者实验技能和实践能力、提升实验学习智慧力的虚拟学习空间。

1 “智慧实验”之研究现状

1.1 文献研究情况

在CNKI以“智慧实验”“智慧实验教学”“实验教学信息化” 或“实验信息化教学”为主题进行模糊检索，可以了解我国在“智慧实验”领域近十年的研究内容和研究趋势。分析这些文献可以发现有关“智慧实验”的研究成果数量并不多，涉及的学科领域主要集中在“高等教育”“计算机软件或计算机应用”“教育理论与教育管理”等，说明高等教育对“智慧实验”的教育理论与实践有着较高的研究兴趣；中等教育、职业教育、医学教育等领域则主要涉及具体学科虚拟实验系统的设计、开发、应用分析等，代表性成果有实验教学信息化平台建设研究[6-8]、虚拟仿真实验（室）的应用性研究[9]、国外虚拟仿真实验综述性研究[10]、基于虚拟仿真实验环境的实验教学研究[11]、实验教学资源建设研究[12]等；还有针对某一学科“智慧化”实验教学的探索与实践，如中学地理[13]、中学化学[14]、大学物理[15]、艺术类课程智慧实验教学信息化研究等[16]，其中，华东师范大学薛耀锋等人[17]对智慧实验的基本概念、系统架构和功能组成以及国外代表性实例进行了深入研究，设计开发了智慧实验原型系统并在上海中学地理课中进行应用，取得了不错的实验效果。

1.2 产业发展情况

产业界对“智慧教育”的关注度很高，并且已经研发出和智慧教育相关的智能硬件设备和智慧学习产品，提供整套的“智慧教育”解决方案。以2016年中国国际智慧教育展览会为例，这次展览代表了最新的产业发展方向和新型应用产品，涉及的参展主题和产品内容主要有校园信息化基础设施建设、信息化平台建设、信息化管理与运营与数字化资源等。其中只有一个板块是有关“实验室及实训平台”的，产品级应用主要是提供“智慧实验室”的设计和实施方案，通过物联网和通信等技术组织各种智能化实验设备以实现交互式教学，达到在此智慧实验室中的“物、人、系统”之间的联通和感知。显然，设备和工具成了这场“智慧实验教学”的主角。

2 智慧实验学习空间设计

现阶段很多关于“智慧实验”的研究和应用主要集中在虚拟(仿真)实验（室）的建设方面，包括实验环境和实验工具的网络化、虚拟化和仿真化，旨在研究如何突破时空限制、创造逼真的实验效果以及提供丰富的实验工具，这类虚拟实验有一个明显的特征，即“工具驱动学习”。智慧实验不仅要在虚拟空间中体会真实实验的场景感，更应该将“智慧教学理念”和“以学习者为中心”的学习理念有机融合在这种智能实验装备和智能实验环境中，体现“智慧引导、智能环境和自主学习”。本文提出的智慧实验学习空间，简称为WELS（Wisdom Experiment Learning Space），以实验学习活动驱动实验工具的使用，为学习者提供一个能够感受真实实验学习体验、智能使用的实验工具、实现实验学习活动与智能装备双向交互的“智慧型”实验学习空间，促进实验技能的提升。

2.1 WELS的支撑理论

WELS是基于智慧教育理念的一种数字化学习环境，是整合虚拟学习环境和个人学习环境的新型学习形态[18]，学习者在虚拟的实验空间中以“场景”组织实验学习活动。WELS以“情境学习”“活动理论”“精准教学”等作为理论支撑，在智慧实验学习空间中，学习者的学习活动、学习评价、场景推送会产生海量的动态异构数据，以数据存储和计算技术如云计算、学习分析等新兴信息技术手段作为物理实现基础。

“情境学习理论[19]认为知识具有情境性，学习是一种参与情境的过程，实验学习本身就是一种“情境化”学习。WELS的设计以实验场景的不断创设和智能推送来引导学习者的实验学习活动，在实验情境中建构实验知识和技能。实验学习也是一种学习活动，WELS是基于这种学习活动的虚拟学习空间，提供以“实验学习活动”为中心的资源、工具、学习者之间的组织与重构，同时遵循“活动理论”对个人学习空间的构建要求[20]。WELS通过对实验场景的智能推送体现“智慧实验”之智，这种教学模式采用适当的技术生成精准的教学目标，开发适合的教学材料，设计适宜的教学活动进行教学；通过频繁地测量与记录学习者的学习表现，以精确判定学习者存在的当前问题及潜在问题，针对判定的问题，采用适当的数据决策技术以对教学策略进行精准的优化和干预[21]。

2.2 WELS的实验任务设计

2.2.1 实验任务要素设计

WELS的实验场景中按粒度从小到大有3类关键实验任务要素。一是实验学习活动的“原子性”设计。WELS对实验学习活动的设计都是从真实实验活动或实验学习中抽取出来的具有一定“原子性”的实验学习活动单元，每个学习活动之间没有交叉和相交关系，只有线性和顺序关系。这样，在相对独立的每个实验学习活动单元内部进行的学习行为具有易评判性和可跟踪性。二是实验工具集的“集成度”设计。WELS对一个实验学习活动中可能用到的实验工具、实验平台、实验服务等集成一个实验工具“数据库”，存储与该实验工具相关的文档、数据、软件等。在实验过程中需要用到的实验工具由实验场景智能化提供，使学习者非常明确该工具的使用场合，具有“学习驱动工具”的特点。三是实验场景的“动静联动”设计。WELS能提供“静动结合”的智能化实验场景推送，即依据学习者当前的学习程度和学习水平，智能化地提供可选择的实验场景。“静”是指如果学习者的各项学习成果指标达到当前的要求，则会按照事先设定的路径执行下一个实验场景；如果未达到既定目标或学习者个人有重新再实验的学习意愿，则会启用“动”的策略，推送符合学习者学习水平和学习需求的实验场景。

2.2.2 实验任务组织方式

虚拟实验也需要明确实验任务、实验目标和实验步骤，具有“计划性”和“变化性”的特点。

（1）“场景化”组织。WELS中的实验任务以“场景”的形式组织，需要用到的实验工具、实验文档、实验环境等都被集成在这个场景中，学习者可以明确认知此阶段所用到的工具、待完成的任务、要书写的文档等，有种身临其境的感觉。

（2）“智能化”推送。WELS的实验场景主题由若干实验任务组成，当前任务是否有效完成、能否开启下一个实验任务，都由实验者的完成水平和完成进度来决定，这种“智能化”的推送由实验学习轨迹跟踪和学习分析得到。

（3）“卡片式”呈现。WELS设计“扁平化”的卡片呈现所有实验场景，这种设计风格符合当前“移动应用”领域的审美需求，学习者可以清晰地看到当前所处的实验进度，并可以根据自身的学习需要进行自由选择，在愉悦的氛围中开展实验学习活动。

2.3 WELS的概念模型

针对WELS的要求设计了WELS的概念模型，见图1，从下到上依次是平台层、应用层和表示层。

图1 智慧实验学习空间的概念模型

平台层使用综合性云平台提供数据存储、计算分析、备份安全等服务，包括各种实验资源存储、实验活动数据记录、各种用户信息管理和目录管理等服务；应用层即功能层，提供实验活动管理、智能辅助决策、学习评价分析等，该层是WELS的核心层次，实现实验任务的场景组织、卡片呈现和智能推送，同时提供学习成果的评价与分析、学习活动的跟踪记录等功能；表示层是用户使用WELS的途径和方式，可以通过移动终端、PC端浏览器或其他智能设备登录使用该智慧实验学习空间进行实验学习。

3 WELS模拟案例

3.1 实验活动流程

WELS采取“实验任务驱动+数据线性流动”的方式设计实验活动，图2为学习者在WELS中进行实验活动的数据流动情况，其中实验活动的各级任务从上到下依次为：实验主题→实验任务卡→实验任务场景。

图2 WELS的实验活动流程

进入WELS后，首先选择实验主题，设置顺序是“由简入难”“由验证性到设计性”“由小规模到大系统”，学习者依据自身实验水平和实验目标选择相应主题；进入某一主题后，系统会自动提供关于该实验主题需要完成的实验任务列表，其以“任务卡”的形式展现和组织，并对每一个实验任务给出详细说明。学习者按照任务卡的提示选择具体实验任务进入相应的实验场景，在场景中得到完成该任务用到的实验工具集、实验文档、实验环境等提示，学习者就可以开始进行实验学习活动了。阶段实验活动结束后提交学习结果，WELS给出学习评价与原因分析，并给出下一步的实验计划和建议。

3.2 实验活动效果

以计算机科学与技术专业的程序设计与软件开发类实验为研究对象，以学习者选择“小型学生成绩管理系统”为实验主题进行WELS的实验任务活动效果分析，图3是当学习者进入“小型学生成绩管理系统”的实验主题后，呈现的实验任务场景。

图3 WELS模拟案例—场景组织与任务呈现

“我的任务卡”中包含6个实验任务，这是依据软件工程开发流程提炼的实验内容，当学习者选择“需求分析任务”后便会进入该任务下的实验场景。可以看到，为了完成这个实验任务，WELS提供了进行“需求分析”任务需要用到的实验工具、实验文档、行业标准、测试工具等，学习者可以按照场景的提示选择适当的开发工具、建立有效的需求分析模型、书写规范的技术文档等。需求分析实验完成后提交实验结果，WELS按照评价库中的标准评价完成效果，结果由WELS的虚拟实验助手给出并标识错误出处。当所有阶段的实验任务完成后，实验助手会对整体实验情况给出评价，即分析实验效果和实验技能达成度等，并给出下一步学习建议，学习者可以根据智能实验助手的建议继续实验或者返回重做，详见图4。

基于上述WELS技术框架和实验流程，本文实现了基于移动端安卓平台的迷你版WELS 1.0，对计算机专业软件工程方向2014级学生进行了小范围（每组10人，共3组）的使用测试，实验主题选择“小型学生成绩管理系统”。学生在WELS中进行模拟实验，能够独自完成系统设计与开发任务，感受到了WELS的“智慧”。据调查问卷统计，76%的学生认为WELS实验助手在“需求分析阶段”对其书写的技术文档的评价非常客观公正，同时还提供了标准的行业文档进行示范说明，强化了此项专业技能；80%以上的学生认为WELS 在“编码实现阶段”对自己编码水平的评价准确直观，就像指导教师在旁边亲自指导实验一样，学习体验良好。

4 结语

图4 WELS的智能学习评价

WELS具有“以实际需求驱动实验工具使用”和“以实验结果驱动实验任务推送”的特点，利用学习跟踪和学习分析技术，对实验学习者给出客观多样的教学评价，对实验学习活动提供智能引导，为实验学习者创造一个“智慧化”的个人实验学习空间。这种“智能场景—任务驱动”的设计理念和“情境组织—卡片呈现”的服务模式，使学习者体会“边做边学”的实验感受，践行了 “以学习者为中心”的教学理念。希望本文的研究能为“智慧教育创新应用”与“学习空间人人通”的有机结合提供了一种发展思路和有益参考。

参考文献：

[1]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.

[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)[EB/OL]. [2017-09-22].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]. [2017-09-22].http：//www.moe.gov.cn/publicf i les/business/htmlf i les/moe/s3342/201203/133322.html.

[4]薛耀锋, 苏小兵, 贺斌. 智慧实验: 教育信息化的新阵地[J]. 电化教育研究, 2014(4): 31-36.

[5]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.

[6]唐茂勇. 实验教学信息化综合管理系统的设计与实践[D]. 大连: 大连海事大学, 2010.

[7]倪晟, 金炳尧, 王璟瑶. 实验教学信息化体系建设的探索与实践[J]. 实验室研究与探索, 2013(6): 117-120.

[8]陶国林, 曾晓松, 肖夏. 实验教学信息化平台建设的关键问题探讨[J]. 实验技术与管理, 2015(4): 197-203.

[9]李平, 毛昌杰, 徐进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索,2013(11):6-9.

[10]王卫国, 胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索, 2015(5): 214-219.

[11]蔺智挺. 基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学[J]. 实验技术与管理, 2016(1): 122-126.