基于“互聯網+”的中小學遠程控制實驗中心的構建與實踐研究

張 曦，許炎橋

(寧波市學校裝備管理與電化教育中心，浙江 寧波 315010)

基于“互聯網+”的中小學遠程控制實驗中心的構建與實踐研究

張 曦，許炎橋

(寧波市學校裝備管理與電化教育中心，浙江 寧波 315010)

中小學實驗教學易受到教學環境、教學時間、師資水平的影響，因而學生不能更好地自由地學習。本文提出在“互聯網+”背景下，將物聯網技術、虛擬技術、移動互聯技術與教育融合，構建基于真實實驗的中小學遠程控制實驗中心，使學生實驗不受時間、空間、身份的限制，體現智慧教育“時時、處處、人人”的泛在學習理念。文章強調將“互聯網+”思維和智慧教育建設目標融入到實驗中心，以學習者為中心，構建開放、共享、共贏的系統平臺，并通過實踐給出了行之有效的實施策略。為了保持中小學遠程控制實驗中心的可持續性，本文提出了學分銀行、市場化運維等創新機制，并以具體的實驗案例說明遠程控制實驗中心在教學中的具體應用。

實驗；遠程控制；互聯網+；智慧教育

觀察和實驗在中小學教學中具有不可替代的作用，但傳統的在教室或實驗室中進行的實驗教學受到多種因素的制約，如學校的辦學理念、教育設備、教學環境，教師教學能力、教學方式，學生的知識結構、動手技能、興趣愛好等。在很多學校，為了應對中考、高考，大大減少了學生的實驗時間，甚至關閉了實驗室。學生想做實驗而沒有條件做，嚴重挫傷了學生科學探究的積極性。如何創造條件，整合資源，引進技術，并打破學校間教育資源不平衡現狀，為廣大學生創造盡可能多的實驗條件，這是每個科學教育工作者必須認真思考的問題。

隨著信息技術的發展，眾多的虛擬實驗應運而生，使學生可以在電腦或者固定設備上進行虛擬化的實驗。虛擬實驗(包括模擬實驗、仿真實驗和虛擬現實實驗)是借助于物理模型、數學模型、虛擬現實模型，來研究相對復雜的實際系統。虛擬技術具有多感知、交互性、自主性等特點，突出了實驗的形象性和直觀性，彌補了傳統實驗難以達到的效果，又可避免實驗儀器的損壞和材料的消耗，受到了眾多學校的歡迎。但由于虛擬實驗的條件、環境是理想化的，過程是簡單有限的，結果是預先設定的，實驗者難以真正體驗到操作真實儀器設備所帶來的成功、挫折、快樂和收獲，尤其缺乏對偶發情況的應對能力，無法培養真正的動手和操作能力。

為此，筆者另辟蹊徑，嘗試將“互聯網+”思維應用于實驗教學，建設基于真實實驗的中小學遠程控制實驗中心，即引入互聯網、物聯網、移動通訊技術，將傳統的教學儀器進行技術改造。讓學生利用身邊的電腦，自主操控遠程的各種教學儀器設備，做一些真實的實驗。

中小學遠程控制實驗中心是一個“無墻”的實驗室，只有邏輯上的限制，沒有物理空間的限制，通過網絡平臺，實現協同學習及資源共享，其實質是在線實驗室。作為寧波智慧教育項目中一個重點要突破的具體應用案例，可以從不同的視角進行解讀。本文重點探討中小學遠程控制實驗中心的建設和實施策略，不涉及具體的技術要求。

一、國內外研究現狀和案例

關于遠程控制實驗，根據本地端設備是否是真實設備，分為遠程控制虛擬實驗和遠程控制真實實驗。后者的主要形式是：設備與用戶在地理位置上分離，服務器與實驗設備之間通過RS-232接口或總線進行連接，用戶通過互聯網與服務器通訊，對實驗設備發出操作指令，完成相關的實驗過程。同時，系統將真實的實驗數據、圖像反饋到用戶端。用戶還可以通過網絡攝像機對實驗現場進行實時轉播，便于用戶獲取更多信息，使用戶有身臨其境感。由于遠程控制實驗對網絡傳輸速度、設備控制以及運維管理有較高的要求，因此發展不快。但國內外高校已有典型的成功應用案例。例如，美國麻省理工學院建立的基于網絡的實物遠程實驗室(MIT iLab)，覆蓋物理、電子等多個學科，可以與世界多個國家的用戶通過網絡遠程連接進行實驗[1]；美國田納西大學查塔努加分校的網上工程實驗室提供了壓力控制、液面控制、溫度控制、速度控制等一系列遠程實驗[2]；美國德克薩斯州立大學建立了控制倒立擺的遠程實驗室[3]；新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗[4]。

在國內，上海交通大學電子信息學院研制的機器人遠程控制系統，基于C/S模型實現對機器人的運動及產品加工[5]。浙江大學電工電子網絡實驗室是在遠程實驗室基礎上提出虛實結合的網絡實驗室，涵蓋了電路原理、數字電子技術、模擬電子技術、微電子器件、微機原理等課程，是一個綜合性遠程實驗室[6]。大連理工大學機械工程學院研制的遠程控制快速成型加工系統，控制設備對象是數控加工機床。還有其他一些大學也在嘗試應用遠程控制技術開展實驗教學。

但是，基于真實實驗的遠程控制實驗雖然在國內外高校已經進入實際教學領域，但由于專業性較強，應用范圍相對狹窄。而在基礎教育領域，則仍是以虛擬仿真為主，基于真實實驗的遠程控制實驗中心鮮有報道。因此，筆者以為，研究并構建基于真實實驗的中小學遠程控制實驗中心，使中小學生能夠不受時空限制，可以自主選擇感興趣的領域進行實際操作和研究，并與同學進行信息共享，這是一項非常有價值的事業。

二、建設中小學遠程控制實驗中心的依據

1.自主學習理論

齊莫曼的自主學習理論認為，學生的學習涉及自我、行為、環境三者的相互作用，當學生在元認知、動機和行為三個方面都積極參與者時，其學習是自主的。因此，中小學遠程控制實驗中心要創造環境，激發學生內在的學習動機，如明確為什么學、怎樣學、何時學、學什么、在哪里學、與誰一起學等。在中小學遠程控制實驗中心中學習，需要將觀察、思維和操作緊密結合起來，滿足學生操控的欲望，突出自我效能感，從而形成穩定的學習動機，更積極主動地獲取科學知識，參與科學探究過程。

2.“互聯網+”思維

“互聯網+”在教育中的本質是教育和技術的融合，因此在建設中小學遠程控制實驗中心時要嵌入“用戶”“平臺”“實時”“在線”“流量”“資源”“大數據”“移動互聯”等互聯網思維。以平臺為基礎，搭建開放、互動、參與、融合的應用系統；以用戶為中心，關注用戶的體驗，提高用戶的粘性，增加系統的流量；以資源為核心，通過大量實時、在線的真實實驗項目，促進優質資源的共建共享；以技術為支撐，挖掘大數據的價值，實現智能化的指導，提升學習的效率。

3.智慧教育建設的要求

蘇澤庭[7]認為，智慧教育的建設有三個目標：整體性、智能性、持續性。整體性是指要有頂層設計與整體開發；智能性是提高教育服務的智能化、個性化、便捷化，是融合教師、學生、專家、技術的新型學習共同體；持續性是指自循環化、產業化和可復制化，基于市場規律實現可持續發展。中小學遠程控制實驗中心是寧波智慧教育總體建設內容中的具體應用案例，因此中小學遠程控制實驗中心的建設也要遵循智慧教育建設的規律，順勢而為，才能做大做強。

三、中小學遠程控制實驗中心建設總體目標

基于“互聯網+”的中小學遠程控制實驗中心的總體建設目標是：充分利用互聯網資源以及信息技術、物聯網技術、仿真技術、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)等手段，使一批真實的實驗設備處于“實時待命”狀態，使學生可通過操作電腦、平板、手機等終端設備上虛擬設備的同時，實時操控遠程實驗中心的真實儀器，為學生提供自主實驗機會，提高學生實踐動手能力，努力改變目前中小學實驗教學的不足，提升學生的科學素養。實驗過程以文字、數字、圖表、視頻、音頻等形式反饋給用戶，實驗過程和實驗結果可以在一定范圍內與其他實驗者分享。

為了促進實驗中心自身的不斷發展和完善，還可以更開放的心態，擴大受眾面，即不僅僅向中小學生開放，還可以向教師、企業工程技術人員和廣大公眾開放。這樣，遠程控制實驗可以不受時間、地域、身份限制，實現智慧教育“時時、處處、人人”的學習理念，為建設學習型社會作貢獻。

四、中小學遠程控制實驗中心整體架構和操作流程

中小學遠程控制實驗中心整體架構由系統端、用戶端、資源端構成，其中資源端為提供實驗的環境、設備以及軟件資源，它可以分散到幾個地方，而不一定集中在一個地方，只要有網絡即可。用戶和資源通過云平臺實現互聯互通，如下頁圖1所示。

圖1 中小學遠程控制實驗中心拓撲圖

中小學遠程控制實驗中心系統結構如圖2所示。通過控制中心界面，管理者可以對一些實驗項目、用戶、資源進行管理，對數據進行查詢、統計、分析，為大數據分析和智慧教育發展積累資料，從而為下一步的智能化實驗教學提供數據支撐。

圖2 中小學遠程控制實驗中心系統結構

在用戶端，中小學遠程控制實驗中心操作流程如圖3所示。

五、實施策略

與傳統的實驗室不同，中小學遠程控制實驗中心的建設應由市級教育行政部門牽頭，市級裝備技術部門與教學研究部門合作，進行整體的規劃和布局。在具體設計思路上要著眼于“互聯網+”思維，以學習者為中心，建設互聯互通、開放融合、共建共享、合作共贏的系統平臺。在實驗資源建設上采用整體設計，分步推進，而不追求面面俱到，一步到位；要突出個性和特色，扶優扶強，集中優勢力量，建設一批中小學有需求而又適合進行遠程操控的項目；在使用上形成共享機制，使不同地區、學校的學生共享遠程實驗中心的資源，提高資源利用率；在運維上引入市場機制，實施公益加有償的模式；在評價上與學校考核、學生學業水平測試掛鉤，增加評價的多元化。在具體的實施過程中，應重點考慮以下幾個方面：

1.隊伍建設。一是要做好人員、資源、政策配套儲備，在教育系統和教育行業匯集一批志同道合的人員，建立研發團隊；二是要積極尋找企業資源，擴大合作對象。

2.政策保障。要加強各部門之間的溝通與協調，努力爭取政策上的突破，如承認學分、獎勵經費等。

3.確定試點。根據學校、教師、企業自愿申報原則，經過有關部門評估，設立分布式的遠程控制實驗中心的物理地址，成熟一個發展一個。可以是學校、教師個人工作室、學生個人工作室，也可以是企業研發中心。先在某個學科、某個學校、某個縣(市)區試點，以點帶面，分步推進。分布式的物理地址可突出學科特色、地方特色、個性特色。

4.積累數據。通過在線運行，積累大量第一手資料，通過分析篩選，挖掘實驗教學中的大數據資源，為提高實驗教學質量和效率提供智能化服務，為政府決策提供客觀依據。

5.動態推進。要按照先易后難，循序漸進。如先將一些機構操作簡單、效果明顯的演示實驗上線，積累運行經驗，再將一些互動性強的實驗上線，逐步充實完善。先期可嘗試實驗教學中的翻轉課堂研究，開發一些基于移動互聯網、物聯網、虛擬現實的互動設備，不斷積累相關素材和數據。

圖3 操作流程

六、創新機制

為保持中小學遠程控制實驗中心的可持續發展，應在以下方面有所突破，并在具體實施中逐步完善：

1.探索市場運作。在資源端，發揮政策的導向作用，政府購買服務，鼓勵學校、教師、學生、企業及其它社會機構參與這項工程。實驗中心免費提供一些課程標準內的實驗資源，對于定制的、個性化的、高端的實驗資源，則允許收取一定的費用。政府與市場雙軌驅動，多方共贏，實現可持續發展。

2.建設學分銀行。實驗者通過實驗，獲取一定的學分。該學分可與實驗者的其它學分互認，綜合反映實驗者的學習素質，并對高學分者采取一定的獎勵。

3.打通高校接口。在具體的實施中，在建好一批中小學重點實驗外，進一步拓展視野，跳出中小學教材的界限，打通與高校的聯系，讓高校某些實驗資源也能向中小學生開放，為學習有潛力、科研有興趣的學生開設向上的窗口與接口，那怕僅僅是“一瞥”。

七、成功案例

“遠程控制數碼顯微鏡”是中小學遠程控制實驗中心的一個成功案例。在用戶屏幕上有三個區域，分別對應顯微鏡實時視場區、二維虛擬顯微鏡區、實時攝像視頻區，如圖4所示。實驗者可以用本地電腦通過鼠標調節二維虛擬顯微鏡，來操控遠方的實際顯微鏡。通過物聯網技術可以使遠方顯微鏡的載物臺在水平面上前后左右平移，以選擇不同的切片或被觀察物體；顯微鏡的鏡頭在上下移動，用于調焦；還可以旋轉物鏡盤，以選擇不同倍率的物鏡；顯微鏡的動作狀態通過網絡攝像頭實時捕捉，并呈現于畫面中。在觀察切片的同時，實驗者可實時調用存于“云”上的數字切片庫，用于對比教學。實驗者還可以通過在線交流，將實驗過程與他人實時分享，接受老師和同學的點評或指導。

圖4 遠程控制數碼顯微鏡

基于真實實驗的中小學遠程控制實驗中心，具有真實性、開放性、交互性、共享性、可擴展性、可持續的特點，實驗操作是在有物理干擾的真實環境中進行的，因此學習者能體驗到實驗過程中成功的喜悅或失敗的教訓，從而增強其科學探究的興趣和能力，提高學習者的實踐素養。在這一過程中，每個實驗者既是資源的享用者，同時也是資源的提供者，系統通過大數據的挖掘，為智慧教育提供了豐富的土壤，這將是未來實驗教學的熱點。但是囿于資源、人員、技術，要完全實現上述目標，還有不少路要走。

[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]程建軍.基于LabWIEW的遠程中學物理實驗系統的設計[D].蘇州:蘇州大學,2009.

[6]楊凱.基于虛實結合實驗室的電路原理實驗[D].杭州:浙江大學,2013.

[7]蘇澤庭.信息化背景下的智慧教育推進策略研究[J].中國電化教育,2015,(2):46-50.

張曦：寧波市智慧教育研究與發展管理中心常務副主任，寧波市學校裝備管理與電化教育中心主任，寧波大學兼職教授，浙江省特級教師，研究方向為智慧教育(nbzhangxi@nbip.net)。

許炎橋：中學高級教師，教育碩士，研究方向為物理教學(2415461334@qq.com)。

2015年6月9日

責任編輯：趙興龍

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