物聯網+教育，從虛擬實驗到影子系統

魏忠

從2013年開始，教育部就不斷在全國高等院校推廣虛擬實驗室，花重金打造全國各種專業的虛擬仿真實驗室。在此措施的激勵下，全國各地掀起了一場以“Flash”為核心的動畫虛擬實驗室的浪潮。很多學校的教師甚至教育主管部門對虛擬實驗室都存在誤解。例如，一個非常主流的制作虛擬課件的公司宣稱：“通過高仿真的虛擬實驗室，學生可以看到機器內部的真實構造。因為即使到現場，由于機器三年檢修一次，學生也只能看圖紙，有了虛擬化，學生就能夠看清楚內部構造。”這就是典型的虛擬化誤區，一名工程師最起碼應具有看圖能力和根據現場畫圖能力，如果用虛擬仿真代替或者減弱學生的看圖和圖紙想象能力，這種虛擬化其實是一種災難。

在我看來，虛擬教學的核心不是節省費用，更不是以絢麗的三維動畫代替學生的工程想象能力，而是為了體現比實體系統更加真實和抽象的“教育之真”。例如，荷蘭的一位教授在2009年開始跨越歐盟十幾個國家，觀摩遠程虛擬電力發電實驗，計算機里跳動的數字和發電過程的虛擬化場景，不僅有遠程多個不同部件的實驗室真實物聯網的數據的動態回饋，更重要的是它比參觀現實的發電站更具有真實性，這些匯集起來的數據對培養學生學習電力系統的邏輯思維有很大的幫助。

這就像看了再多的關于愛情的文學作品，都不能代替一個年輕人去真正談一場戀愛，“教育即生活、學校即社會”，學校是大千世界的真實映射。這種映射，不是減弱大千世界的真實印象，而是加強這種印象。對于年輕人來講，學校就是一所增強版的“戀愛實驗室”，在這個實驗室中，學生不僅能夠體會實體的青春萌動，更重要的是附加上象牙塔之外不容易存在的“愛情的詩歌、音樂”等增強版的虛擬因素，使得“愛情”這種感覺由于升華而更加真實。實體的和虛擬增強的因素，構成了“影子系統”（如上頁圖1、圖2），為學生打造了“改造世界的信息模板”以及“高于現實的教育之真”。

以滬江網為代表的新一代教育，動輒3000人同時在線的課堂已經成為常態，這就是“互聯網+教育”的時代，而被技術改變的教育通過將不屬于教育的“互聯網+”扔到網上以后，會進入一個“物聯網+”的時代，這個時代，就是云地一體化、虛實一體化的實驗影子系統（如圖3）。

基于“物聯網+”的影子系統，包含以下重要概念的整合和升級。

1.模擬實驗。模擬是對真實事物或者過程的虛擬。模擬要表現出選定的物理系統或抽象系統的關鍵特性。其關鍵問題包括有效信息的獲取、關鍵特性和表現的選定、近似簡化和假設的應用，以及模擬的重現度和有效性。

模擬最重要的是簡化，通過簡化和關鍵特征的抽取，最容易體現知識的邏輯，然而這種簡化如果不適當，還不如書本和數學公式來得貼近“教育之真”。例如，在一所職業技術學院的簡化版的以動畫為核心的精密加工模擬環境中，學生能夠看到的僅僅是動畫和關鍵環節的輸入輸出。經過改進后，模擬系統能夠抽象出不同車床的各種噪音，以噪音的特征值反映不同故障，讓學生還原故障可能的錯誤操作，雖然沒有了動畫，但是學生學習與體驗更加深刻。

2.仿真實驗。仿真即使用項目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉化為它們對目標的影響，該影響是在項目整體的層次上表示的。例如，上海第二軍醫大學的護理實驗室，通過野戰護理的場景仿真，以及在環境中利用電視屏幕對火災、地震、洪水、化學災難的環境仿真，需要訓練的是在不同環境中學生的野戰護理流程和專業素養。

3.虛擬現實。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的、三維動態視景和實體行為的系統仿真。以Flash等方式開發虛擬的在線實驗，相關的實驗數據和結果將保存在教學平臺中，并實現對自學活動及成績的有效管理。

虛擬現實技術表面上是為了節省資金和教育經費，事實上最重要的目標是沉浸，如果沒有真正的沉浸，這種節省是毫無用途的，甚至是有害的。在沉浸系統的發展中，眼鏡技術和虛實一體化是重要的發展方向，在教育中虛擬現實不僅要反映三維實景的真實性，更要體現實景背后的教育之真以及學生由于沉浸系統而模擬出來的情感和體驗。

4.增強現實。增強現實技術是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道、觸覺等），通過計算機等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

2011年，在卡內基梅隆大學計算機工程系，一位教師就利用視頻互動技術做了一項實驗，即先讓學生打一套太極拳，再讓計算機中的機器人模仿學生的樣子打拳，并根據標準太極拳的套路對學生的表演打分。5年過去了，原先看起來高端的科研，目前已經能夠在開源軟件中非常廉價、便利地獲得了。例如，學生只要有手機，就可以通過APP軟件跟蹤實驗室的設備，被選擇的實驗設備，會在手機上展現疊加出來的圖層：實驗設備的狀態、名稱、參數、物聯網的及時數據、使用視頻和所有普適計算相關的參數。這些參數都是實驗室智能系統預設的和通過物聯網大數據收集的。

5.遠程實驗。系統采用多種物聯設備，獲取實驗業務信息及設備運行數據，并進行設備的管理與運行。相比前面的各種影子系統，遠程實驗是典型的物聯網系統。2010年，上海中醫藥大學動物房就通過實驗老鼠的遠程視頻，完成了學生在宿舍中連續觀察老鼠實驗活性的遠程實驗。圖4是西安工程大學圖形圖像實驗室，通過LABVIEW，將遠程的印染機的信號和試驗箱的信號遠程傳輸到學生客戶端，再通過虛擬系統和實際信號疊加還原成現場的“影子系統”。

6.知識地圖。通過二維碼、地理信息系統GIS、WIFI定位、位置傳感器、增強現實的識別等技術，實現手機端與PC端的交互，可以快速地連接相關信息，如課表信息、知識信息、gis地圖、微課、設備信息等。

影子系統，作為一個連接實體資源與知識資源的技術的系統，還需要很多的實驗信息系統的支撐才能做到數據科學的應用。這些系統包括資產管理系統、設備管理系統、科研協同系統、項目管理系統、實驗物聯系統、在線課程、微課平臺、排課系統、實驗預約系統、視頻系統、考勤系統，等等。

技術是為教學服務的，影子系統的核心是教學，一個復雜的技術系統中，將師生教學融入其中，教學設計也最為關鍵。