智慧實驗教學中心特征、模型與建設路徑

黎啟龍，李小志，葉新東

（溫州大學教育學院，浙江溫州325035）

0 引 言

高校實驗教學中心是人才培養、科學研究的重要場所［1］。為加強學生創新能力和實踐能力的培養，推進實驗教學改革，提速實驗室建設，促進實驗教學資源整合和共享，各高校紛紛整合教學實驗室成立實驗教學中心，開啟了實驗教學示范中心建設與評審的征程。至2015 年全國共建設了901 個國家級實驗教學示范中心［2］，同期各高校還建設了數千個省級、市級、校級實驗教學示范中心。這一舉措極大地推進了實驗教學的改革，促進了實驗條件改善［3］，同時還對完善高校實驗教學管理體系，形成高校實驗教學資源整合共享機制、提升高校辦學水平、提高學生實踐創新能力等起到了重要的促進作用，有效提升了高校人才培養質量，對社會經濟可持續發展具有重要的意義。

隨著人工智能、大數據、物聯網、虛擬現實等新技術的蓬勃發展，實驗教學示范中心的建設和發展迎來了新的形勢變化。實驗教學示范中心需要積極擁抱新技術，引入人工智能、物聯網、虛擬現實等技術，建設利于師生交流學習和實驗室安全有效管理的智慧實驗教學中心，持續完善各類實驗、實訓環境的建設［4］，深化實驗教學示范中心改革，繼續發揮示范中心的輻射和示范作用，研究實驗教學示范中心持續發展的新課題。

1 智慧實驗教學中心概念及特征

“智慧地球”概念于2008 年11 月由IBM 首席執行官彭明盛在“智慧地球：下一代的領導議程”的演講中首次提出。演講指出智能技術正被應用到生活的各個方面，如智慧電力、智慧交通甚至智慧城市，使地球變得越來越智能化。智慧地球本質是實體基礎設施與信息基礎設施的有效結合，是信息技術的一種大規模普適應用［5］。隨著“智慧地球”概念的逐漸被人們認識，物聯網產業也在蓬勃發展，目前智慧交通、智慧城市概念已經深入人心，在教育行業同樣也涌現出如智慧教室、智慧校園、智慧教育等新興概念。

目前，教育界鮮有“智慧實驗教學中心”的概念，與之相近的最廣泛的概念是智慧實驗室和智能實驗室，研究者從不同的角度對其進行了不同的描述和界定。周春月等［6］提出智慧實驗室是基于物聯網技術核心，通過信息技術為用戶提供一個自動感知的實驗教學環境，與綜合信息服務平臺一起協同實現實驗室的可視化智能管理，實現萬物互聯、人機互動、人員協同的高度信息化。薛耀鋒等［7］認為智慧實驗室是從用戶實際需求出發，依據智慧教學理論建設的個性化、多樣化的新型實驗室。王妍等［8］提出基于信息技術，打造網絡化和智能化管理的科學化、規范化高校實驗室，提高管理效率，提升管理水平，整合相關業務，發揮各種資源的作用。劉宏等［9］提出基于現有校園網，綜合運用計算機及網絡技術、虛擬儀器技術、EDA 技術，引入虛擬現實軟硬件，模擬實驗環境，仿真實驗過程，得出實驗數據，評判、打印實驗結果。綜上所述，智慧實驗室都包含著使用新技術達到智能化的概念，但都未提到智慧實驗的內容。

智慧實驗教學中心是為實驗教學提供智慧管理、智慧教學、智慧環境的現實空間和虛擬空間總和。智慧實驗教學中心是在物聯網、云計算、虛擬現實、大數據等新興技術推動下的實驗中心信息化建設的最新形態，其核心目標是通過智慧管理、智慧實驗、智慧環境達到智慧教學。智慧實驗中心區別于傳統實驗教學中心的根本特征在于智慧實驗。

2 智慧實驗教學中心系統模型

智慧實驗中心的“智慧性”可以分為智慧實驗（Experiment）、智慧管理（Manager）、智慧環境（Environment）三個維度，可稱之為“EME”模型，如圖1 所示。

圖1 智慧實驗教學中心“EME”概念模型

智慧實驗是智慧實驗教學示范中心的核心，由實驗教學中心的本體功能即實踐教學所決定，智慧實驗利用智能技術可以加快推動人才培養模式和教學方法改革，構建新型的教育體系。如利用虛擬現實技術可以開設傳統實驗所“不能”“不敢”“不夠”“不便”“不廣”“不全”開展的實驗項目，解決傳統實驗易受場地、儀器設備數量的限制、設備耗材消耗、實驗安全、學生不能自主實驗等問題［10］，虛擬現實技術能夠為學生實驗提供以學生為中心的、體驗式的、協助學習的身臨其境的環境［11］，擴展了實驗室的邊界，能夠為學習者理解實驗原理、掌握實驗方法提供豐富的學習資源［12］。智慧實驗還體現在對學生的個性化學習的一種支持，能根據不同學生的學習風格等特點制定不同的實驗策略和指導，讓每個學生都有效學習。

智慧管理是智慧實驗教學中心的手段，智慧實驗教學中心的智慧管理在于挖掘和提升實驗中心的運行效果，促成管理的智能化。智慧管理的目標將智慧資源和智慧能力運用于工作和實踐，以實現和提升智慧的價值；從微觀層面看，將個體智慧和組織智慧等相結合，將個體智慧通過激勵、培育、擴散、轉化等，上升為組織決策智慧，提升組織決策的科學性；從工具層面看，通過管理系統實現智慧碰撞、提升、轉化，為組織提供智慧資源，并將其轉化為智慧能力，運用于具體實踐，為組織發展提供有效的智慧保障。智慧管理核心是運行機制，要通過人才激勵機制、資源析出機制、能力培育機制、共享擴散機制、整合創新機制、效果評估機制以及價值實現機制的有效運行來推動智慧管理的實施［13］。

智慧環境是智慧實驗教學示范中心的載體。“具身認知”理論認為人的生理體驗和心理狀態直接有著強烈的聯系，環境也是認知系統的一個組成部分，環境可以幫助存儲認知信息［14］，可見實驗室環境也是師生學習的重要影響因素之一，研究表明實驗教學中心使用泛在智能技術能使師生以更簡單自然的方式獲取信息和接受服務可以提高學生的學習體驗，從而促進學生學習效果。如采用人工智能等技術，建設具有實時感知實驗中心內的溫度、濕度、光亮、人流量等智慧感知功能并自動調整室內氣溫環境，從而可全身心投入學習。智慧環境還體現在實驗中心學習空間，如創設主題“創客空間”等，讓有共同愛好的師生聚集起來，一起制定項目方案，分享經驗等；改造門廳樓道等公共空間，通過人性化規劃，讓師生有一個氛圍舒適的實驗室內外的學習空間；并可規劃為創作區、交互區、展示區、探究區、交流區、發展區等不同功能區域。

3 智慧實驗教學中心建設途徑

3.1 打造安全可靠、技術先進、開放共享的智慧實驗系統

（1）虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗是指利用虛擬現實或計算機仿真技術創設一種類似真實實驗教學的場景、裝置和方法，能夠豐富和改善現有的教學手段，加深學生對實驗內容的理解，能夠為實驗者帶來沉浸感、交互性和想象性，增強了學生的學習體驗。虛擬仿真實驗相比較于真實實驗，具有以下優點。可以解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難的問題，如地震模擬實驗、大型精密儀器組裝等實驗；可以用于解決涉及高危或極端環境的實驗難題，如汽車碰撞等實驗；可以用于高成本、高消耗的實驗，有效減少實驗支出，如不同生態區生物學野外實習等實驗；可以用于不可逆操作實驗，降低實驗對象的風險，如核電站的運行、腰椎穿刺術等訓練；可以用于大型復雜場景的實驗，解決真實情況下無法實現實驗的問題，如民航機場的調度等實驗。此外，在一些以幼兒為實驗對象的實驗中，采用虛擬仿真模仿幼兒開展實驗教學，可以規避一些實驗倫理的風險，同時也體現出一種人本主義的關懷，學生在智慧實驗訓練中可以大膽操作且無風險，心理壓力減少有利于提高訓練水平。虛擬現實技術一般可支持海量用戶集中應用，為校外用戶大規模共享開放，成本效益更佳。總而言之，智慧實驗教學中心通過引入虛擬現實技術能夠突破了傳統實驗室時空限制，也較好解決了實驗設備條件的局限。

（2）智能導學系統［15］。智能導學系統不需要任何人工干預，能夠自動接收即時反饋和發送指令與用戶自動交互，從而能在特定的環境中自動幫助用戶學習。智能導學系統能夠為每一位學生的自主學習提供個性化指導，當學生因為個體差異導致對同一內容的理解不一致時，智能導學系統能夠提供與學生理解水平相匹配的指導，達到有針對性指導目的。智能導學系統可以對學生的實驗過程進行追蹤、診斷和評價，并根據診斷結果適時調整實驗策略，如華南師范大學開發的iTutor系統可自動對問題解決的情況進行診斷與評價，并形成一份測評報告，能夠促進學生有效學習，提高操作技能方面效果尤為明顯。

（3）智能程序設計學習助手。智能程序設計學習助手是通過識別程序設計初學者遇到的困難并通過開發平臺向學生提供自動化的幫助，同時還能幫助教師監測學生進步的一種智能軟件。由于高校普遍存在的班級人數較多的情況，在計算機程序設計練習環節，一個學生平均每節課和老師交流的時間不到2 min，學生得到教師的指導極其有限，學生有時會花很長時間試圖修正簡單的錯誤，造成學習效率低下，教師在幫助同學解決問題的同時，對其他同學在實現任務目標的進展情況也不能很好指導，一定程度上影響教師的工作。學習助手通過收集和識別學生端的代碼，能智能識別常見錯誤并提示學生，并顯示哪些學生需要最少的幫助，哪些學生需要最多的幫助，并智能形成報告提供給教師，幫助教師掌握學生對編程知識的掌握情況，使教師教學更有針對性，有效提高程序設計教學效果。

3.2 規劃設計人機協同的智慧管理系統

（1）重視智慧管理。云計算，大數據，物聯網等信息化技術日趨成熟，一定程度上拓寬了其應用范圍，尤其在管理事務中具有極其重要的應用價值，智能化社會已經成為必然趨勢，實驗教學中心的信息化建設務必走向智慧化。在智慧化建設過程中，全體人員需要緊跟時代發展，統一思想，重新認識智慧管理對實驗教學中心建設的重要意義，聚焦智慧管理工作，科學做好智慧管理發展規劃，平穩有序推進智慧管理的迭代更新，逐步擺脫傳統管理模式所具有的局限性。

（2）注重智慧管理標準化。智慧管理標準化須具有一定的超前性，方能保證建設過程的統一和協調，減少不同系統的沖突及不兼容現象。在進行智慧管理過程中須基于國家信息標準，確保和學校管理信息具有高度的一致性，保障信息整合和交互的準確性，盡量預留擴充接口，為以后的擴充升級提供便利。之前由于我國缺少一個明確且強制性的教育管理信息標準，造成了不同管理系統之間信息標準各異，從而導致信息平臺之間無法高效對接整合。“前車之鑒，后事之師”，在智慧管理系統實施過程中，務必對教育管理信息規范化和標準化進行具體細致制定，在采購系統時也考慮選擇能夠實現相互兼容的管理系統，為以后的持續發展提供基礎保障。

（3）整合現有管理系統。實驗教學中心經過多年的發展，已經建成了較多信息管理系統，這些系統有部分可以作為智慧管理體系的基礎，在充分利用現有數據資源的基礎上，淘汰已經完全落后的系統，更新有待升級的系統。此外，引進先進管理系統，有效整合原有管理系統，形成智慧決策，注重人機協同實現可視化管理。最后，需要進行系統云端化以利于系統的穩定；開發手機客戶端以利于學生無線訪問。

（4）保障信息安全。信息安全是信息化時代永恒的話題，智慧管理需要采集比傳統信息管理更多的信息，因此更要注意信息安全。智慧管理建設過程中各個環節都需要制定保障信息安全的管理措施，確保信息的全過程全方位安全，確保智慧管理建設的安全開展。

3.3 建設安全和諧精準控制的智慧環境空間

（1）建設智能化的非正式學習空間。非正式學習空間是指高校除正式教學空間（如教室）之外用于學生自主學習探究的空間環境，包括圖書館、廊道實體空間和學習網站、在線學習系統等網絡虛擬學習空間［16］。非正式學習空間是校園學習空間的有機組成部分，是對正式學習空間的延伸和補充，學生可自主選擇學習內容、學習方法以及學習伙伴伴侶。

非正式學習空間有著非常重要的作用［17］，① 可以提供個性化學習空間，非正式學習空間注意觀察和了解學習者的需求，能夠給學生帶來空間參與性、選擇性和成就感，對不同的學生進行差異化的關心。②可以促進協助交流，非正式學習空間營造出一種輕松的學習氛圍，師生關系更融洽，伙伴關系更寬松，有利于學生發揮創造性思維和團隊精神，能讓身體所處之地立刻成為學習之地，并成為思想交流的聚集地。③提高實驗室空間使用率，在保證安全前提下，在大廳樓道等地設置一些桌椅就可以吸引學生就地學習，達到桃李不言的功效。從實驗教學中心發展的角度來看，非正式學習空間的創設為當下實驗教學改革和實驗中心建設創造了一種文化，對其發展有持久的正影響。

非正式學習空間的建設要以人為本，①因地制宜原則。考慮實驗中心的空間和與文化，不要強行安插，更不能大動干戈，而是合理鑲嵌，巧妙安排。② 便利性原則。選用可移動的設施，便于學生自行調整和轉換，注重開放性，反對封閉性，提供必要的電源和網絡以及交互大屏等設備。③ 舒適原則。營造較為輕松和自由的文化基調，桌椅、裝飾、燈光等有機結合，展示實驗中心兼具科學與文化的精神風貌，使其更具吸引力。

（2）實驗室智能化［18］。目前，大部分實驗中心設備管理自動化程度不高、安全管理智能化程度低下、環境管理不夠節能環保、資源管理共享效率低下的現象。實驗室環境智慧化能對以上問題進行針對性化解。

室內空氣智能控制系統通過檢測和分析室內害氣體的濃度，并將結果反饋給智能通風系統，通風系統接收數據并根據空氣管理策略自動調節運行狀態使空氣質量保持在安全范圍之內，實現空氣質量的智能管理。室內燈光智能控制系統實時采集室內光照強度，根據燈光管理策略實時調節燈光強度，實現制室內光的智能環境。門禁系統可以根據實驗室使用預約系統進行自動開關門，有利學生自主實驗的管理。

監控系統集成視頻行為識別和分析系統，自動統計分析參加實驗的學生人時數，對特定區域人員進入等行為發出警報，對發出的緊急狀況能夠自動報警，提高實驗中心的安全系數。

4 結語與展望

智慧實驗教學中心是實驗教學示范中心的建設趨勢和研究方向，能夠給實驗中心及高校發展帶來廣闊的前景，對學生實踐創新能力帶來提升，在實際建設過程中要加強頂層設計，注重標準兼容，避免建成信息孤島；加強可行性分析，注重實際應用，避免建成“空中樓閣”；加強內涵建設，注重特色凝練，避免建成千篇一律；此外還要注重信息安全等問題。

智慧實驗中心的建設不是簡單的“技術+實驗中心”或“實驗中心+技術”等要素相加，而是“實驗中心×技術”的要素融合。凸顯信息技術與實驗中心的教學管理融合創新、突出技術的適用性及使用方法的便捷性才是智慧實驗教學中心建設的初心和使命。