物联网+教育，从虚拟实验到影子系统

魏忠

从2013年开始，教育部就不断在全国高等院校推广虚拟实验室，花重金打造全国各种专业的虚拟仿真实验室。在此措施的激励下，全国各地掀起了一场以“Flash”为核心的动画虚拟实验室的浪潮。很多学校的教师甚至教育主管部门对虚拟实验室都存在误解。例如，一个非常主流的制作虚拟课件的公司宣称：“通过高仿真的虚拟实验室，学生可以看到机器内部的真实构造。因为即使到现场，由于机器三年检修一次，学生也只能看图纸，有了虚拟化，学生就能够看清楚内部构造。”这就是典型的虚拟化误区，一名工程师最起码应具有看图能力和根据现场画图能力，如果用虚拟仿真代替或者减弱学生的看图和图纸想象能力，这种虚拟化其实是一种灾难。

在我看来，虚拟教学的核心不是节省费用，更不是以绚丽的三维动画代替学生的工程想象能力，而是为了体现比实体系统更加真实和抽象的“教育之真”。例如，荷兰的一位教授在2009年开始跨越欧盟十几个国家，观摩远程虚拟电力发电实验，计算机里跳动的数字和发电过程的虚拟化场景，不仅有远程多个不同部件的实验室真实物联网的数据的动态回馈，更重要的是它比参观现实的发电站更具有真实性，这些汇集起来的数据对培养学生学习电力系统的逻辑思维有很大的帮助。

这就像看了再多的关于爱情的文学作品，都不能代替一个年轻人去真正谈一场恋爱，“教育即生活、学校即社会”，学校是大千世界的真实映射。这种映射，不是减弱大千世界的真实印象，而是加强这种印象。对于年轻人来讲，学校就是一所增强版的“恋爱实验室”，在这个实验室中，学生不仅能够体会实体的青春萌动，更重要的是附加上象牙塔之外不容易存在的“爱情的诗歌、音乐”等增强版的虚拟因素，使得“爱情”这种感觉由于升华而更加真实。实体的和虚拟增强的因素，构成了“影子系统”（如上页图1、图2），为学生打造了“改造世界的信息模板”以及“高于现实的教育之真”。

以沪江网为代表的新一代教育，动辄3000人同时在线的课堂已经成为常态，这就是“互联网+教育”的时代，而被技术改变的教育通过将不属于教育的“互联网+”扔到网上以后，会进入一个“物联网+”的时代，这个时代，就是云地一体化、虚实一体化的实验影子系统（如图3）。

基于“物联网+”的影子系统，包含以下重要概念的整合和升级。

1.模拟实验。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。其关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。

模拟最重要的是简化，通过简化和关键特征的抽取，最容易体现知识的逻辑，然而这种简化如果不适当，还不如书本和数学公式来得贴近“教育之真”。例如，在一所职业技术学院的简化版的以动画为核心的精密加工模拟环境中，学生能够看到的仅仅是动画和关键环节的输入输出。经过改进后，模拟系统能够抽象出不同车床的各种噪音，以噪音的特征值反映不同故障，让学生还原故障可能的错误操作，虽然没有了动画，但是学生学习与体验更加深刻。

2.仿真实验。仿真即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目整体的层次上表示的。例如，上海第二军医大学的护理实验室，通过野战护理的场景仿真，以及在环境中利用电视屏幕对火灾、地震、洪水、化学灾难的环境仿真，需要训练的是在不同环境中学生的野战护理流程和专业素养。

3.虚拟现实。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的、三维动态视景和实体行为的系统仿真。以Flash等方式开发虚拟的在线实验，相关的实验数据和结果将保存在教学平台中，并实现对自学活动及成绩的有效管理。

虚拟现实技术表面上是为了节省资金和教育经费，事实上最重要的目标是沉浸，如果没有真正的沉浸，这种节省是毫无用途的，甚至是有害的。在沉浸系统的发展中，眼镜技术和虚实一体化是重要的发展方向，在教育中虚拟现实不仅要反映三维实景的真实性，更要体现实景背后的教育之真以及学生由于沉浸系统而模拟出来的情感和体验。

4.增强现实。增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、声音、味道、触觉等），通过计算机等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

2011年，在卡内基梅隆大学计算机工程系，一位教师就利用视频互动技术做了一项实验，即先让学生打一套太极拳，再让计算机中的机器人模仿学生的样子打拳，并根据标准太极拳的套路对学生的表演打分。5年过去了，原先看起来高端的科研，目前已经能够在开源软件中非常廉价、便利地获得了。例如，学生只要有手机，就可以通过APP软件跟踪实验室的设备，被选择的实验设备，会在手机上展现叠加出来的图层：实验设备的状态、名称、参数、物联网的及时数据、使用视频和所有普适计算相关的参数。这些参数都是实验室智能系统预设的和通过物联网大数据收集的。

5.远程实验。系统采用多种物联设备，获取实验业务信息及设备运行数据，并进行设备的管理与运行。相比前面的各种影子系统，远程实验是典型的物联网系统。2010年，上海中医药大学动物房就通过实验老鼠的远程视频，完成了学生在宿舍中连续观察老鼠实验活性的远程实验。图4是西安工程大学图形图像实验室，通过LABVIEW，将远程的印染机的信号和试验箱的信号远程传输到学生客户端，再通过虚拟系统和实际信号叠加还原成现场的“影子系统”。

6.知识地图。通过二维码、地理信息系统GIS、WIFI定位、位置传感器、增强现实的识别等技术，实现手机端与PC端的交互，可以快速地连接相关信息，如课表信息、知识信息、gis地图、微课、设备信息等。

影子系统，作为一个连接实体资源与知识资源的技术的系统，还需要很多的实验信息系统的支撑才能做到数据科学的应用。这些系统包括资产管理系统、设备管理系统、科研协同系统、项目管理系统、实验物联系统、在线课程、微课平台、排课系统、实验预约系统、视频系统、考勤系统，等等。

技术是为教学服务的，影子系统的核心是教学，一个复杂的技术系统中，将师生教学融入其中，教学设计也最为关键。