基于信息技术的智慧数理实验室建设思考

当今社会已进入快速发展的信息化时代，信息技术已渗透到社会的各个领域。2008年“智慧地球”理念被IBM公司提出后，迅速在各行各业产生了巨大的反响和变革，随之智慧城市、智慧医疗、智慧校园、智慧教室等理念应运而生。目前，信息技术已渗透到教育教学的各个方面，与教育教学发生了深度融合。教育部《教育信息化“十三五”规划》指出：“坚持深化应用。要通过深化应用释放信息技术对教育教学改革和发展的作用。应用是信息技术与教学、管理的结合点，也是教育信息化的生命力。要进一步深化应用驱动的基本导向，通过应用带动环境营造、支撑核心业务，围绕应用目标开展培训与绩效评价，依托教育信息化加快构建以学习者为中心的教学和学习方式。”

在基础教育阶段，理科实验室主要面向物理、化学、生物学科，从信息化发展对实验室要求来看，还存在实验室信息管理系统不健全、没有及时将先进的信息技术融入理科实验室、数学实验室亟待建设等问题。因此，要提升实验室建设水平就必须强化实验室信息化建设，提出了建设智慧数理实验室的设想，旨在将信息技术应用于理科实验室建设，营造基于信息技术的网络化、数字化、智能化的现代化实验环境，为培养具有实践能力和创新精神的人才提供必要保障。

一、理科实验室信息化需求

1.实验室需实现信息化管理

理科实验室涉及的学科较多，固定资产、实验耗材种类多、数量大，这些实验器材的账目管理通常依靠手工记录，各学科实验室间资源重复配置，资源共享难以实现，存在信息孤岛现象。实验室内需安装智能监控系统，使其能对各类潜在危险进行预警，确保安全。

2.实验室设施需满足信息化教育的要求

信息化教育是信息技术与教育的深度融合，并对教育进行变革与创新。它是将学校的教育教学、科学研究、管理与服务建立在信息化的基础上，把信息技术作为教学、科研、管理与服务的重要工具和支撑环境，成为教育中不可或缺的要素。信息化教育的主要特征是：教材多媒体化、资源网络化、环境虚拟化、教学个性化、学习自主化、活动协作化、管理自动化。随着信息技术的发展，理科实验室建设虽融入了一些信息化要素，如实现了实验室网络全覆盖，在实验室安装了计算机和投影机，有些学校的实验室配备了数字化实验系统等，但这些距离信息化教育对实验室的要求还有一定差距，因此还应加强实验室教育信息基础设施建设，满足信息化教育的要求。

3.需要建立数学实验室

新颁布的《普通高中数学课程标准(2017年版)》指出：“在数学教学中，信息技术是学生学习和教师教学的重要辅助手段，为师生交流、生生交流、人机交流搭建了平台，为学习和教学提供了丰富的资源。因此，教师应重视信息技术的运用，优化课堂教学，转变教学与学习方式。”《义务教育数学课程标准(2011年版)》指出：“学生应当有足够的时间和空间经历观察、实验、猜测、计算、推理、验证等活动过程……教师应当努力开发制作简便实用的教具和学具，有条件的学校可以建立‘数学实验室’供学生使用，以拓宽他们的学习领域，培养他们的实践能力，发展其个性品质与创新精神，促进不同的学生在数学上得到不同的发展。”因此，按照课程标准要求，建立数学实验室势在必行。

二、智慧数理实验室内涵

1.物联网与智慧实验室

目前，对于智慧实验室的研究都是基于物联网技术，物联网是指“通过各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络”，即物物相连的互联网，物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理等特点。

智慧实验室目前还没有统一的标准定义，通常普遍认可的定义是“智慧实验室是以物联网技术为核心，利用新一代信息技术为广大师生提供一个全面的智能感知实验环境和综合信息服务平台，实现实验室的智能化、安全化、可视化管理，资源的互联、人员的互动协作以及开放实验室设备资源、教学资源、科研资源的高度信息共享。”

2.智慧数理实验室概念界定与理论架构

针对基础教育阶段理科实验室信息化需求，以现代信息技术为支撑，将智慧实验室理念运用到基础教育阶段理科实验室建设中，建设智慧数理实验室为实现信息技术与理科教学的深度融合提供条件保障。智慧数理实验室是指在“互联网+”、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术支持下，将信息技术运用到数学、物理、化学、生物实验室，即数理实验室建设中，建立实验室信息管理系统，为实验室管理和实验教学与科研提供智能化的工作、学习环境；建立数字化实验室、虚拟仿真实验室、数学实验室，为师生开展基于信息技术的理科实验和实验教学及研究提供条件保障和技术支持，以构建基于信息技术的、有利于实施智慧教育的实践场所。智慧数理实验室理论架构见图1。

图1 智慧数理实验室理论架构

三、智慧数理实验室建设内容

1.建立实验室信息管理系统

学校可根据实验室特点开发、设计、引进符合本校实验室管理实际需要的实验室信息管理系统，实现对实验室设备、耗材、环境、安全、资料、人员等进行信息化管理。设备管理主要指对实验室固定资产进行动态管理，便于设备管理部门、职能部门、实验室工作人员、教师等随时查询，并可根据实际需要形成各种报表，为各种决策提供数据支持。对于实验耗材管理，需建立实验耗材数据库，实现对实验耗材台账的动态管理、分类查询。在实验室内安装智能安防系统，主要包括烟雾火警探测器、可燃气探测器等，对实验室进行在线24小时监控。通过安装智能家居系统，可实现对实验室内灯光、空调和窗帘等家居设备的智能化管理和控制，对实验室内的空气质量、温度、湿度、粉尘等环境指标实现统一监控和管理。通过建立实验设备、实验耗材、实验资料等数据库，使实验室资源实行统一管理，避免资源重复配置，以实现资源共享。

2.建立数字化实验室

数字化实验室是指配备了多套数字化实验系统，并以其为主要实验手段，可供师生开展数字化实验的场所。数字化实验是利用计算机、传感器、数据采集器和配套软件进行的实验。其最突出特点是实时、准确、综合、直观，可作为常规实验教学的辅助和有益补充，在传统实验难以或无法实现的情况下，可以借助数字化实验手段完成。

3.建立虚拟仿真实验室

虚拟仿真实验室采用虚拟现实技术在计算机上建立虚拟仿真实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，是虚拟现实技术在科学实验中应用研究的重要载体。基于虚拟现实技术的科学实验叫作虚拟实验，是指在计算机系统中创建虚拟实验环境，用软件模拟虚拟设备，学生可以像在现实实验环境中一样完成各种实验。虚拟实验可有效弥补教学条件不足，既有利于教师讲解，又有利于学生理解。

4.建立数学实验室

数学实验是学习数学的重要方式，数学实验室是让学生借助一定的实物工具或技术手段，并在数学思维和数学思想的指导下，进行数学化操作的专有教室。高中数学实验室主要是以网络计算机为主要平台，利用相关的数学软件进行数学建模或数学探究；初中数学实验室既要重视利用数学软件进行数据的加工和处理，更要注重让学生对纸张、剪刀、模型、测量工具、作图工具等进行操作，逐步建构并发展数学认知结构，获得数学活动的经验。建立数学实验室有利于构建基于信息技术的数学教学环境，为师生开展数学实验活动提供专业场所。

在智慧数理实验室中除安装各自的专业设备外，还应实现泛在网络，安装教室互动反馈系统，实现在实验教学过程中师生、生生、人与资源的教学互动，便于开展教学活动和讨论交流，建立新型课堂师生关系。智慧数理实验室主要设备配置如图2所示。

图2 智慧数理实验室主要设备配置

四、智慧数理实验室建设的价值

1.有助于科学规范地管理实验室

实验室信息管理系统的建立，优化了实验室管理流程，促进了实验室管理的智能化。借助信息技术对实验室固定资产、实验耗材、实验室安全、实验环境、实验资料等进行统一管理，可视、集中、高效、便捷，提高了实验室管理效率和质量，使实验室管理更加科学和规范。

2.有助于推进信息技术与学科教学深度融合

智慧数理实验室为师生在信息化环境下开展理科实验及实验教学提供条件保障，有助于优化教学，既可促进教师教学方法创新，又可促进学生学习方式改变。例如数字化实验借助传感技术高精度的测量，可以对化学反应过程中的实验数据进行实时采集与分析，且使实验数据和实验过程中物理参数的变化可视化呈现，有助于师生更好地把握实验动态。通过对实验结果进行分析和推测，有利于教师有效突破教学重点和难点，促进学生对知识的理解。在此过程中，学生不是被动地接受知识，而是在教师引导下，师生一起利用数字化实验研究化学问题，不仅激发了学生的学习兴趣，而且信息化环境为形成师生交流、生生交流的良好教学氛围和学生自主学习提供了强大的技术支持，既有利于教师创新教学方法，又有利于学生自主建构知识，实现了信息技术与化学教学的有效融合。

3.有助于提高师生的信息素养

建设智慧数理实验室可使师生感受到信息技术已经渗透到教育教学、实验室管理的各个方面。开展数字化实验、虚拟实验、数学实验既可增进师生运用信息技术解决实际问题的意识，又可提高师生信息技术的应用能力。在实验过程中通过对实验数据的获取、分析和处理可以帮助师生形成逻辑严谨的思维过程，使师生了解利用信息技术对传统实验进行改进的思路和方法，通过亲身实践使师生认识到利用现代信息技术解决实际问题的价值和作用，有助于提高师生的信息素养。

五、结语

建设智慧数理实验室是信息化社会发展对实验室建设的要求，学校需根据实际情况做好统一规划，在做好实验室基础设施建设的同时，还要加强对教师和实验室管理人员的信息技术应用能力培训，使教师在掌握现代信息技术基础上，还能将信息技术有针对性地应用于教学，有效改进教与学的方式，提高教师在信息化环境下的教学创新能力；使实验室管理人员能够运用信息技术管好、用好实验室，不断提升实验室管理水平，为学校教学和科研营造良好的信息化环境，为培养具有实践能力和创新精神的智慧型人才提供有力保障。