智慧实验教学中心特征、模型与建设路径

黎启龙，李小志，叶新东

（温州大学教育学院，浙江温州325035）

0 引 言

高校实验教学中心是人才培养、科学研究的重要场所［1］。为加强学生创新能力和实践能力的培养，推进实验教学改革，提速实验室建设，促进实验教学资源整合和共享，各高校纷纷整合教学实验室成立实验教学中心，开启了实验教学示范中心建设与评审的征程。至2015 年全国共建设了901 个国家级实验教学示范中心［2］，同期各高校还建设了数千个省级、市级、校级实验教学示范中心。这一举措极大地推进了实验教学的改革，促进了实验条件改善［3］，同时还对完善高校实验教学管理体系，形成高校实验教学资源整合共享机制、提升高校办学水平、提高学生实践创新能力等起到了重要的促进作用，有效提升了高校人才培养质量，对社会经济可持续发展具有重要的意义。

随着人工智能、大数据、物联网、虚拟现实等新技术的蓬勃发展，实验教学示范中心的建设和发展迎来了新的形势变化。实验教学示范中心需要积极拥抱新技术，引入人工智能、物联网、虚拟现实等技术，建设利于师生交流学习和实验室安全有效管理的智慧实验教学中心，持续完善各类实验、实训环境的建设［4］，深化实验教学示范中心改革，继续发挥示范中心的辐射和示范作用，研究实验教学示范中心持续发展的新课题。

1 智慧实验教学中心概念及特征

“智慧地球”概念于2008 年11 月由IBM 首席执行官彭明盛在“智慧地球：下一代的领导议程”的演讲中首次提出。演讲指出智能技术正被应用到生活的各个方面，如智慧电力、智慧交通甚至智慧城市，使地球变得越来越智能化。智慧地球本质是实体基础设施与信息基础设施的有效结合，是信息技术的一种大规模普适应用［5］。随着“智慧地球”概念的逐渐被人们认识，物联网产业也在蓬勃发展，目前智慧交通、智慧城市概念已经深入人心，在教育行业同样也涌现出如智慧教室、智慧校园、智慧教育等新兴概念。

目前，教育界鲜有“智慧实验教学中心”的概念，与之相近的最广泛的概念是智慧实验室和智能实验室，研究者从不同的角度对其进行了不同的描述和界定。周春月等［6］提出智慧实验室是基于物联网技术核心，通过信息技术为用户提供一个自动感知的实验教学环境，与综合信息服务平台一起协同实现实验室的可视化智能管理，实现万物互联、人机互动、人员协同的高度信息化。薛耀锋等［7］认为智慧实验室是从用户实际需求出发，依据智慧教学理论建设的个性化、多样化的新型实验室。王妍等［8］提出基于信息技术，打造网络化和智能化管理的科学化、规范化高校实验室，提高管理效率，提升管理水平，整合相关业务，发挥各种资源的作用。刘宏等［9］提出基于现有校园网，综合运用计算机及网络技术、虚拟仪器技术、EDA 技术，引入虚拟现实软硬件，模拟实验环境，仿真实验过程，得出实验数据，评判、打印实验结果。综上所述，智慧实验室都包含着使用新技术达到智能化的概念，但都未提到智慧实验的内容。

智慧实验教学中心是为实验教学提供智慧管理、智慧教学、智慧环境的现实空间和虚拟空间总和。智慧实验教学中心是在物联网、云计算、虚拟现实、大数据等新兴技术推动下的实验中心信息化建设的最新形态，其核心目标是通过智慧管理、智慧实验、智慧环境达到智慧教学。智慧实验中心区别于传统实验教学中心的根本特征在于智慧实验。

2 智慧实验教学中心系统模型

智慧实验中心的“智慧性”可以分为智慧实验（Experiment）、智慧管理（Manager）、智慧环境（Environment）三个维度，可称之为“EME”模型，如图1 所示。

图1 智慧实验教学中心“EME”概念模型

智慧实验是智慧实验教学示范中心的核心，由实验教学中心的本体功能即实践教学所决定，智慧实验利用智能技术可以加快推动人才培养模式和教学方法改革，构建新型的教育体系。如利用虚拟现实技术可以开设传统实验所“不能”“不敢”“不够”“不便”“不广”“不全”开展的实验项目，解决传统实验易受场地、仪器设备数量的限制、设备耗材消耗、实验安全、学生不能自主实验等问题［10］，虚拟现实技术能够为学生实验提供以学生为中心的、体验式的、协助学习的身临其境的环境［11］，扩展了实验室的边界，能够为学习者理解实验原理、掌握实验方法提供丰富的学习资源［12］。智慧实验还体现在对学生的个性化学习的一种支持，能根据不同学生的学习风格等特点制定不同的实验策略和指导，让每个学生都有效学习。

智慧管理是智慧实验教学中心的手段，智慧实验教学中心的智慧管理在于挖掘和提升实验中心的运行效果，促成管理的智能化。智慧管理的目标将智慧资源和智慧能力运用于工作和实践，以实现和提升智慧的价值；从微观层面看，将个体智慧和组织智慧等相结合，将个体智慧通过激励、培育、扩散、转化等，上升为组织决策智慧，提升组织决策的科学性；从工具层面看，通过管理系统实现智慧碰撞、提升、转化，为组织提供智慧资源，并将其转化为智慧能力，运用于具体实践，为组织发展提供有效的智慧保障。智慧管理核心是运行机制，要通过人才激励机制、资源析出机制、能力培育机制、共享扩散机制、整合创新机制、效果评估机制以及价值实现机制的有效运行来推动智慧管理的实施［13］。

智慧环境是智慧实验教学示范中心的载体。“具身认知”理论认为人的生理体验和心理状态直接有着强烈的联系，环境也是认知系统的一个组成部分，环境可以帮助存储认知信息［14］，可见实验室环境也是师生学习的重要影响因素之一，研究表明实验教学中心使用泛在智能技术能使师生以更简单自然的方式获取信息和接受服务可以提高学生的学习体验，从而促进学生学习效果。如采用人工智能等技术，建设具有实时感知实验中心内的温度、湿度、光亮、人流量等智慧感知功能并自动调整室内气温环境，从而可全身心投入学习。智慧环境还体现在实验中心学习空间，如创设主题“创客空间”等，让有共同爱好的师生聚集起来，一起制定项目方案，分享经验等；改造门厅楼道等公共空间，通过人性化规划，让师生有一个氛围舒适的实验室内外的学习空间；并可规划为创作区、交互区、展示区、探究区、交流区、发展区等不同功能区域。

3 智慧实验教学中心建设途径

3.1 打造安全可靠、技术先进、开放共享的智慧实验系统

（1）虚拟仿真实验。虚拟仿真实验是指利用虚拟现实或计算机仿真技术创设一种类似真实实验教学的场景、装置和方法，能够丰富和改善现有的教学手段，加深学生对实验内容的理解，能够为实验者带来沉浸感、交互性和想象性，增强了学生的学习体验。虚拟仿真实验相比较于真实实验，具有以下优点。可以解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难的问题，如地震模拟实验、大型精密仪器组装等实验；可以用于解决涉及高危或极端环境的实验难题，如汽车碰撞等实验；可以用于高成本、高消耗的实验，有效减少实验支出，如不同生态区生物学野外实习等实验；可以用于不可逆操作实验，降低实验对象的风险，如核电站的运行、腰椎穿刺术等训练；可以用于大型复杂场景的实验，解决真实情况下无法实现实验的问题，如民航机场的调度等实验。此外，在一些以幼儿为实验对象的实验中，采用虚拟仿真模仿幼儿开展实验教学，可以规避一些实验伦理的风险，同时也体现出一种人本主义的关怀，学生在智慧实验训练中可以大胆操作且无风险，心理压力减少有利于提高训练水平。虚拟现实技术一般可支持海量用户集中应用，为校外用户大规模共享开放，成本效益更佳。总而言之，智慧实验教学中心通过引入虚拟现实技术能够突破了传统实验室时空限制，也较好解决了实验设备条件的局限。

（2）智能导学系统［15］。智能导学系统不需要任何人工干预，能够自动接收即时反馈和发送指令与用户自动交互，从而能在特定的环境中自动帮助用户学习。智能导学系统能够为每一位学生的自主学习提供个性化指导，当学生因为个体差异导致对同一内容的理解不一致时，智能导学系统能够提供与学生理解水平相匹配的指导，达到有针对性指导目的。智能导学系统可以对学生的实验过程进行追踪、诊断和评价，并根据诊断结果适时调整实验策略，如华南师范大学开发的iTutor系统可自动对问题解决的情况进行诊断与评价，并形成一份测评报告，能够促进学生有效学习，提高操作技能方面效果尤为明显。

（3）智能程序设计学习助手。智能程序设计学习助手是通过识别程序设计初学者遇到的困难并通过开发平台向学生提供自动化的帮助，同时还能帮助教师监测学生进步的一种智能软件。由于高校普遍存在的班级人数较多的情况，在计算机程序设计练习环节，一个学生平均每节课和老师交流的时间不到2 min，学生得到教师的指导极其有限，学生有时会花很长时间试图修正简单的错误，造成学习效率低下，教师在帮助同学解决问题的同时，对其他同学在实现任务目标的进展情况也不能很好指导，一定程度上影响教师的工作。学习助手通过收集和识别学生端的代码，能智能识别常见错误并提示学生，并显示哪些学生需要最少的帮助，哪些学生需要最多的帮助，并智能形成报告提供给教师，帮助教师掌握学生对编程知识的掌握情况，使教师教学更有针对性，有效提高程序设计教学效果。

3.2 规划设计人机协同的智慧管理系统

（1）重视智慧管理。云计算，大数据，物联网等信息化技术日趋成熟，一定程度上拓宽了其应用范围，尤其在管理事务中具有极其重要的应用价值，智能化社会已经成为必然趋势，实验教学中心的信息化建设务必走向智慧化。在智慧化建设过程中，全体人员需要紧跟时代发展，统一思想，重新认识智慧管理对实验教学中心建设的重要意义，聚焦智慧管理工作，科学做好智慧管理发展规划，平稳有序推进智慧管理的迭代更新，逐步摆脱传统管理模式所具有的局限性。

（2）注重智慧管理标准化。智慧管理标准化须具有一定的超前性，方能保证建设过程的统一和协调，减少不同系统的冲突及不兼容现象。在进行智慧管理过程中须基于国家信息标准，确保和学校管理信息具有高度的一致性，保障信息整合和交互的准确性，尽量预留扩充接口，为以后的扩充升级提供便利。之前由于我国缺少一个明确且强制性的教育管理信息标准，造成了不同管理系统之间信息标准各异，从而导致信息平台之间无法高效对接整合。“前车之鉴，后事之师”，在智慧管理系统实施过程中，务必对教育管理信息规范化和标准化进行具体细致制定，在采购系统时也考虑选择能够实现相互兼容的管理系统，为以后的持续发展提供基础保障。

（3）整合现有管理系统。实验教学中心经过多年的发展，已经建成了较多信息管理系统，这些系统有部分可以作为智慧管理体系的基础，在充分利用现有数据资源的基础上，淘汰已经完全落后的系统，更新有待升级的系统。此外，引进先进管理系统，有效整合原有管理系统，形成智慧决策，注重人机协同实现可视化管理。最后，需要进行系统云端化以利于系统的稳定；开发手机客户端以利于学生无线访问。

（4）保障信息安全。信息安全是信息化时代永恒的话题，智慧管理需要采集比传统信息管理更多的信息，因此更要注意信息安全。智慧管理建设过程中各个环节都需要制定保障信息安全的管理措施，确保信息的全过程全方位安全，确保智慧管理建设的安全开展。

3.3 建设安全和谐精准控制的智慧环境空间

（1）建设智能化的非正式学习空间。非正式学习空间是指高校除正式教学空间（如教室）之外用于学生自主学习探究的空间环境，包括图书馆、廊道实体空间和学习网站、在线学习系统等网络虚拟学习空间［16］。非正式学习空间是校园学习空间的有机组成部分，是对正式学习空间的延伸和补充，学生可自主选择学习内容、学习方法以及学习伙伴伴侣。

非正式学习空间有着非常重要的作用［17］，① 可以提供个性化学习空间，非正式学习空间注意观察和了解学习者的需求，能够给学生带来空间参与性、选择性和成就感，对不同的学生进行差异化的关心。②可以促进协助交流，非正式学习空间营造出一种轻松的学习氛围，师生关系更融洽，伙伴关系更宽松，有利于学生发挥创造性思维和团队精神，能让身体所处之地立刻成为学习之地，并成为思想交流的聚集地。③提高实验室空间使用率，在保证安全前提下，在大厅楼道等地设置一些桌椅就可以吸引学生就地学习，达到桃李不言的功效。从实验教学中心发展的角度来看，非正式学习空间的创设为当下实验教学改革和实验中心建设创造了一种文化，对其发展有持久的正影响。

非正式学习空间的建设要以人为本，①因地制宜原则。考虑实验中心的空间和与文化，不要强行安插，更不能大动干戈，而是合理镶嵌，巧妙安排。② 便利性原则。选用可移动的设施，便于学生自行调整和转换，注重开放性，反对封闭性，提供必要的电源和网络以及交互大屏等设备。③ 舒适原则。营造较为轻松和自由的文化基调，桌椅、装饰、灯光等有机结合，展示实验中心兼具科学与文化的精神风貌，使其更具吸引力。

（2）实验室智能化［18］。目前，大部分实验中心设备管理自动化程度不高、安全管理智能化程度低下、环境管理不够节能环保、资源管理共享效率低下的现象。实验室环境智慧化能对以上问题进行针对性化解。

室内空气智能控制系统通过检测和分析室内害气体的浓度，并将结果反馈给智能通风系统，通风系统接收数据并根据空气管理策略自动调节运行状态使空气质量保持在安全范围之内，实现空气质量的智能管理。室内灯光智能控制系统实时采集室内光照强度，根据灯光管理策略实时调节灯光强度，实现制室内光的智能环境。门禁系统可以根据实验室使用预约系统进行自动开关门，有利学生自主实验的管理。

监控系统集成视频行为识别和分析系统，自动统计分析参加实验的学生人时数，对特定区域人员进入等行为发出警报，对发出的紧急状况能够自动报警，提高实验中心的安全系数。

4 结语与展望

智慧实验教学中心是实验教学示范中心的建设趋势和研究方向，能够给实验中心及高校发展带来广阔的前景，对学生实践创新能力带来提升，在实际建设过程中要加强顶层设计，注重标准兼容，避免建成信息孤岛；加强可行性分析，注重实际应用，避免建成“空中楼阁”；加强内涵建设，注重特色凝练，避免建成千篇一律；此外还要注重信息安全等问题。

智慧实验中心的建设不是简单的“技术+实验中心”或“实验中心+技术”等要素相加，而是“实验中心×技术”的要素融合。凸显信息技术与实验中心的教学管理融合创新、突出技术的适用性及使用方法的便捷性才是智慧实验教学中心建设的初心和使命。