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摘 要 建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)室，讓繁雜甚至有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目變成快樂(lè)且安全的存在帶領(lǐng)學(xué)生探索與發(fā)現(xiàn)未知世界，領(lǐng)略物質(zhì)世界的奇妙，讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)這個(gè)世界的構(gòu)成。

關(guān)鍵詞 仿真實(shí)驗(yàn)室；人工智能；計(jì)算機(jī)；實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）01-0097-02

1 引言

每當(dāng)想到實(shí)驗(yàn)室那紛繁復(fù)雜的器具，隨時(shí)可見(jiàn)的未知可能危險(xiǎn)性和數(shù)不清的操作禁忌總會(huì)縈繞在師生的腦海，令人望而生畏。但實(shí)驗(yàn)室中種種創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)，所帶來(lái)的魔幻效果又使人欲罷不能。那些神奇的實(shí)驗(yàn)使師生領(lǐng)略物質(zhì)世界的奇妙，讓人深刻認(rèn)識(shí)這個(gè)世界的構(gòu)成，帶領(lǐng)人們走向未來(lái)。那么當(dāng)然希望學(xué)生能盡情領(lǐng)略實(shí)驗(yàn)室所能帶來(lái)的各種知識(shí)與沖擊力。但如何才能讓他們既學(xué)到知識(shí)，感受科技的神奇世界，又能規(guī)避種種危險(xiǎn)呢？有沒(méi)有這樣魚(yú)與熊掌兼得的好事呢？答案是樂(lè)觀的——有！那就是仿真實(shí)驗(yàn)室。

2 什么是仿真實(shí)驗(yàn)室

所謂仿真實(shí)驗(yàn)室，由一組計(jì)算機(jī)和幾款開(kāi)源的開(kāi)放式編程模塊（多為組態(tài)模式），以及N多的外載附加電子模塊（各種傳感器）組成，在聲光電以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)的完美配合下，達(dá)到既定實(shí)驗(yàn)條件就可以產(chǎn)生與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的展示效果。仿真實(shí)驗(yàn)室可以最大限度破除實(shí)物資源限制，由計(jì)算機(jī)通過(guò)圖形化的界面視窗配合動(dòng)畫(huà)、視頻等形式來(lái)展示出實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，甚至可以有身臨其境的體驗(yàn)。并且通過(guò)現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)以及新型信息技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)，可以有效利用全世界互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通到的實(shí)驗(yàn)資源。這樣就大大地解除了地域以及資源配置不均衡所帶來(lái)的困擾，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率及工作效率。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)、點(diǎn)擊屏幕甚至手勢(shì)及其他生物識(shí)別傳感裝備，舉手投足之間即可展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)然，這些展示效果和實(shí)驗(yàn)過(guò)程是沒(méi)有任何危險(xiǎn)性的。大到模擬核彈爆炸，小到模仿打雷下雨，都沒(méi)有任何的危險(xiǎn)，反倒有身臨其境的體會(huì)。具體來(lái)說(shuō)，就是在計(jì)算機(jī)上建造一個(gè)開(kāi)放式軟件編碼平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)可以在設(shè)定的條件下接入對(duì)應(yīng)功能的電子模塊而產(chǎn)生同現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)一樣的效果，只不過(guò)這個(gè)效果是由計(jì)算機(jī)畫(huà)面或者配合虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行展示，如火藥的配置、閃電的生成等。當(dāng)想要去做類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需打開(kāi)平臺(tái)，按照配比及步驟就可以看到火藥及閃電制成的整個(gè)過(guò)程。

3 仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析

目前運(yùn)行比較成功的仿真實(shí)驗(yàn)室是微軟公司的Technet虛擬實(shí)驗(yàn)室，是微軟公司20世紀(jì)90年代初期作為基于CD的訂閱服務(wù)所提供的，用一個(gè)電腦通過(guò)Internet，無(wú)須格式化硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器就能做到對(duì)服務(wù)器產(chǎn)品的評(píng)估和測(cè)試。

國(guó)內(nèi)高校近幾年在仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面也已鋪開(kāi)，但進(jìn)度較慢，質(zhì)量不理想，在如何體現(xiàn)信息化核心教學(xué)理念方面仍缺少實(shí)質(zhì)性的方案和實(shí)踐。特別是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段，難以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于各學(xué)科支撐作用的需求。2000年以來(lái)，全國(guó)高校普遍擴(kuò)招，加之學(xué)科設(shè)置增多，實(shí)驗(yàn)需求迅猛增長(zhǎng)，隨之實(shí)驗(yàn)室數(shù)量也大幅增加，但實(shí)驗(yàn)室的容量與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置參差不齊，又由于各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不均衡，因此，學(xué)科發(fā)展下的實(shí)驗(yàn)要求與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室資源極其不匹配。難以滿(mǎn)足學(xué)科專(zhuān)業(yè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升要求。再者，許多實(shí)驗(yàn)資源價(jià)值較高，又難以重復(fù)利用。

在這樣的大環(huán)境下，發(fā)展仿真實(shí)驗(yàn)室可謂解決這種供需失衡的最有效手段。仿真實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建高度的仿真實(shí)驗(yàn)形態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)資源可以反復(fù)利用，又能破除資源及條件限制；也不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)中的儀器損壞及危險(xiǎn)，可以大膽嘗試各種設(shè)計(jì)性、綜合性、探索性實(shí)驗(yàn)，并可整合全世界互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)可用資源。仿真實(shí)驗(yàn)形式靈活多樣，可以充分滿(mǎn)足各學(xué)科教學(xué)需求，又能開(kāi)闊學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣，充分地適應(yīng)新形勢(shì)下培養(yǎng)各種人才的需求。因此，發(fā)展仿真實(shí)驗(yàn)室將是現(xiàn)在乃至今后滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求的重要方向。

4 仿真實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵程式

要實(shí)現(xiàn)之前描述的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，就必須依照軟件承載的步驟加載不同的外設(shè)電子模塊（開(kāi)源硬件）。外設(shè)電子模塊所承載的正是實(shí)驗(yàn)原料的功能。而計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)上則會(huì)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)的虛擬器皿或器械，將反應(yīng)在畫(huà)面中展示。當(dāng)加載的模塊錯(cuò)誤或者配比失當(dāng)時(shí)，則會(huì)發(fā)生失敗的實(shí)驗(yàn)效果。

這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成功關(guān)鍵，在于支持它的算法、數(shù)據(jù)庫(kù)以及編碼的豐富及優(yōu)化。做什么樣的實(shí)驗(yàn)就需要配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如做物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，則需要此類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持。換言之，也就是說(shuō)這些實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是已知的在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)得到驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)電子虛擬化處理，相應(yīng)把在現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜而危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)搬到計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，綠色無(wú)污染又不失實(shí)驗(yàn)所能帶來(lái)的探索發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)教育功能。利用這樣的平臺(tái)破除條件限制、資源限制，讓學(xué)生在科學(xué)環(huán)境中進(jìn)行自由創(chuàng)作，將會(huì)大大提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性學(xué)習(xí)能力，開(kāi)發(fā)想象力和創(chuàng)造力。

5 仿真實(shí)驗(yàn)室中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)室而言，最為關(guān)鍵的一點(diǎn)不是實(shí)現(xiàn)既定的計(jì)算機(jī)思維下所能達(dá)成的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)大都（90%以上）是在既定條件下產(chǎn)生的人類(lèi)基本已知結(jié)果的實(shí)驗(yàn)；而是去探索與發(fā)現(xiàn)未知的實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造出未知的未來(lái)，還原實(shí)驗(yàn)最大的魅力，在于實(shí)驗(yàn)的偶然性及發(fā)現(xiàn)性目的。要解決這個(gè)問(wèn)題，就必須對(duì)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效利用。隨著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)，由于它的構(gòu)成原理和功能特點(diǎn)等方面更加接近于人腦，它不是按給定的程序一步一步地執(zhí)行運(yùn)算，而是能夠適應(yīng)環(huán)境、總結(jié)規(guī)律，完成某種運(yùn)算識(shí)別或遠(yuǎn)程控制。因此，這樣進(jìn)行大型復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，或替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中的絕大部分實(shí)驗(yàn)，就成為可能。

6 仿真實(shí)驗(yàn)室中平臺(tái)的搭建

如果解決了這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)只能進(jìn)行已知實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，是否這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就趨于完美了呢？答案是否定的，因?yàn)檫@樣的平臺(tái)仍然需要大量的模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)支持。也就是說(shuō)，要解決仿真實(shí)驗(yàn)室自身資源的海量補(bǔ)給，才能使這樣的平臺(tái)發(fā)揮它天然的優(yōu)勢(shì)（可大可小、模塊化組態(tài)，可以共享；一臺(tái)計(jì)算機(jī)外加幾個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K就可以運(yùn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，幾臺(tái)計(jì)算機(jī)或者很多計(jì)算機(jī)組合在一起，就可以運(yùn)行超級(jí)實(shí)驗(yàn)）。解決它的方式，按照現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)思維，最好的方案就是為它搭建一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、開(kāi)放的源代碼、開(kāi)放的開(kāi)發(fā)者支持工具，讓全世界的仿真實(shí)驗(yàn)愛(ài)好者及開(kāi)發(fā)者都可以加入這個(gè)平臺(tái)之中。這樣就可以開(kāi)發(fā)出豐富的滿(mǎn)足各種實(shí)驗(yàn)需要的模塊，創(chuàng)造出無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)可能，走向真正的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)之路，讓仿真實(shí)驗(yàn)室成為一個(gè)創(chuàng)新工廠。即便是復(fù)雜的虛擬環(huán)境展示，也能分分鐘就像科幻電影中那樣完美展示。endprint

對(duì)于仿真實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)的搭建，軟件的搭建已經(jīng)稍微提及，現(xiàn)在給出一個(gè)大膽設(shè)想，就是利用安卓平臺(tái)，只搭建一個(gè)承載開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)程序的平臺(tái)，預(yù)留大量的實(shí)驗(yàn)接入口，上面的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序與模塊都由程序開(kāi)發(fā)者或愛(ài)好者以及廠商來(lái)貢獻(xiàn)及完成。這樣就可以很好地搭建一個(gè)生態(tài)圈，成為一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的王國(guó)。至于用哪種語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)這個(gè)開(kāi)源平臺(tái)，篇幅所限，在此不再贅述。

7 回歸初心

用以上篇幅為大家嘗試描述了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，至于它更加奇幻的作用與功能，現(xiàn)在就可以想象和開(kāi)發(fā)！也許下一代通信方式將在仿真實(shí)驗(yàn)室誕生。要知道搭建的不僅僅是一套實(shí)驗(yàn)器械或終端，而是一個(gè)龐大的互聯(lián)創(chuàng)新工場(chǎng)，期待它的無(wú)限可能性吧。

其實(shí)這樣的仿真實(shí)驗(yàn)室原本就是為學(xué)生啟蒙教育而設(shè)計(jì)的，在基本功能上當(dāng)然應(yīng)簡(jiǎn)單易用、趣味隨智，讓學(xué)生隨心隨性地學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)，提高腦動(dòng)力，比如可以任意組合出各種個(gè)性玩具、生活中的小電子設(shè)備等。配合計(jì)算機(jī)而附加的各種傳感器和組合模塊必須具備簡(jiǎn)單編程功能，可以開(kāi)發(fā)學(xué)生的動(dòng)手編程能力。有了這些模塊和傳感器，模仿門(mén)鈴、鋼琴、演唱會(huì)甚至紅燒肉的氣味（加入氣味傳感器即可）就變得簡(jiǎn)單了。在簡(jiǎn)單有趣的實(shí)驗(yàn)中，引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)科學(xué)技術(shù)的殿堂，使他們慢慢擁有編程能力，使計(jì)算機(jī)語(yǔ)言不再是艱澀的數(shù)碼記程式，為未來(lái)人工智能的交互物聯(lián)網(wǎng)世界鋪平道路。

有了這些，學(xué)生可以把生活中的場(chǎng)景搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始他們的新發(fā)現(xiàn)，按照自己的愛(ài)好來(lái)搭建屬于自己的實(shí)驗(yàn)室。想一想：什么樣的東西能夠給親人們的生活增添色彩？爸媽的生日就快到了，用仿真實(shí)驗(yàn)室為他們來(lái)個(gè)焰火表演吧！還可以利用3D虛擬模塊把給他們送上的生日祝福加載在這場(chǎng)焰火表演中！當(dāng)然這樣的場(chǎng)景還有許多，是不是可以嘗試用這樣的場(chǎng)景來(lái)建設(shè)一個(gè)虛擬賣(mài)場(chǎng)呢？想一想怎樣讓它媲美Amazon Go賣(mài)場(chǎng)？

說(shuō)了這么多，其實(shí)無(wú)非就是利用新科技，解除環(huán)境和條件的限制，提高實(shí)驗(yàn)的便利性和可操作性，讓學(xué)生更多地了解自己的興趣愛(ài)好，開(kāi)發(fā)思維力與創(chuàng)造力，更好地融入未來(lái)。它的整個(gè)構(gòu)建方式類(lèi)似于一張連接天地萬(wàn)物的物聯(lián)網(wǎng)，具備感知—傳輸—處理的功能，利用功能各異的傳感器和現(xiàn)在的高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，連接物與物、連接物與人，利用虛擬與現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)化，足以媲美真正實(shí)驗(yàn)室里的各種實(shí)驗(yàn)。對(duì)于學(xué)生而言，它的最大功用體現(xiàn)在即興開(kāi)發(fā)、所見(jiàn)即所得。那么鑒于這樣的設(shè)計(jì)初衷，就需要在模塊開(kāi)發(fā)及軟件設(shè)計(jì)上做最大限度類(lèi)似于積木搭建那樣的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)簡(jiǎn)單易行、開(kāi)發(fā)益智的理念。

8 仿真實(shí)驗(yàn)室的商業(yè)模式發(fā)展

筆者接下來(lái)把關(guān)于仿真實(shí)驗(yàn)室商業(yè)模式的發(fā)展可能性稍微敘述一下。鑒于仿真實(shí)驗(yàn)室的性質(zhì)，大可借鑒小米的初期發(fā)展模式，以發(fā)燒友及愛(ài)好者為基礎(chǔ)，搭建基于仿真實(shí)驗(yàn)室的軟件交流研發(fā)平臺(tái)，逐步推出迭代產(chǎn)品，營(yíng)建產(chǎn)品生態(tài)環(huán)境；吸引到一定量的愛(ài)好者及粉絲后，聯(lián)合商業(yè)企業(yè)及創(chuàng)投基金，共同向市場(chǎng)開(kāi)發(fā)投放終端實(shí)驗(yàn)?zāi)K，做好產(chǎn)品定位及細(xì)分。面對(duì)兒童群體的，偏重于游戲，寓教于樂(lè)；面對(duì)發(fā)燒友的，則偏重于時(shí)尚新奇；面對(duì)教育團(tuán)體的，則趨向于穩(wěn)定、多元、可升級(jí)。至于這樣做的原因，就是可快速積累資源，營(yíng)造生態(tài)圈，迭代產(chǎn)品，創(chuàng)造商業(yè)價(jià)值。

當(dāng)然，在這里筆者也僅僅是提出設(shè)想，在這方面更加喜歡或者有實(shí)力的朋友大可以為此詳細(xì)調(diào)查研判，做出可行性商業(yè)報(bào)告。總之，在一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，一個(gè)創(chuàng)新層出不窮的時(shí)代，一個(gè)科技發(fā)展日新月異的時(shí)代，也許下個(gè)5G時(shí)代風(fēng)口到來(lái)時(shí)，學(xué)生就是那個(gè)飛在風(fēng)口的風(fēng)流人物！endprint