黎啟龍，李小志，葉新東

（溫州大學(xué)教育學(xué)院，浙江溫州325035）

0 引 言

高校實驗教學(xué)中心是人才培養(yǎng)、科學(xué)研究的重要場所［1］。為加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，推進(jìn)實驗教學(xué)改革，提速實驗室建設(shè)，促進(jìn)實驗教學(xué)資源整合和共享，各高校紛紛整合教學(xué)實驗室成立實驗教學(xué)中心，開啟了實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與評審的征程。至2015 年全國共建設(shè)了901 個國家級實驗教學(xué)示范中心［2］，同期各高校還建設(shè)了數(shù)千個省級、市級、校級實驗教學(xué)示范中心。這一舉措極大地推進(jìn)了實驗教學(xué)的改革，促進(jìn)了實驗條件改善［3］，同時還對完善高校實驗教學(xué)管理體系，形成高校實驗教學(xué)資源整合共享機(jī)制、提升高校辦學(xué)水平、提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力等起到了重要的促進(jìn)作用，有效提升了高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，對社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)和發(fā)展迎來了新的形勢變化。實驗教學(xué)示范中心需要積極擁抱新技術(shù)，引入人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，建設(shè)利于師生交流學(xué)習(xí)和實驗室安全有效管理的智慧實驗教學(xué)中心，持續(xù)完善各類實驗、實訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)［4］，深化實驗教學(xué)示范中心改革，繼續(xù)發(fā)揮示范中心的輻射和示范作用，研究實驗教學(xué)示范中心持續(xù)發(fā)展的新課題。

1 智慧實驗教學(xué)中心概念及特征

“智慧地球”概念于2008 年11 月由IBM 首席執(zhí)行官彭明盛在“智慧地球：下一代的領(lǐng)導(dǎo)議程”的演講中首次提出。演講指出智能技術(shù)正被應(yīng)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(zhì)是實體基礎(chǔ)設(shè)施與信息基礎(chǔ)設(shè)施的有效結(jié)合，是信息技術(shù)的一種大規(guī)模普適應(yīng)用［5］。隨著“智慧地球”概念的逐漸被人們認(rèn)識，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展，目前智慧交通、智慧城市概念已經(jīng)深入人心，在教育行業(yè)同樣也涌現(xiàn)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(xué)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(jìn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)核心，通過信息技術(shù)為用戶提供一個自動感知的實驗教學(xué)環(huán)境，與綜合信息服務(wù)平臺一起協(xié)同實現(xiàn)實驗室的可視化智能管理，實現(xiàn)萬物互聯(lián)、人機(jī)互動、人員協(xié)同的高度信息化。薛耀鋒等［7］認(rèn)為智慧實驗室是從用戶實際需求出發(fā)，依據(jù)智慧教學(xué)理論建設(shè)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(shù)，打造網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理的科學(xué)化、規(guī)范化高校實驗室，提高管理效率，提升管理水平，整合相關(guān)業(yè)務(wù)，發(fā)揮各種資源的作用。劉宏等［9］提出基于現(xiàn)有校園網(wǎng)，綜合運(yùn)用計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、EDA 技術(shù)，引入虛擬現(xiàn)實軟硬件，模擬實驗環(huán)境，仿真實驗過程，得出實驗數(shù)據(jù)，評判、打印實驗結(jié)果。綜上所述，智慧實驗室都包含著使用新技術(shù)達(dá)到智能化的概念，但都未提到智慧實驗的內(nèi)容。

智慧實驗教學(xué)中心是為實驗教學(xué)提供智慧管理、智慧教學(xué)、智慧環(huán)境的現(xiàn)實空間和虛擬空間總和。智慧實驗教學(xué)中心是在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)推動下的實驗中心信息化建設(shè)的最新形態(tài)，其核心目標(biāo)是通過智慧管理、智慧實驗、智慧環(huán)境達(dá)到智慧教學(xué)。智慧實驗中心區(qū)別于傳統(tǒng)實驗教學(xué)中心的根本特征在于智慧實驗。

2 智慧實驗教學(xué)中心系統(tǒng)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(huán)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(xué)中心“EME”概念模型

智慧實驗是智慧實驗教學(xué)示范中心的核心，由實驗教學(xué)中心的本體功能即實踐教學(xué)所決定，智慧實驗利用智能技術(shù)可以加快推動人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，構(gòu)建新型的教育體系。如利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以開設(shè)傳統(tǒng)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(tǒng)實驗易受場地、儀器設(shè)備數(shù)量的限制、設(shè)備耗材消耗、實驗安全、學(xué)生不能自主實驗等問題［10］，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)生實驗提供以學(xué)生為中心的、體驗式的、協(xié)助學(xué)習(xí)的身臨其境的環(huán)境［11］，擴(kuò)展了實驗室的邊界，能夠為學(xué)習(xí)者理解實驗原理、掌握實驗方法提供豐富的學(xué)習(xí)資源［12］。智慧實驗還體現(xiàn)在對學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)的一種支持，能根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格等特點制定不同的實驗策略和指導(dǎo)，讓每個學(xué)生都有效學(xué)習(xí)。

智慧管理是智慧實驗教學(xué)中心的手段，智慧實驗教學(xué)中心的智慧管理在于挖掘和提升實驗中心的運(yùn)行效果，促成管理的智能化。智慧管理的目標(biāo)將智慧資源和智慧能力運(yùn)用于工作和實踐，以實現(xiàn)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(jié)合，將個體智慧通過激勵、培育、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化等，上升為組織決策智慧，提升組織決策的科學(xué)性；從工具層面看，通過管理系統(tǒng)實現(xiàn)智慧碰撞、提升、轉(zhuǎn)化，為組織提供智慧資源，并將其轉(zhuǎn)化為智慧能力，運(yùn)用于具體實踐，為組織發(fā)展提供有效的智慧保障。智慧管理核心是運(yùn)行機(jī)制，要通過人才激勵機(jī)制、資源析出機(jī)制、能力培育機(jī)制、共享擴(kuò)散機(jī)制、整合創(chuàng)新機(jī)制、效果評估機(jī)制以及價值實現(xiàn)機(jī)制的有效運(yùn)行來推動智慧管理的實施［13］。

智慧環(huán)境是智慧實驗教學(xué)示范中心的載體?！熬呱碚J(rèn)知”理論認(rèn)為人的生理體驗和心理狀態(tài)直接有著強(qiáng)烈的聯(lián)系，環(huán)境也是認(rèn)知系統(tǒng)的一個組成部分，環(huán)境可以幫助存儲認(rèn)知信息［14］，可見實驗室環(huán)境也是師生學(xué)習(xí)的重要影響因素之一，研究表明實驗教學(xué)中心使用泛在智能技術(shù)能使師生以更簡單自然的方式獲取信息和接受服務(wù)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。如采用人工智能等技術(shù)，建設(shè)具有實時感知實驗中心內(nèi)的溫度、濕度、光亮、人流量等智慧感知功能并自動調(diào)整室內(nèi)氣溫環(huán)境，從而可全身心投入學(xué)習(xí)。智慧環(huán)境還體現(xiàn)在實驗中心學(xué)習(xí)空間，如創(chuàng)設(shè)主題“創(chuàng)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(jīng)驗等；改造門廳樓道等公共空間，通過人性化規(guī)劃，讓師生有一個氛圍舒適的實驗室內(nèi)外的學(xué)習(xí)空間；并可規(guī)劃為創(chuàng)作區(qū)、交互區(qū)、展示區(qū)、探究區(qū)、交流區(qū)、發(fā)展區(qū)等不同功能區(qū)域。

3 智慧實驗教學(xué)中心建設(shè)途徑

3.1 打造安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、開放共享的智慧實驗系統(tǒng)

（1）虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗是指利用虛擬現(xiàn)實或計算機(jī)仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)一種類似真實實驗教學(xué)的場景、裝置和方法，能夠豐富和改善現(xiàn)有的教學(xué)手段，加深學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解，能夠為實驗者帶來沉浸感、交互性和想象性，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。虛擬仿真實驗相比較于真實實驗，具有以下優(yōu)點?？梢越鉀Q真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)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(huán)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(tài)區(qū)生物學(xué)野外實習(xí)等實驗；可以用于不可逆操作實驗，降低實驗對象的風(fēng)險，如核電站的運(yùn)行、腰椎穿刺術(shù)等訓(xùn)練；可以用于大型復(fù)雜場景的實驗，解決真實情況下無法實現(xiàn)實驗的問題，如民航機(jī)場的調(diào)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(xué)，可以規(guī)避一些實驗倫理的風(fēng)險，同時也體現(xiàn)出一種人本主義的關(guān)懷，學(xué)生在智慧實驗訓(xùn)練中可以大膽操作且無風(fēng)險，心理壓力減少有利于提高訓(xùn)練水平。虛擬現(xiàn)實技術(shù)一般可支持海量用戶集中應(yīng)用，為校外用戶大規(guī)模共享開放，成本效益更佳?？偠灾腔蹖嶒灲虒W(xué)中心通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠突破了傳統(tǒng)實驗室時空限制，也較好解決了實驗設(shè)備條件的局限。

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

（3）智能程序設(shè)計學(xué)習(xí)助手。智能程序設(shè)計學(xué)習(xí)助手是通過識別程序設(shè)計初學(xué)者遇到的困難并通過開發(fā)平臺向?qū)W生提供自動化的幫助，同時還能幫助教師監(jiān)測學(xué)生進(jìn)步的一種智能軟件。由于高校普遍存在的班級人數(shù)較多的情況，在計算機(jī)程序設(shè)計練習(xí)環(huán)節(jié)，一個學(xué)生平均每節(jié)課和老師交流的時間不到2 min，學(xué)生得到教師的指導(dǎo)極其有限，學(xué)生有時會花很長時間試圖修正簡單的錯誤，造成學(xué)習(xí)效率低下，教師在幫助同學(xué)解決問題的同時，對其他同學(xué)在實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的進(jìn)展情況也不能很好指導(dǎo)，一定程度上影響教師的工作。學(xué)習(xí)助手通過收集和識別學(xué)生端的代碼，能智能識別常見錯誤并提示學(xué)生，并顯示哪些學(xué)生需要最少的幫助，哪些學(xué)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(xué)生對編程知識的掌握情況，使教師教學(xué)更有針對性，有效提高程序設(shè)計教學(xué)效果。

3.2 規(guī)劃設(shè)計人機(jī)協(xié)同的智慧管理系統(tǒng)

（1）重視智慧管理。云計算，大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)日趨成熟，一定程度上拓寬了其應(yīng)用范圍，尤其在管理事務(wù)中具有極其重要的應(yīng)用價值，智能化社會已經(jīng)成為必然趨勢，實驗教學(xué)中心的信息化建設(shè)務(wù)必走向智慧化。在智慧化建設(shè)過程中，全體人員需要緊跟時代發(fā)展，統(tǒng)一思想，重新認(rèn)識智慧管理對實驗教學(xué)中心建設(shè)的重要意義，聚焦智慧管理工作，科學(xué)做好智慧管理發(fā)展規(guī)劃，平穩(wěn)有序推進(jìn)智慧管理的迭代更新，逐步擺脫傳統(tǒng)管理模式所具有的局限性。

（2）注重智慧管理標(biāo)準(zhǔn)化。智慧管理標(biāo)準(zhǔn)化須具有一定的超前性，方能保證建設(shè)過程的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，減少不同系統(tǒng)的沖突及不兼容現(xiàn)象。在進(jìn)行智慧管理過程中須基于國家信息標(biāo)準(zhǔn)，確保和學(xué)校管理信息具有高度的一致性，保障信息整合和交互的準(zhǔn)確性，盡量預(yù)留擴(kuò)充接口，為以后的擴(kuò)充升級提供便利。之前由于我國缺少一個明確且強(qiáng)制性的教育管理信息標(biāo)準(zhǔn)，造成了不同管理系統(tǒng)之間信息標(biāo)準(zhǔn)各異，從而導(dǎo)致信息平臺之間無法高效對接整合?！扒败囍b，后事之師”，在智慧管理系統(tǒng)實施過程中，務(wù)必對教育管理信息規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行具體細(xì)致制定，在采購系統(tǒng)時也考慮選擇能夠?qū)崿F(xiàn)相互兼容的管理系統(tǒng)，為以后的持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

（3）整合現(xiàn)有管理系統(tǒng)。實驗教學(xué)中心經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)建成了較多信息管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)有部分可以作為智慧管理體系的基礎(chǔ)，在充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，淘汰已經(jīng)完全落后的系統(tǒng)，更新有待升級的系統(tǒng)。此外，引進(jìn)先進(jìn)管理系統(tǒng)，有效整合原有管理系統(tǒng)，形成智慧決策，注重人機(jī)協(xié)同實現(xiàn)可視化管理。最后，需要進(jìn)行系統(tǒng)云端化以利于系統(tǒng)的穩(wěn)定；開發(fā)手機(jī)客戶端以利于學(xué)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(tǒng)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(shè)過程中各個環(huán)節(jié)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(shè)的安全開展。

3.3 建設(shè)安全和諧精準(zhǔn)控制的智慧環(huán)境空間

（1）建設(shè)智能化的非正式學(xué)習(xí)空間。非正式學(xué)習(xí)空間是指高校除正式教學(xué)空間（如教室）之外用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)探究的空間環(huán)境，包括圖書館、廊道實體空間和學(xué)習(xí)網(wǎng)站、在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)虛擬學(xué)習(xí)空間［16］。非正式學(xué)習(xí)空間是校園學(xué)習(xí)空間的有機(jī)組成部分，是對正式學(xué)習(xí)空間的延伸和補(bǔ)充，學(xué)生可自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法以及學(xué)習(xí)伙伴伴侶。

非正式學(xué)習(xí)空間有著非常重要的作用［17］，① 可以提供個性化學(xué)習(xí)空間，非正式學(xué)習(xí)空間注意觀察和了解學(xué)習(xí)者的需求，能夠給學(xué)生帶來空間參與性、選擇性和成就感，對不同的學(xué)生進(jìn)行差異化的關(guān)心。②可以促進(jìn)協(xié)助交流，非正式學(xué)習(xí)空間營造出一種輕松的學(xué)習(xí)氛圍，師生關(guān)系更融洽，伙伴關(guān)系更寬松，有利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維和團(tuán)隊精神，能讓身體所處之地立刻成為學(xué)習(xí)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(shè)置一些桌椅就可以吸引學(xué)生就地學(xué)習(xí)，達(dá)到桃李不言的功效。從實驗教學(xué)中心發(fā)展的角度來看，非正式學(xué)習(xí)空間的創(chuàng)設(shè)為當(dāng)下實驗教學(xué)改革和實驗中心建設(shè)創(chuàng)造了一種文化，對其發(fā)展有持久的正影響。

非正式學(xué)習(xí)空間的建設(shè)要以人為本，①因地制宜原則?？紤]實驗中心的空間和與文化，不要強(qiáng)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(shè)施，便于學(xué)生自行調(diào)整和轉(zhuǎn)換，注重開放性，反對封閉性，提供必要的電源和網(wǎng)絡(luò)以及交互大屏等設(shè)備。③ 舒適原則。營造較為輕松和自由的文化基調(diào)，桌椅、裝飾、燈光等有機(jī)結(jié)合，展示實驗中心兼具科學(xué)與文化的精神風(fēng)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(shè)備管理自動化程度不高、安全管理智能化程度低下、環(huán)境管理不夠節(jié)能環(huán)保、資源管理共享效率低下的現(xiàn)象。實驗室環(huán)境智慧化能對以上問題進(jìn)行針對性化解。

室內(nèi)空氣智能控制系統(tǒng)通過檢測和分析室內(nèi)害氣體的濃度，并將結(jié)果反饋給智能通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)空氣管理策略自動調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)使空氣質(zhì)量保持在安全范圍之內(nèi)，實現(xiàn)空氣質(zhì)量的智能管理。室內(nèi)燈光智能控制系統(tǒng)實時采集室內(nèi)光照強(qiáng)度，根據(jù)燈光管理策略實時調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度，實現(xiàn)制室內(nèi)光的智能環(huán)境。門禁系統(tǒng)可以根據(jù)實驗室使用預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)行自動開關(guān)門，有利學(xué)生自主實驗的管理。

監(jiān)控系統(tǒng)集成視頻行為識別和分析系統(tǒng)，自動統(tǒng)計分析參加實驗的學(xué)生人時數(shù)，對特定區(qū)域人員進(jìn)入等行為發(fā)出警報，對發(fā)出的緊急狀況能夠自動報警，提高實驗中心的安全系數(shù)。

4 結(jié)語與展望

智慧實驗教學(xué)中心是實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)趨勢和研究方向，能夠給實驗中心及高校發(fā)展帶來廣闊的前景，對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力帶來提升，在實際建設(shè)過程中要加強(qiáng)頂層設(shè)計，注重標(biāo)準(zhǔn)兼容，避免建成信息孤島；加強(qiáng)可行性分析，注重實際應(yīng)用，避免建成“空中樓閣”；加強(qiáng)內(nèi)涵建設(shè)，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(shè)不是簡單的“技術(shù)+實驗中心”或“實驗中心+技術(shù)”等要素相加，而是“實驗中心×技術(shù)”的要素融合。凸顯信息技術(shù)與實驗中心的教學(xué)管理融合創(chuàng)新、突出技術(shù)的適用性及使用方法的便捷性才是智慧實驗教學(xué)中心建設(shè)的初心和使命。