智慧实验-教育信息化新阵地

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1、智慧实验:教育信息化新阵地［摘要］文章阐述了智慧实验的基本概念、系统架构和功能组成，介绍和分析了国外已有的代表性实例，设计和开发了智慧实验原型系统，为智慧实验的进一步发展提供参考。［关键词］智慧教育；智慧实验；虚拟现实；增强现实分类号］G434［文献标志码］A［作者简介］薛耀锋(1977—)，男，山东冠县人。副研究员，博士，主要从事教育信息化研究。E-mail:yaofeng.xue@163.com。一、引言2013年诺贝尔化学奖颁给了美国哈佛大学马丁•卡普拉斯(MartinKarplus)教授，美国斯

2、坦福大学迈克尔•莱维特(MichaelLevitt)教授和美国南加州大学阿里耶•瓦谢勒(AriehWarshel)教授，奖励他们为计算机模拟复杂化学过程提供了系统化的理论基础，促进了化学实验的信息化发展，“把化学实验室搬上了网络”。［1］这三位科学家的突出科研成果可以看作是实验教学信息化发展的又一个里程碑，对未来实验教学的发展和研究工作具有很大的启而我国在2010年发布的国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）也对未来实验教学的发展给出了明确指导意见，“建立虚拟实验室”，“增强学生科学实

3、验的成效”。［2］同时，国家教育信息化十年发展规划（2011—2020年）中也提到“建设实验系统、虚拟实验室”，“遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统”。［3］可见，国家教育主管部门从顶层设计视角对未来实验教学的发展给出了明确的发展规划。在此背景下，结合教育信息化的发展方向，本文阐述了智慧实验的定义、理论基础、系统架构和功能组成，介绍与分析国外已有的典型实例，揭示智慧实验的未来发展趋势。二、智慧实验（一）定义和理论支撑随着信息技术对教育的深入影响，智慧教育成为学界的又一研究热点。智慧教育以智慧学习环

4、境为技术支撑、以智慧教学法为催化促导、以智慧学习为根本基石。［4］智慧教育是经济全球化、技术变革和知识爆炸的产物，也是教育信息化发展的必然阶段。［5］而智慧实验是智慧教育的重要组成之一，也是智慧教育具体教学应用的一种主要形式。智慧实验是实验教学与信息技术深度融合的产物［6］，是教育信息化发展的新阵地。智慧实验以满足学习者和科研工作者的实际需求为最终目标，以智慧教学理论为教学指导，以情境感知(ContextAwareness)、泛在计算(UbiquitousComputing)、人工智能(Artifici

5、alIntelligence)等先进的信息技术理论为支撑，为广大学习者和科研人员提供个性化、多样化的实验教学和科研服务。智慧实验的理论支撑图式如图1所示。在智慧实验范畴中，学习者和科研人员是整个体系的核心，是以人为本理念的具体体现。智慧教学理论、人工智能理论、情境感知理论和泛在计算理论都是紧紧围绕这一核心服务的。智慧教学理论强调信息技术对教学方式和教学过程的变革作用，建构文化共享的学习共同体。［7］智慧教学理论根据教学情境的特点和约束条件，保持技术、学科知识和教学法三者的动态平衡，并选择应用恰当的教学法

6、、学科内容以及支持技术，促进学习者智慧学习的发生和智慧行为的涌现。［8］智慧教学理论是对具体教学情境中技术与学科知识、教学方法的复杂关系的平衡与权变，为寻求最为妥当的教学处理方案提供一种可能。［9］在智慧实验中，智慧教学理论为学习者和科研人员提供智慧教学服务，转变单一、落后的实验教学模式，以实验学习者为核心对象，采用多样化的实验教学模式，激发学生的学习积极性，促进学生对学科知识的理解和掌握，提升学生的实验动手能力和实践能力，培养学生的创新精神，形成个性化的培养新模式。人工智能是研究人类智能行为（如感知、

7、记忆、推理、证明、学习、思考等）机器化的综合性学科，是极具发展潜力的前沿学科之一，也是引导人类社会科学技术发展的重要学科之一。自20世纪50年代末以后，人工智能作为涉及计算机、心理、自动控制、仿生等多学科的交叉产物得到不断发展，研究成果从图灵机理论模型、图灵准则、形式化计算、数理逻辑、知识推理、专家系统、人工神经网络、模式识别、机器学习到人工生命无所不有。人工智能的研究成果也被广泛地应用于人类社会等各个领域，如机器问答、进化机器人、人工大脑、虚拟三维场景、智能决策、语言识别、人工神经元、智能医疗诊断、人

8、脸识别、智能体等。进入21世纪以来，随着人工智能理论体系的日趋完善和一些重大理论的研究突破，人工智能进入了高等人工智能的发展新阶段。[10]在智慧实验中，借助人工智能的知识表征理论、知识推理技术、专家系统、机器学习理论与智能算法等技术理论的支撑，实现实验装备和实验教学系统的智能化水平提升，突破语义鸿沟屏障，为学习者、科研人员与实验装备和实验教学系统之间架起双向的信息交互桥梁，实现人与机器的无障碍交互和自然交互。对于情境，学者Dey给出了一个