物聯(lián)網(wǎng)+教育，從虛擬實(shí)驗(yàn)到影子系統(tǒng)

魏忠

從2013年開始，教育部就不斷在全國(guó)高等院校推廣虛擬實(shí)驗(yàn)室，花重金打造全國(guó)各種專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。在此措施的激勵(lì)下，全國(guó)各地掀起了一場(chǎng)以“Flash”為核心的動(dòng)畫虛擬實(shí)驗(yàn)室的浪潮。很多學(xué)校的教師甚至教育主管部門對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室都存在誤解。例如，一個(gè)非常主流的制作虛擬課件的公司宣稱：“通過(guò)高仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以看到機(jī)器內(nèi)部的真實(shí)構(gòu)造。因?yàn)榧词沟浆F(xiàn)場(chǎng)，由于機(jī)器三年檢修一次，學(xué)生也只能看圖紙，有了虛擬化，學(xué)生就能夠看清楚內(nèi)部構(gòu)造?！边@就是典型的虛擬化誤區(qū)，一名工程師最起碼應(yīng)具有看圖能力和根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)畫圖能力，如果用虛擬仿真代替或者減弱學(xué)生的看圖和圖紙想象能力，這種虛擬化其實(shí)是一種災(zāi)難。

在我看來(lái)，虛擬教學(xué)的核心不是節(jié)省費(fèi)用，更不是以絢麗的三維動(dòng)畫代替學(xué)生的工程想象能力，而是為了體現(xiàn)比實(shí)體系統(tǒng)更加真實(shí)和抽象的“教育之真”。例如，荷蘭的一位教授在2009年開始跨越歐盟十幾個(gè)國(guó)家，觀摩遠(yuǎn)程虛擬電力發(fā)電實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)里跳動(dòng)的數(shù)字和發(fā)電過(guò)程的虛擬化場(chǎng)景，不僅有遠(yuǎn)程多個(gè)不同部件的實(shí)驗(yàn)室真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)回饋，更重要的是它比參觀現(xiàn)實(shí)的發(fā)電站更具有真實(shí)性，這些匯集起來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)的邏輯思維有很大的幫助。

這就像看了再多的關(guān)于愛(ài)情的文學(xué)作品，都不能代替一個(gè)年輕人去真正談一場(chǎng)戀愛(ài)，“教育即生活、學(xué)校即社會(huì)”，學(xué)校是大千世界的真實(shí)映射。這種映射，不是減弱大千世界的真實(shí)印象，而是加強(qiáng)這種印象。對(duì)于年輕人來(lái)講，學(xué)校就是一所增強(qiáng)版的“戀愛(ài)實(shí)驗(yàn)室”，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生不僅能夠體會(huì)實(shí)體的青春萌動(dòng)，更重要的是附加上象牙塔之外不容易存在的“愛(ài)情的詩(shī)歌、音樂(lè)”等增強(qiáng)版的虛擬因素，使得“愛(ài)情”這種感覺(jué)由于升華而更加真實(shí)。實(shí)體的和虛擬增強(qiáng)的因素，構(gòu)成了“影子系統(tǒng)”（如上頁(yè)圖1、圖2），為學(xué)生打造了“改造世界的信息模板”以及“高于現(xiàn)實(shí)的教育之真”。

以滬江網(wǎng)為代表的新一代教育，動(dòng)輒3000人同時(shí)在線的課堂已經(jīng)成為常態(tài)，這就是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的時(shí)代，而被技術(shù)改變的教育通過(guò)將不屬于教育的“互聯(lián)網(wǎng)+”扔到網(wǎng)上以后，會(huì)進(jìn)入一個(gè)“物聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代，這個(gè)時(shí)代，就是云地一體化、虛實(shí)一體化的實(shí)驗(yàn)影子系統(tǒng)（如圖3）。

基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的影子系統(tǒng)，包含以下重要概念的整合和升級(jí)。

1.模擬實(shí)驗(yàn)。模擬是對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬。模擬要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。其關(guān)鍵問(wèn)題包括有效信息的獲取、關(guān)鍵特性和表現(xiàn)的選定、近似簡(jiǎn)化和假設(shè)的應(yīng)用，以及模擬的重現(xiàn)度和有效性。

模擬最重要的是簡(jiǎn)化，通過(guò)簡(jiǎn)化和關(guān)鍵特征的抽取，最容易體現(xiàn)知識(shí)的邏輯，然而這種簡(jiǎn)化如果不適當(dāng)，還不如書本和數(shù)學(xué)公式來(lái)得貼近“教育之真”。例如，在一所職業(yè)技術(shù)學(xué)院的簡(jiǎn)化版的以動(dòng)畫為核心的精密加工模擬環(huán)境中，學(xué)生能夠看到的僅僅是動(dòng)畫和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的輸入輸出。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，模擬系統(tǒng)能夠抽象出不同車床的各種噪音，以噪音的特征值反映不同故障，讓學(xué)生還原故障可能的錯(cuò)誤操作，雖然沒(méi)有了動(dòng)畫，但是學(xué)生學(xué)習(xí)與體驗(yàn)更加深刻。

2.仿真實(shí)驗(yàn)。仿真即使用項(xiàng)目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉(zhuǎn)化為它們對(duì)目標(biāo)的影響，該影響是在項(xiàng)目整體的層次上表示的。例如，上海第二軍醫(yī)大學(xué)的護(hù)理實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)野戰(zhàn)護(hù)理的場(chǎng)景仿真，以及在環(huán)境中利用電視屏幕對(duì)火災(zāi)、地震、洪水、化學(xué)災(zāi)難的環(huán)境仿真，需要訓(xùn)練的是在不同環(huán)境中學(xué)生的野戰(zhàn)護(hù)理流程和專業(yè)素養(yǎng)。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的、三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真。以Flash等方式開發(fā)虛擬的在線實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果將保存在教學(xué)平臺(tái)中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)自學(xué)活動(dòng)及成績(jī)的有效管理。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表面上是為了節(jié)省資金和教育經(jīng)費(fèi)，事實(shí)上最重要的目標(biāo)是沉浸，如果沒(méi)有真正的沉浸，這種節(jié)省是毫無(wú)用途的，甚至是有害的。在沉浸系統(tǒng)的發(fā)展中，眼鏡技術(shù)和虛實(shí)一體化是重要的發(fā)展方向，在教育中虛擬現(xiàn)實(shí)不僅要反映三維實(shí)景的真實(shí)性，更要體現(xiàn)實(shí)景背后的教育之真以及學(xué)生由于沉浸系統(tǒng)而模擬出來(lái)的情感和體驗(yàn)。

4.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)、聲音、味道、觸覺(jué)等），通過(guò)計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在。

2011年，在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系，一位教師就利用視頻互動(dòng)技術(shù)做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，即先讓學(xué)生打一套太極拳，再讓計(jì)算機(jī)中的機(jī)器人模仿學(xué)生的樣子打拳，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太極拳的套路對(duì)學(xué)生的表演打分。5年過(guò)去了，原先看起來(lái)高端的科研，目前已經(jīng)能夠在開源軟件中非常廉價(jià)、便利地獲得了。例如，學(xué)生只要有手機(jī)，就可以通過(guò)APP軟件跟蹤實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，被選擇的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，會(huì)在手機(jī)上展現(xiàn)疊加出來(lái)的圖層：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀態(tài)、名稱、參數(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的及時(shí)數(shù)據(jù)、使用視頻和所有普適計(jì)算相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)都是實(shí)驗(yàn)室智能系統(tǒng)預(yù)設(shè)的和通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)收集的。

5.遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)采用多種物聯(lián)設(shè)備，獲取實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)信息及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行設(shè)備的管理與運(yùn)行。相比前面的各種影子系統(tǒng)，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。2010年，上海中醫(yī)藥大學(xué)動(dòng)物房就通過(guò)實(shí)驗(yàn)老鼠的遠(yuǎn)程視頻，完成了學(xué)生在宿舍中連續(xù)觀察老鼠實(shí)驗(yàn)活性的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。圖4是西安工程大學(xué)圖形圖像實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)LABVIEW，將遠(yuǎn)程的印染機(jī)的信號(hào)和試驗(yàn)箱的信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綄W(xué)生客戶端，再通過(guò)虛擬系統(tǒng)和實(shí)際信號(hào)疊加還原成現(xiàn)場(chǎng)的“影子系統(tǒng)”。

6.知識(shí)地圖。通過(guò)二維碼、地理信息系統(tǒng)GIS、WIFI定位、位置傳感器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與PC端的交互，可以快速地連接相關(guān)信息，如課表信息、知識(shí)信息、gis地圖、微課、設(shè)備信息等。

影子系統(tǒng)，作為一個(gè)連接實(shí)體資源與知識(shí)資源的技術(shù)的系統(tǒng)，還需要很多的實(shí)驗(yàn)信息系統(tǒng)的支撐才能做到數(shù)據(jù)科學(xué)的應(yīng)用。這些系統(tǒng)包括資產(chǎn)管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、科研協(xié)同系統(tǒng)、項(xiàng)目管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)物聯(lián)系統(tǒng)、在線課程、微課平臺(tái)、排課系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)，等等。

技術(shù)是為教學(xué)服務(wù)的，影子系統(tǒng)的核心是教學(xué)，一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)中，將師生教學(xué)融入其中，教學(xué)設(shè)計(jì)也最為關(guān)鍵。