“智能場景—任務(wù)驅(qū)動”的智慧實驗學(xué)習(xí)空間設(shè)計

于 方

（包頭師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014030）

0 引 言

我國教育信息化正由初步應(yīng)用融合階段向全面融合創(chuàng)新階段過渡，從國家、地區(qū)、學(xué)校與學(xué)習(xí)者各個層面來看，教育信息化的發(fā)展內(nèi)涵更注重創(chuàng)新應(yīng)用與追求卓越智慧，這種以信息技術(shù)為支撐、以智慧教學(xué)法為引導(dǎo)、以智慧學(xué)習(xí)為基石的智慧教育生態(tài)理念正在得到大眾的熟知和認(rèn)可，并被不斷地實踐運用[1]。實驗教學(xué)是具有明顯實踐性和應(yīng)用性的一種教學(xué)活動，在當(dāng)前教育信息化的浪潮下，國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020 年）[2]和國家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）[3]中對未來實驗教學(xué)的發(fā)展給出指導(dǎo)意見，建議通過各種信息化技術(shù)手段“建設(shè)實驗系統(tǒng)”“建立虛擬實驗室”“開發(fā)虛擬仿真實訓(xùn)實驗系統(tǒng)”等，來“增強學(xué)生科學(xué)實驗的成效”[4]?？梢钥吹剑瑖医逃鞴懿块T從頂層設(shè)計視角對未來實驗教學(xué)的發(fā)展給出了明確的發(fā)展規(guī)劃。

智慧實驗是實驗教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是教育信息化發(fā)展的新陣地[5]。在此背景下，筆者借鑒真實實驗活動具有的“場景化”和“任務(wù)驅(qū)動”特點，提出一種基于“任務(wù)場景智能推送”+“任務(wù)線性流式驅(qū)動”理念的智慧實驗學(xué)習(xí)空間，將實驗任務(wù)“場景化”組織、“卡片式”呈現(xiàn)、“智能化”推送，以“學(xué)習(xí)需求驅(qū)動工具使用”的方式組織、集成相關(guān)實驗工具，為學(xué)習(xí)者提供一個提高學(xué)習(xí)者實驗技能和實踐能力、提升實驗學(xué)習(xí)智慧力的虛擬學(xué)習(xí)空間。

1 “智慧實驗”之研究現(xiàn)狀

1.1 文獻研究情況

在CNKI以“智慧實驗”“智慧實驗教學(xué)”“實驗教學(xué)信息化” 或“實驗信息化教學(xué)”為主題進行模糊檢索，可以了解我國在“智慧實驗”領(lǐng)域近十年的研究內(nèi)容和研究趨勢。分析這些文獻可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)“智慧實驗”的研究成果數(shù)量并不多，涉及的學(xué)科領(lǐng)域主要集中在“高等教育”“計算機軟件或計算機應(yīng)用”“教育理論與教育管理”等，說明高等教育對“智慧實驗”的教育理論與實踐有著較高的研究興趣；中等教育、職業(yè)教育、醫(yī)學(xué)教育等領(lǐng)域則主要涉及具體學(xué)科虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用分析等，代表性成果有實驗教學(xué)信息化平臺建設(shè)研究[6-8]、虛擬仿真實驗（室）的應(yīng)用性研究[9]、國外虛擬仿真實驗綜述性研究[10]、基于虛擬仿真實驗環(huán)境的實驗教學(xué)研究[11]、實驗教學(xué)資源建設(shè)研究[12]等；還有針對某一學(xué)科“智慧化”實驗教學(xué)的探索與實踐，如中學(xué)地理[13]、中學(xué)化學(xué)[14]、大學(xué)物理[15]、藝術(shù)類課程智慧實驗教學(xué)信息化研究等[16]，其中，華東師范大學(xué)薛耀鋒等人[17]對智慧實驗的基本概念、系統(tǒng)架構(gòu)和功能組成以及國外代表性實例進行了深入研究，設(shè)計開發(fā)了智慧實驗原型系統(tǒng)并在上海中學(xué)地理課中進行應(yīng)用，取得了不錯的實驗效果。

1.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

產(chǎn)業(yè)界對“智慧教育”的關(guān)注度很高，并且已經(jīng)研發(fā)出和智慧教育相關(guān)的智能硬件設(shè)備和智慧學(xué)習(xí)產(chǎn)品，提供整套的“智慧教育”解決方案。以2016年中國國際智慧教育展覽會為例，這次展覽代表了最新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和新型應(yīng)用產(chǎn)品，涉及的參展主題和產(chǎn)品內(nèi)容主要有校園信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 、信息化平臺建設(shè) 、信息化管理與運營與數(shù)字化資源等。其中只有一個板塊是有關(guān)“實驗室及實訓(xùn)平臺”的，產(chǎn)品級應(yīng)用主要是提供“智慧實驗室”的設(shè)計和實施方案，通過物聯(lián)網(wǎng)和通信等技術(shù)組織各種智能化實驗設(shè)備以實現(xiàn)交互式教學(xué)，達到在此智慧實驗室中的“物、人、系統(tǒng)”之間的聯(lián)通和感知。顯然，設(shè)備和工具成了這場“智慧實驗教學(xué)”的主角。

2 智慧實驗學(xué)習(xí)空間設(shè)計

現(xiàn)階段很多關(guān)于“智慧實驗”的研究和應(yīng)用主要集中在虛擬(仿真)實驗（室）的建設(shè)方面，包括實驗環(huán)境和實驗工具的網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和仿真化，旨在研究如何突破時空限制、創(chuàng)造逼真的實驗效果以及提供豐富的實驗工具，這類虛擬實驗有一個明顯的特征，即“工具驅(qū)動學(xué)習(xí)”。智慧實驗不僅要在虛擬空間中體會真實實驗的場景感，更應(yīng)該將“智慧教學(xué)理念”和“以學(xué)習(xí)者為中心”的學(xué)習(xí)理念有機融合在這種智能實驗裝備和智能實驗環(huán)境中，體現(xiàn)“智慧引導(dǎo)、智能環(huán)境和自主學(xué)習(xí)”。本文提出的智慧實驗學(xué)習(xí)空間，簡稱為WELS（Wisdom Experiment Learning Space），以實驗學(xué)習(xí)活動驅(qū)動實驗工具的使用，為學(xué)習(xí)者提供一個能夠感受真實實驗學(xué)習(xí)體驗、智能使用的實驗工具、實現(xiàn)實驗學(xué)習(xí)活動與智能裝備雙向交互的“智慧型”實驗學(xué)習(xí)空間，促進實驗技能的提升。

2.1 WELS的支撐理論

WELS是基于智慧教育理念的一種數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，是整合虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和個人學(xué)習(xí)環(huán)境的新型學(xué)習(xí)形態(tài)[18]，學(xué)習(xí)者在虛擬的實驗空間中以“場景”組織實驗學(xué)習(xí)活動。WELS以“情境學(xué)習(xí)”“活動理論”“精準(zhǔn)教學(xué)”等作為理論支撐，在智慧實驗學(xué)習(xí)空間中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動、學(xué)習(xí)評價、場景推送會產(chǎn)生海量的動態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)存儲和計算技術(shù)如云計算、學(xué)習(xí)分析等新興信息技術(shù)手段作為物理實現(xiàn)基礎(chǔ)。

“情境學(xué)習(xí)理論[19]認(rèn)為知識具有情境性，學(xué)習(xí)是一種參與情境的過程，實驗學(xué)習(xí)本身就是一種“情境化”學(xué)習(xí)。WELS的設(shè)計以實驗場景的不斷創(chuàng)設(shè)和智能推送來引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的實驗學(xué)習(xí)活動，在實驗情境中建構(gòu)實驗知識和技能。實驗學(xué)習(xí)也是一種學(xué)習(xí)活動，WELS是基于這種學(xué)習(xí)活動的虛擬學(xué)習(xí)空間，提供以“實驗學(xué)習(xí)活動”為中心的資源、工具、學(xué)習(xí)者之間的組織與重構(gòu)，同時遵循“活動理論”對個人學(xué)習(xí)空間的構(gòu)建要求[20]。WELS通過對實驗場景的智能推送體現(xiàn)“智慧實驗”之智，這種教學(xué)模式采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)生成精準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)，開發(fā)適合的教學(xué)材料，設(shè)計適宜的教學(xué)活動進行教學(xué)；通過頻繁地測量與記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，以精確判定學(xué)習(xí)者存在的當(dāng)前問題及潛在問題，針對判定的問題，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)決策技術(shù)以對教學(xué)策略進行精準(zhǔn)的優(yōu)化和干預(yù)[21]。

2.2 WELS的實驗任務(wù)設(shè)計

2.2.1 實驗任務(wù)要素設(shè)計

WELS的實驗場景中按粒度從小到大有3類關(guān)鍵實驗任務(wù)要素。一是實驗學(xué)習(xí)活動的“原子性”設(shè)計。WELS對實驗學(xué)習(xí)活動的設(shè)計都是從真實實驗活動或?qū)嶒瀸W(xué)習(xí)中抽取出來的具有一定“原子性”的實驗學(xué)習(xí)活動單元，每個學(xué)習(xí)活動之間沒有交叉和相交關(guān)系，只有線性和順序關(guān)系。這樣，在相對獨立的每個實驗學(xué)習(xí)活動單元內(nèi)部進行的學(xué)習(xí)行為具有易評判性和可跟蹤性。二是實驗工具集的“集成度”設(shè)計。WELS對一個實驗學(xué)習(xí)活動中可能用到的實驗工具、實驗平臺、實驗服務(wù)等集成一個實驗工具“數(shù)據(jù)庫”，存儲與該實驗工具相關(guān)的文檔、數(shù)據(jù)、軟件等。在實驗過程中需要用到的實驗工具由實驗場景智能化提供，使學(xué)習(xí)者非常明確該工具的使用場合，具有“學(xué)習(xí)驅(qū)動工具”的特點。三是實驗場景的“動靜聯(lián)動”設(shè)計。WELS能提供“靜動結(jié)合”的智能化實驗場景推送，即依據(jù)學(xué)習(xí)者當(dāng)前的學(xué)習(xí)程度和學(xué)習(xí)水平，智能化地提供可選擇的實驗場景?！办o”是指如果學(xué)習(xí)者的各項學(xué)習(xí)成果指標(biāo)達到當(dāng)前的要求，則會按照事先設(shè)定的路徑執(zhí)行下一個實驗場景；如果未達到既定目標(biāo)或?qū)W習(xí)者個人有重新再實驗的學(xué)習(xí)意愿，則會啟用“動”的策略，推送符合學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)需求的實驗場景。

2.2.2 實驗任務(wù)組織方式

虛擬實驗也需要明確實驗任務(wù)、實驗?zāi)繕?biāo)和實驗步驟，具有“計劃性”和“變化性”的特點。

（1）“場景化”組織。WELS中的實驗任務(wù)以“場景”的形式組織，需要用到的實驗工具、實驗文檔、實驗環(huán)境等都被集成在這個場景中，學(xué)習(xí)者可以明確認(rèn)知此階段所用到的工具、待完成的任務(wù)、要書寫的文檔等，有種身臨其境的感覺。

（2）“智能化”推送。WELS的實驗場景主題由若干實驗任務(wù)組成，當(dāng)前任務(wù)是否有效完成、能否開啟下一個實驗任務(wù)，都由實驗者的完成水平和完成進度來決定，這種“智能化”的推送由實驗學(xué)習(xí)軌跡跟蹤和學(xué)習(xí)分析得到。

（3）“卡片式”呈現(xiàn)。WELS設(shè)計“扁平化”的卡片呈現(xiàn)所有實驗場景，這種設(shè)計風(fēng)格符合當(dāng)前“移動應(yīng)用”領(lǐng)域的審美需求，學(xué)習(xí)者可以清晰地看到當(dāng)前所處的實驗進度，并可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)需要進行自由選擇，在愉悅的氛圍中開展實驗學(xué)習(xí)活動。

2.3 WELS的概念模型

針對WELS的要求設(shè)計了WELS的概念模型，見圖1，從下到上依次是平臺層、應(yīng)用層和表示層。

圖1 智慧實驗學(xué)習(xí)空間的概念模型

平臺層使用綜合性云平臺提供數(shù)據(jù)存儲、計算分析、備份安全等服務(wù)，包括各種實驗資源存儲、實驗活動數(shù)據(jù)記錄、各種用戶信息管理和目錄管理等服務(wù)；應(yīng)用層即功能層，提供實驗活動管理、智能輔助決策、學(xué)習(xí)評價分析等，該層是WELS的核心層次，實現(xiàn)實驗任務(wù)的場景組織、卡片呈現(xiàn)和智能推送，同時提供學(xué)習(xí)成果的評價與分析、學(xué)習(xí)活動的跟蹤記錄等功能；表示層是用戶使用WELS的途徑和方式，可以通過移動終端、PC端瀏覽器或其他智能設(shè)備登錄使用該智慧實驗學(xué)習(xí)空間進行實驗學(xué)習(xí)。

3 WELS模擬案例

3.1 實驗活動流程

WELS采取“實驗任務(wù)驅(qū)動+數(shù)據(jù)線性流動”的方式設(shè)計實驗活動，圖2為學(xué)習(xí)者在WELS中進行實驗活動的數(shù)據(jù)流動情況，其中實驗活動的各級任務(wù)從上到下依次為：實驗主題→實驗任務(wù)卡→實驗任務(wù)場景。

圖2 WELS的實驗活動流程

進入WELS后，首先選擇實驗主題，設(shè)置順序是“由簡入難”“由驗證性到設(shè)計性”“由小規(guī)模到大系統(tǒng)”，學(xué)習(xí)者依據(jù)自身實驗水平和實驗?zāi)繕?biāo)選擇相應(yīng)主題；進入某一主題后，系統(tǒng)會自動提供關(guān)于該實驗主題需要完成的實驗任務(wù)列表，其以“任務(wù)卡”的形式展現(xiàn)和組織，并對每一個實驗任務(wù)給出詳細(xì)說明。學(xué)習(xí)者按照任務(wù)卡的提示選擇具體實驗任務(wù)進入相應(yīng)的實驗場景，在場景中得到完成該任務(wù)用到的實驗工具集、實驗文檔、實驗環(huán)境等提示，學(xué)習(xí)者就可以開始進行實驗學(xué)習(xí)活動了。階段實驗活動結(jié)束后提交學(xué)習(xí)結(jié)果，WELS給出學(xué)習(xí)評價與原因分析，并給出下一步的實驗計劃和建議。

3.2 實驗活動效果

以計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的程序設(shè)計與軟件開發(fā)類實驗為研究對象，以學(xué)習(xí)者選擇“小型學(xué)生成績管理系統(tǒng)”為實驗主題進行WELS的實驗任務(wù)活動效果分析，圖3是當(dāng)學(xué)習(xí)者進入“小型學(xué)生成績管理系統(tǒng)”的實驗主題后，呈現(xiàn)的實驗任務(wù)場景。

圖3 WELS模擬案例—場景組織與任務(wù)呈現(xiàn)

“我的任務(wù)卡”中包含6個實驗任務(wù)，這是依據(jù)軟件工程開發(fā)流程提煉的實驗內(nèi)容，當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇“需求分析任務(wù)”后便會進入該任務(wù)下的實驗場景?？梢钥吹?，為了完成這個實驗任務(wù)，WELS提供了進行“需求分析”任務(wù)需要用到的實驗工具、實驗文檔、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、測試工具等，學(xué)習(xí)者可以按照場景的提示選擇適當(dāng)?shù)拈_發(fā)工具、建立有效的需求分析模型、書寫規(guī)范的技術(shù)文檔等。需求分析實驗完成后提交實驗結(jié)果，WELS按照評價庫中的標(biāo)準(zhǔn)評價完成效果，結(jié)果由WELS的虛擬實驗助手給出并標(biāo)識錯誤出處。當(dāng)所有階段的實驗任務(wù)完成后，實驗助手會對整體實驗情況給出評價，即分析實驗效果和實驗技能達成度等，并給出下一步學(xué)習(xí)建議，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)智能實驗助手的建議繼續(xù)實驗或者返回重做，詳見圖4。

基于上述WELS技術(shù)框架和實驗流程，本文實現(xiàn)了基于移動端安卓平臺的迷你版WELS 1.0，對計算機專業(yè)軟件工程方向2014級學(xué)生進行了小范圍（每組10人，共3組）的使用測試，實驗主題選擇“小型學(xué)生成績管理系統(tǒng)”。學(xué)生在WELS中進行模擬實驗，能夠獨自完成系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)任務(wù)，感受到了WELS的“智慧”。據(jù)調(diào)查問卷統(tǒng)計，76%的學(xué)生認(rèn)為WELS實驗助手在“需求分析階段”對其書寫的技術(shù)文檔的評價非常客觀公正，同時還提供了標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)文檔進行示范說明，強化了此項專業(yè)技能；80%以上的學(xué)生認(rèn)為WELS 在“編碼實現(xiàn)階段”對自己編碼水平的評價準(zhǔn)確直觀，就像指導(dǎo)教師在旁邊親自指導(dǎo)實驗一樣，學(xué)習(xí)體驗良好。

4 結(jié) 語

圖4 WELS的智能學(xué)習(xí)評價

WELS具有“以實際需求驅(qū)動實驗工具使用”和“以實驗結(jié)果驅(qū)動實驗任務(wù)推送”的特點，利用學(xué)習(xí)跟蹤和學(xué)習(xí)分析技術(shù)，對實驗學(xué)習(xí)者給出客觀多樣的教學(xué)評價，對實驗學(xué)習(xí)活動提供智能引導(dǎo)，為實驗學(xué)習(xí)者創(chuàng)造一個“智慧化”的個人實驗學(xué)習(xí)空間。這種“智能場景—任務(wù)驅(qū)動”的設(shè)計理念和“情境組織—卡片呈現(xiàn)”的服務(wù)模式，使學(xué)習(xí)者體會“邊做邊學(xué)”的實驗感受，踐行了 “以學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)理念。希望本文的研究能為“智慧教育創(chuàng)新應(yīng)用”與“學(xué)習(xí)空間人人通”的有機結(jié)合提供了一種發(fā)展思路和有益參考。

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