魏忠

從2013年開始，教育部就不斷在全國高等院校推廣虛擬實驗室，花重金打造全國各種專業(yè)的虛擬仿真實驗室。在此措施的激勵下，全國各地掀起了一場以“Flash”為核心的動畫虛擬實驗室的浪潮。很多學校的教師甚至教育主管部門對虛擬實驗室都存在誤解。例如，一個非常主流的制作虛擬課件的公司宣稱：“通過高仿真的虛擬實驗室，學生可以看到機器內(nèi)部的真實構(gòu)造。因為即使到現(xiàn)場，由于機器三年檢修一次，學生也只能看圖紙，有了虛擬化，學生就能夠看清楚內(nèi)部構(gòu)造。”這就是典型的虛擬化誤區(qū)，一名工程師最起碼應具有看圖能力和根據(jù)現(xiàn)場畫圖能力，如果用虛擬仿真代替或者減弱學生的看圖和圖紙想象能力，這種虛擬化其實是一種災難。

在我看來，虛擬教學的核心不是節(jié)省費用，更不是以絢麗的三維動畫代替學生的工程想象能力，而是為了體現(xiàn)比實體系統(tǒng)更加真實和抽象的“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國家，觀摩遠程虛擬電力發(fā)電實驗，計算機里跳動的數(shù)字和發(fā)電過程的虛擬化場景，不僅有遠程多個不同部件的實驗室真實物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)的動態(tài)回饋，更重要的是它比參觀現(xiàn)實的發(fā)電站更具有真實性，這些匯集起來的數(shù)據(jù)對培養(yǎng)學生學習電力系統(tǒng)的邏輯思維有很大的幫助。

這就像看了再多的關(guān)于愛情的文學作品，都不能代替一個年輕人去真正談一場戀愛，“教育即生活、學校即社會”，學校是大千世界的真實映射。這種映射，不是減弱大千世界的真實印象，而是加強這種印象。對于年輕人來講，學校就是一所增強版的“戀愛實驗室”，在這個實驗室中，學生不僅能夠體會實體的青春萌動，更重要的是附加上象牙塔之外不容易存在的“愛情的詩歌、音樂”等增強版的虛擬因素，使得“愛情”這種感覺由于升華而更加真實。實體的和虛擬增強的因素，構(gòu)成了“影子系統(tǒng)”（如上頁圖1、圖2），為學生打造了“改造世界的信息模板”以及“高于現(xiàn)實的教育之真”。

以滬江網(wǎng)為代表的新一代教育，動輒3000人同時在線的課堂已經(jīng)成為常態(tài)，這就是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的時代，而被技術(shù)改變的教育通過將不屬于教育的“互聯(lián)網(wǎng)+”扔到網(wǎng)上以后，會進入一個“物聯(lián)網(wǎng)+”的時代，這個時代，就是云地一體化、虛實一體化的實驗影子系統(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。

1.模擬實驗。模擬是對真實事物或者過程的虛擬。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、近似簡化和假設(shè)的應用，以及模擬的重現(xiàn)度和有效性。

模擬最重要的是簡化，通過簡化和關(guān)鍵特征的抽取，最容易體現(xiàn)知識的邏輯，然而這種簡化如果不適當，還不如書本和數(shù)學公式來得貼近“教育之真”。例如，在一所職業(yè)技術(shù)學院的簡化版的以動畫為核心的精密加工模擬環(huán)境中，學生能夠看到的僅僅是動畫和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的輸入輸出。經(jīng)過改進后，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，讓學生還原故障可能的錯誤操作，雖然沒有了動畫，但是學生學習與體驗更加深刻。

2.仿真實驗。仿真即使用項目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉(zhuǎn)化為它們對目標的影響，該影響是在項目整體的層次上表示的。例如，上海第二軍醫(yī)大學的護理實驗室，通過野戰(zhàn)護理的場景仿真，以及在環(huán)境中利用電視屏幕對火災、地震、洪水、化學災難的環(huán)境仿真，需要訓練的是在不同環(huán)境中學生的野戰(zhàn)護理流程和專業(yè)素養(yǎng)。

3.虛擬現(xiàn)實。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的、三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真。以Flash等方式開發(fā)虛擬的在線實驗，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果將保存在教學平臺中，并實現(xiàn)對自學活動及成績的有效管理。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)表面上是為了節(jié)省資金和教育經(jīng)費，事實上最重要的目標是沉浸，如果沒有真正的沉浸，這種節(jié)省是毫無用途的，甚至是有害的。在沉浸系統(tǒng)的發(fā)展中，眼鏡技術(shù)和虛實一體化是重要的發(fā)展方向，在教育中虛擬現(xiàn)實不僅要反映三維實景的真實性，更要體現(xiàn)實景背后的教育之真以及學生由于沉浸系統(tǒng)而模擬出來的情感和體驗。

4.增強現(xiàn)實。增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道、觸覺等），通過計算機等科學技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

2011年，在卡內(nèi)基梅隆大學計算機工程系，一位教師就利用視頻互動技術(shù)做了一項實驗，即先讓學生打一套太極拳，再讓計算機中的機器人模仿學生的樣子打拳，并根據(jù)標準太極拳的套路對學生的表演打分。5年過去了，原先看起來高端的科研，目前已經(jīng)能夠在開源軟件中非常廉價、便利地獲得了。例如，學生只要有手機，就可以通過APP軟件跟蹤實驗室的設(shè)備，被選擇的實驗設(shè)備，會在手機上展現(xiàn)疊加出來的圖層：實驗設(shè)備的狀態(tài)、名稱、參數(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的及時數(shù)據(jù)、使用視頻和所有普適計算相關(guān)的參數(shù)。這些參數(shù)都是實驗室智能系統(tǒng)預設(shè)的和通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)收集的。

5.遠程實驗。系統(tǒng)采用多種物聯(lián)設(shè)備，獲取實驗業(yè)務信息及設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并進行設(shè)備的管理與運行。相比前面的各種影子系統(tǒng)，遠程實驗是典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。2010年，上海中醫(yī)藥大學動物房就通過實驗老鼠的遠程視頻，完成了學生在宿舍中連續(xù)觀察老鼠實驗活性的遠程實驗。圖4是西安工程大學圖形圖像實驗室，通過LABVIEW，將遠程的印染機的信號和試驗箱的信號遠程傳輸?shù)綄W生客戶端，再通過虛擬系統(tǒng)和實際信號疊加還原成現(xiàn)場的“影子系統(tǒng)”。

6.知識地圖。通過二維碼、地理信息系統(tǒng)GIS、WIFI定位、位置傳感器、增強現(xiàn)實的識別等技術(shù)，實現(xiàn)手機端與PC端的交互，可以快速地連接相關(guān)信息，如課表信息、知識信息、gis地圖、微課、設(shè)備信息等。

影子系統(tǒng)，作為一個連接實體資源與知識資源的技術(shù)的系統(tǒng)，還需要很多的實驗信息系統(tǒng)的支撐才能做到數(shù)據(jù)科學的應用。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)、項目管理系統(tǒng)、實驗物聯(lián)系統(tǒng)、在線課程、微課平臺、排課系統(tǒng)、實驗預約系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)，等等。

技術(shù)是為教學服務的，影子系統(tǒng)的核心是教學，一個復雜的技術(shù)系統(tǒng)中，將師生教學融入其中，教學設(shè)計也最為關(guān)鍵。