當(dāng)今社會已進(jìn)入快速發(fā)展的信息化時代，信息技術(shù)已滲透到社會的各個領(lǐng)域。2008年“智慧地球”理念被IBM公司提出后，迅速在各行各業(yè)產(chǎn)生了巨大的反響和變革，隨之智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧校園、智慧教室等理念應(yīng)運(yùn)而生。目前，信息技術(shù)已滲透到教育教學(xué)的各個方面，與教育教學(xué)發(fā)生了深度融合。教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》指出：“堅持深化應(yīng)用。要通過深化應(yīng)用釋放信息技術(shù)對教育教學(xué)改革和發(fā)展的作用。應(yīng)用是信息技術(shù)與教學(xué)、管理的結(jié)合點(diǎn)，也是教育信息化的生命力。要進(jìn)一步深化應(yīng)用驅(qū)動的基本導(dǎo)向，通過應(yīng)用帶動環(huán)境營造、支撐核心業(yè)務(wù)，圍繞應(yīng)用目標(biāo)開展培訓(xùn)與績效評價，依托教育信息化加快構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式。”

在基礎(chǔ)教育階段，理科實驗室主要面向物理、化學(xué)、生物學(xué)科，從信息化發(fā)展對實驗室要求來看，還存在實驗室信息管理系統(tǒng)不健全、沒有及時將先進(jìn)的信息技術(shù)融入理科實驗室、數(shù)學(xué)實驗室亟待建設(shè)等問題。因此，要提升實驗室建設(shè)水平就必須強(qiáng)化實驗室信息化建設(shè)，提出了建設(shè)智慧數(shù)理實驗室的設(shè)想，旨在將信息技術(shù)應(yīng)用于理科實驗室建設(shè)，營造基于信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的現(xiàn)代化實驗環(huán)境，為培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新精神的人才提供必要保障。

一、理科實驗室信息化需求

1.實驗室需實現(xiàn)信息化管理

理科實驗室涉及的學(xué)科較多，固定資產(chǎn)、實驗耗材種類多、數(shù)量大，這些實驗器材的賬目管理通常依靠手工記錄，各學(xué)科實驗室間資源重復(fù)配置，資源共享難以實現(xiàn)，存在信息孤島現(xiàn)象。實驗室內(nèi)需安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)，使其能對各類潛在危險進(jìn)行預(yù)警，確保安全。

2.實驗室設(shè)施需滿足信息化教育的要求

信息化教育是信息技術(shù)與教育的深度融合，并對教育進(jìn)行變革與創(chuàng)新。它是將學(xué)校的教育教學(xué)、科學(xué)研究、管理與服務(wù)建立在信息化的基礎(chǔ)上，把信息技術(shù)作為教學(xué)、科研、管理與服務(wù)的重要工具和支撐環(huán)境，成為教育中不可或缺的要素。信息化教育的主要特征是：教材多媒體化、資源網(wǎng)絡(luò)化、環(huán)境虛擬化、教學(xué)個性化、學(xué)習(xí)自主化、活動協(xié)作化、管理自動化。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，理科實驗室建設(shè)雖融入了一些信息化要素，如實現(xiàn)了實驗室網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在實驗室安裝了計算機(jī)和投影機(jī)，有些學(xué)校的實驗室配備了數(shù)字化實驗系統(tǒng)等，但這些距離信息化教育對實驗室的要求還有一定差距，因此還應(yīng)加強(qiáng)實驗室教育信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，滿足信息化教育的要求。

3.需要建立數(shù)學(xué)實驗室

新頒布的《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“在數(shù)學(xué)教學(xué)中，信息技術(shù)是學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的重要輔助手段，為師生交流、生生交流、人機(jī)交流搭建了平臺，為學(xué)習(xí)和教學(xué)提供了豐富的資源。因此，教師應(yīng)重視信息技術(shù)的運(yùn)用，優(yōu)化課堂教學(xué)，轉(zhuǎn)變教學(xué)與學(xué)習(xí)方式。”《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出：“學(xué)生應(yīng)當(dāng)有足夠的時間和空間經(jīng)歷觀察、實驗、猜測、計算、推理、驗證等活動過程……教師應(yīng)當(dāng)努力開發(fā)制作簡便實用的教具和學(xué)具，有條件的學(xué)?？梢越ⅰ?dāng)?shù)學(xué)實驗室’供學(xué)生使用，以拓寬他們的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，培養(yǎng)他們的實踐能力，發(fā)展其個性品質(zhì)與創(chuàng)新精神，促進(jìn)不同的學(xué)生在數(shù)學(xué)上得到不同的發(fā)展?！币虼?，按照課程標(biāo)準(zhǔn)要求，建立數(shù)學(xué)實驗室勢在必行。

二、智慧數(shù)理實驗室內(nèi)涵

1.物聯(lián)網(wǎng)與智慧實驗室

目前，對于智慧實驗室的研究都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)是指“通過各種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)”，即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞、智能處理等特點(diǎn)。

智慧實驗室目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，通常普遍認(rèn)可的定義是“智慧實驗室是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，利用新一代信息技術(shù)為廣大師生提供一個全面的智能感知實驗環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)實驗室的智能化、安全化、可視化管理，資源的互聯(lián)、人員的互動協(xié)作以及開放實驗室設(shè)備資源、教學(xué)資源、科研資源的高度信息共享?！?/p>

2.智慧數(shù)理實驗室概念界定與理論架構(gòu)

針對基礎(chǔ)教育階段理科實驗室信息化需求，以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，將智慧實驗室理念運(yùn)用到基礎(chǔ)教育階段理科實驗室建設(shè)中，建設(shè)智慧數(shù)理實驗室為實現(xiàn)信息技術(shù)與理科教學(xué)的深度融合提供條件保障。智慧數(shù)理實驗室是指在“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)支持下，將信息技術(shù)運(yùn)用到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物實驗室，即數(shù)理實驗室建設(shè)中，建立實驗室信息管理系統(tǒng)，為實驗室管理和實驗教學(xué)與科研提供智能化的工作、學(xué)習(xí)環(huán)境；建立數(shù)字化實驗室、虛擬仿真實驗室、數(shù)學(xué)實驗室，為師生開展基于信息技術(shù)的理科實驗和實驗教學(xué)及研究提供條件保障和技術(shù)支持，以構(gòu)建基于信息技術(shù)的、有利于實施智慧教育的實踐場所。智慧數(shù)理實驗室理論架構(gòu)見圖1。

圖1 智慧數(shù)理實驗室理論架構(gòu)

三、智慧數(shù)理實驗室建設(shè)內(nèi)容

1.建立實驗室信息管理系統(tǒng)

學(xué)校可根據(jù)實驗室特點(diǎn)開發(fā)、設(shè)計、引進(jìn)符合本校實驗室管理實際需要的實驗室信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對實驗室設(shè)備、耗材、環(huán)境、安全、資料、人員等進(jìn)行信息化管理。設(shè)備管理主要指對實驗室固定資產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)管理，便于設(shè)備管理部門、職能部門、實驗室工作人員、教師等隨時查詢，并可根據(jù)實際需要形成各種報表，為各種決策提供數(shù)據(jù)支持。對于實驗耗材管理，需建立實驗耗材數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對實驗耗材臺賬的動態(tài)管理、分類查詢。在實驗室內(nèi)安裝智能安防系統(tǒng)，主要包括煙霧火警探測器、可燃?xì)馓綔y器等，對實驗室進(jìn)行在線24小時監(jiān)控。通過安裝智能家居系統(tǒng)，可實現(xiàn)對實驗室內(nèi)燈光、空調(diào)和窗簾等家居設(shè)備的智能化管理和控制，對實驗室內(nèi)的空氣質(zhì)量、溫度、濕度、粉塵等環(huán)境指標(biāo)實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控和管理。通過建立實驗設(shè)備、實驗耗材、實驗資料等數(shù)據(jù)庫，使實驗室資源實行統(tǒng)一管理，避免資源重復(fù)配置，以實現(xiàn)資源共享。

2.建立數(shù)字化實驗室

數(shù)字化實驗室是指配備了多套數(shù)字化實驗系統(tǒng)，并以其為主要實驗手段，可供師生開展數(shù)字化實驗的場所。數(shù)字化實驗是利用計算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件進(jìn)行的實驗。其最突出特點(diǎn)是實時、準(zhǔn)確、綜合、直觀，可作為常規(guī)實驗教學(xué)的輔助和有益補(bǔ)充，在傳統(tǒng)實驗難以或無法實現(xiàn)的情況下，可以借助數(shù)字化實驗手段完成。

3.建立虛擬仿真實驗室

虛擬仿真實驗室采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)上建立虛擬仿真實驗室環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)實驗中應(yīng)用研究的重要載體。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的科學(xué)實驗叫作虛擬實驗，是指在計算機(jī)系統(tǒng)中創(chuàng)建虛擬實驗環(huán)境，用軟件模擬虛擬設(shè)備，學(xué)生可以像在現(xiàn)實實驗環(huán)境中一樣完成各種實驗。虛擬實驗可有效彌補(bǔ)教學(xué)條件不足，既有利于教師講解，又有利于學(xué)生理解。

4.建立數(shù)學(xué)實驗室

數(shù)學(xué)實驗是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的重要方式，數(shù)學(xué)實驗室是讓學(xué)生借助一定的實物工具或技術(shù)手段，并在數(shù)學(xué)思維和數(shù)學(xué)思想的指導(dǎo)下，進(jìn)行數(shù)學(xué)化操作的專有教室。高中數(shù)學(xué)實驗室主要是以網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)為主要平臺，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)建?；驍?shù)學(xué)探究；初中數(shù)學(xué)實驗室既要重視利用數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的加工和處理，更要注重讓學(xué)生對紙張、剪刀、模型、測量工具、作圖工具等進(jìn)行操作，逐步建構(gòu)并發(fā)展數(shù)學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)，獲得數(shù)學(xué)活動的經(jīng)驗。建立數(shù)學(xué)實驗室有利于構(gòu)建基于信息技術(shù)的數(shù)學(xué)教學(xué)環(huán)境，為師生開展數(shù)學(xué)實驗活動提供專業(yè)場所。

在智慧數(shù)理實驗室中除安裝各自的專業(yè)設(shè)備外，還應(yīng)實現(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)，安裝教室互動反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)在實驗教學(xué)過程中師生、生生、人與資源的教學(xué)互動，便于開展教學(xué)活動和討論交流，建立新型課堂師生關(guān)系。智慧數(shù)理實驗室主要設(shè)備配置如圖2所示。

圖2 智慧數(shù)理實驗室主要設(shè)備配置

四、智慧數(shù)理實驗室建設(shè)的價值

1.有助于科學(xué)規(guī)范地管理實驗室

實驗室信息管理系統(tǒng)的建立，優(yōu)化了實驗室管理流程，促進(jìn)了實驗室管理的智能化。借助信息技術(shù)對實驗室固定資產(chǎn)、實驗耗材、實驗室安全、實驗環(huán)境、實驗資料等進(jìn)行統(tǒng)一管理，可視、集中、高效、便捷，提高了實驗室管理效率和質(zhì)量，使實驗室管理更加科學(xué)和規(guī)范。

2.有助于推進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合

智慧數(shù)理實驗室為師生在信息化環(huán)境下開展理科實驗及實驗教學(xué)提供條件保障，有助于優(yōu)化教學(xué)，既可促進(jìn)教師教學(xué)方法創(chuàng)新，又可促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式改變。例如數(shù)字化實驗借助傳感技術(shù)高精度的測量，可以對化學(xué)反應(yīng)過程中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集與分析，且使實驗數(shù)據(jù)和實驗過程中物理參數(shù)的變化可視化呈現(xiàn)，有助于師生更好地把握實驗動態(tài)。通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和推測，有利于教師有效突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解。在此過程中，學(xué)生不是被動地接受知識，而是在教師引導(dǎo)下，師生一起利用數(shù)字化實驗研究化學(xué)問題，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且信息化環(huán)境為形成師生交流、生生交流的良好教學(xué)氛圍和學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，既有利于教師創(chuàng)新教學(xué)方法，又有利于學(xué)生自主建構(gòu)知識，實現(xiàn)了信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的有效融合。

3.有助于提高師生的信息素養(yǎng)

建設(shè)智慧數(shù)理實驗室可使師生感受到信息技術(shù)已經(jīng)滲透到教育教學(xué)、實驗室管理的各個方面。開展數(shù)字化實驗、虛擬實驗、數(shù)學(xué)實驗既可增進(jìn)師生運(yùn)用信息技術(shù)解決實際問題的意識，又可提高師生信息技術(shù)的應(yīng)用能力。在實驗過程中通過對實驗數(shù)據(jù)的獲取、分析和處理可以幫助師生形成邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程，使師生了解利用信息技術(shù)對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行改進(jìn)的思路和方法，通過親身實踐使師生認(rèn)識到利用現(xiàn)代信息技術(shù)解決實際問題的價值和作用，有助于提高師生的信息素養(yǎng)。

五、結(jié)語

建設(shè)智慧數(shù)理實驗室是信息化社會發(fā)展對實驗室建設(shè)的要求，學(xué)校需根據(jù)實際情況做好統(tǒng)一規(guī)劃，在做好實驗室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時，還要加強(qiáng)對教師和實驗室管理人員的信息技術(shù)應(yīng)用能力培訓(xùn)，使教師在掌握現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)上，還能將信息技術(shù)有針對性地應(yīng)用于教學(xué)，有效改進(jìn)教與學(xué)的方式，提高教師在信息化環(huán)境下的教學(xué)創(chuàng)新能力；使實驗室管理人員能夠運(yùn)用信息技術(shù)管好、用好實驗室，不斷提升實驗室管理水平，為學(xué)校教學(xué)和科研營造良好的信息化環(huán)境，為培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新精神的智慧型人才提供有力保障。