于 方

（包頭師范學院 信息科學與技術學院，內蒙古 包頭014030）

0 引 言

我國教育信息化正由初步應用融合階段向全面融合創(chuàng)新階段過渡，從國家、地區(qū)、學校與學習者各個層面來看，教育信息化的發(fā)展內涵更注重創(chuàng)新應用與追求卓越智慧，這種以信息技術為支撐、以智慧教學法為引導、以智慧學習為基石的智慧教育生態(tài)理念正在得到大眾的熟知和認可，并被不斷地實踐運用[1]。實驗教學是具有明顯實踐性和應用性的一種教學活動，在當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]中對未來實驗教學的發(fā)展給出指導意見，建議通過各種信息化技術手段“建設實驗系統(tǒng)”“建立虛擬實驗室”“開發(fā)虛擬仿真實訓實驗系統(tǒng)”等，來“增強學生科學實驗的成效”[4]?？梢钥吹剑瑖医逃鞴懿块T從頂層設計視角對未來實驗教學的發(fā)展給出了明確的發(fā)展規(guī)劃。

智慧實驗是實驗教學與信息技術深度融合的產(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“任務驅動”特點，提出一種基于“任務場景智能推送”+“任務線性流式驅動”理念的智慧實驗學習空間，將實驗任務“場景化”組織、“卡片式”呈現(xiàn)、“智能化”推送，以“學習需求驅動工具使用”的方式組織、集成相關實驗工具，為學習者提供一個提高學習者實驗技能和實踐能力、提升實驗學習智慧力的虛擬學習空間。

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”“實驗教學信息化” 或“實驗信息化教學”為主題進行模糊檢索，可以了解我國在“智慧實驗”領域近十年的研究內容和研究趨勢。分析這些文獻可以發(fā)現(xiàn)有關“智慧實驗”的研究成果數(shù)量并不多，涉及的學科領域主要集中在“高等教育”“計算機軟件或計算機應用”“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)學教育等領域則主要涉及具體學科虛擬實驗系統(tǒng)的設計、開發(fā)、應用分析等，代表性成果有實驗教學信息化平臺建設研究[6-8]、虛擬仿真實驗（室）的應用性研究[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)境的實驗教學研究[11]、實驗教學資源建設研究[12]等；還有針對某一學科“智慧化”實驗教學的探索與實踐，如中學地理[13]、中學化學[14]、大學物理[15]、藝術類課程智慧實驗教學信息化研究等[16]，其中，華東師范大學薛耀鋒等人[17]對智慧實驗的基本概念、系統(tǒng)架構和功能組成以及國外代表性實例進行了深入研究，設計開發(fā)了智慧實驗原型系統(tǒng)并在上海中學地理課中進行應用，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”的關注度很高，并且已經(jīng)研發(fā)出和智慧教育相關的智能硬件設備和智慧學習產(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)展方向和新型應用產(chǎn)品，涉及的參展主題和產(chǎn)品內容主要有校園信息化基礎設施建設 、信息化平臺建設 、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“實驗室及實訓平臺”的，產(chǎn)品級應用主要是提供“智慧實驗室”的設計和實施方案，通過物聯(lián)網(wǎng)和通信等技術組織各種智能化實驗設備以實現(xiàn)交互式教學，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，設備和工具成了這場“智慧實驗教學”的主角。

2 智慧實驗學習空間設計

現(xiàn)階段很多關于“智慧實驗”的研究和應用主要集中在虛擬(仿真)實驗（室）的建設方面，包括實驗環(huán)境和實驗工具的網(wǎng)絡化、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“工具驅動學習”。智慧實驗不僅要在虛擬空間中體會真實實驗的場景感，更應該將“智慧教學理念”和“以學習者為中心”的學習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、智能環(huán)境和自主學習”。本文提出的智慧實驗學習空間，簡稱為WELS（Wisdom Experiment Learning Space），以實驗學習活動驅動實驗工具的使用，為學習者提供一個能夠感受真實實驗學習體驗、智能使用的實驗工具、實現(xiàn)實驗學習活動與智能裝備雙向交互的“智慧型”實驗學習空間，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)字化學習環(huán)境，是整合虛擬學習環(huán)境和個人學習環(huán)境的新型學習形態(tài)[18]，學習者在虛擬的實驗空間中以“場景”組織實驗學習活動。WELS以“情境學習”“活動理論”“精準教學”等作為理論支撐，在智慧實驗學習空間中，學習者的學習活動、學習評價、場景推送會產(chǎn)生海量的動態(tài)異構數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)存儲和計算技術如云計算、學習分析等新興信息技術手段作為物理實現(xiàn)基礎。

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

2.2 WELS的實驗任務設計

2.2.1 實驗任務要素設計

WELS的實驗場景中按粒度從小到大有3類關鍵實驗任務要素。一是實驗學習活動的“原子性”設計。WELS對實驗學習活動的設計都是從真實實驗活動或實驗學習中抽取出來的具有一定“原子性”的實驗學習活動單元，每個學習活動之間沒有交叉和相交關系，只有線性和順序關系。這樣，在相對獨立的每個實驗學習活動單元內部進行的學習行為具有易評判性和可跟蹤性。二是實驗工具集的“集成度”設計。WELS對一個實驗學習活動中可能用到的實驗工具、實驗平臺、實驗服務等集成一個實驗工具“數(shù)據(jù)庫”，存儲與該實驗工具相關的文檔、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，使學習者非常明確該工具的使用場合，具有“學習驅動工具”的特點。三是實驗場景的“動靜聯(lián)動”設計。WELS能提供“靜動結合”的智能化實驗場景推送，即依據(jù)學習者當前的學習程度和學習水平，智能化地提供可選擇的實驗場景?！办o”是指如果學習者的各項學習成果指標達到當前的要求，則會按照事先設定的路徑執(zhí)行下一個實驗場景；如果未達到既定目標或學習者個人有重新再實驗的學習意愿，則會啟用“動”的策略，推送符合學習者學習水平和學習需求的實驗場景。

2.2.2 實驗任務組織方式

虛擬實驗也需要明確實驗任務、實驗目標和實驗步驟，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，學習者可以明確認知此階段所用到的工具、待完成的任務、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組成，當前任務是否有效完成、能否開啟下一個實驗任務，都由實驗者的完成水平和完成進度來決定，這種“智能化”的推送由實驗學習軌跡跟蹤和學習分析得到。

（3）“卡片式”呈現(xiàn)。WELS設計“扁平化”的卡片呈現(xiàn)所有實驗場景，這種設計風格符合當前“移動應用”領域的審美需求，學習者可以清晰地看到當前所處的實驗進度，并可以根據(jù)自身的學習需要進行自由選擇，在愉悅的氛圍中開展實驗學習活動。

2.3 WELS的概念模型

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

圖1 智慧實驗學習空間的概念模型

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，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；應用層即功能層，提供實驗活動管理、智能輔助決策、學習評價分析等，該層是WELS的核心層次，實現(xiàn)實驗任務的場景組織、卡片呈現(xiàn)和智能推送，同時提供學習成果的評價與分析、學習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備登錄使用該智慧實驗學習空間進行實驗學習。

3 WELS模擬案例

3.1 實驗活動流程

WELS采取“實驗任務驅動+數(shù)據(jù)線性流動”的方式設計實驗活動，圖2為學習者在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從上到下依次為：實驗主題→實驗任務卡→實驗任務場景。

圖2 WELS的實驗活動流程

進入WELS后，首先選擇實驗主題，設置順序是“由簡入難”“由驗證性到設計性”“由小規(guī)模到大系統(tǒng)”，學習者依據(jù)自身實驗水平和實驗目標選擇相應主題；進入某一主題后，系統(tǒng)會自動提供關于該實驗主題需要完成的實驗任務列表，其以“任務卡”的形式展現(xiàn)和組織，并對每一個實驗任務給出詳細說明。學習者按照任務卡的提示選擇具體實驗任務進入相應的實驗場景，在場景中得到完成該任務用到的實驗工具集、實驗文檔、實驗環(huán)境等提示，學習者就可以開始進行實驗學習活動了。階段實驗活動結束后提交學習結果，WELS給出學習評價與原因分析，并給出下一步的實驗計劃和建議。

3.2 實驗活動效果

以計算機科學與技術專業(yè)的程序設計與軟件開發(fā)類實驗為研究對象，以學習者選擇“小型學生成績管理系統(tǒng)”為實驗主題進行WELS的實驗任務活動效果分析，圖3是當學習者進入“小型學生成績管理系統(tǒng)”的實驗主題后，呈現(xiàn)的實驗任務場景。

圖3 WELS模擬案例—場景組織與任務呈現(xiàn)

“我的任務卡”中包含6個實驗任務，這是依據(jù)軟件工程開發(fā)流程提煉的實驗內容，當學習者選擇“需求分析任務”后便會進入該任務下的實驗場景?？梢钥吹?，為了完成這個實驗任務，WELS提供了進行“需求分析”任務需要用到的實驗工具、實驗文檔、行業(yè)標準、測試工具等，學習者可以按照場景的提示選擇適當?shù)拈_發(fā)工具、建立有效的需求分析模型、書寫規(guī)范的技術文檔等。需求分析實驗完成后提交實驗結果，WELS按照評價庫中的標準評價完成效果，結果由WELS的虛擬實驗助手給出并標識錯誤出處。當所有階段的實驗任務完成后，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，并給出下一步學習建議，學習者可以根據(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“小型學生成績管理系統(tǒng)”。學生在WELS中進行模擬實驗，能夠獨自完成系統(tǒng)設計與開發(fā)任務，感受到了WELS的“智慧”。據(jù)調查問卷統(tǒng)計，76%的學生認為WELS實驗助手在“需求分析階段”對其書寫的技術文檔的評價非?？陀^公正，同時還提供了標準的行業(yè)文檔進行示范說明，強化了此項專業(yè)技能；80%以上的學生認為WELS 在“編碼實現(xiàn)階段”對自己編碼水平的評價準確直觀，就像指導教師在旁邊親自指導實驗一樣，學習體驗良好。

4 結 語

圖4 WELS的智能學習評價

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

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