淺談仿真實驗室

張雯莉

摘 要 建設仿真實驗室，讓繁雜甚至有危險性的實驗項目變成快樂且安全的存在帶領學生探索與發現未知世界，領略物質世界的奇妙，讓學生深刻認識這個世界的構成。

關鍵詞 仿真實驗室；人工智能；計算機；實驗；虛擬現實技術

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）01-0097-02

1 引言

每當想到實驗室那紛繁復雜的器具，隨時可見的未知可能危險性和數不清的操作禁忌總會縈繞在師生的腦海，令人望而生畏。但實驗室中種種創造性的實驗，所帶來的魔幻效果又使人欲罷不能。那些神奇的實驗使師生領略物質世界的奇妙，讓人深刻認識這個世界的構成，帶領人們走向未來。那么當然希望學生能盡情領略實驗室所能帶來的各種知識與沖擊力。但如何才能讓他們既學到知識，感受科技的神奇世界，又能規避種種危險呢？有沒有這樣魚與熊掌兼得的好事呢？答案是樂觀的——有！那就是仿真實驗室。

2 什么是仿真實驗室

所謂仿真實驗室，由一組計算機和幾款開源的開放式編程模塊（多為組態模式），以及N多的外載附加電子模塊（各種傳感器）組成，在聲光電以及虛擬現實技術、人工智能技術的完美配合下，達到既定實驗條件就可以產生與真實實驗相同的展示效果。仿真實驗室可以最大限度破除實物資源限制，由計算機通過圖形化的界面視窗配合動畫、視頻等形式來展示出實驗的過程和結果。加入虛擬現實技術的實驗，甚至可以有身臨其境的體驗。并且通過現代化的網絡以及新型信息技術、人機交互技術，可以有效利用全世界互聯網聯通到的實驗資源。這樣就大大地解除了地域以及資源配置不均衡所帶來的困擾，同時提高實驗資源的利用率及工作效率。實驗中通過拖動鼠標、點擊屏幕甚至手勢及其他生物識別傳感裝備，舉手投足之間即可展開實驗。

當然，這些展示效果和實驗過程是沒有任何危險性的。大到模擬核彈爆炸，小到模仿打雷下雨，都沒有任何的危險，反倒有身臨其境的體會。具體來說，就是在計算機上建造一個開放式軟件編碼平臺，這個平臺可以在設定的條件下接入對應功能的電子模塊而產生同現實實驗室中實驗一樣的效果，只不過這個效果是由計算機畫面或者配合虛擬現實進行展示，如火藥的配置、閃電的生成等。當想要去做類似的實驗時，只需打開平臺，按照配比及步驟就可以看到火藥及閃電制成的整個過程。

3 仿真實驗室現狀分析

目前運行比較成功的仿真實驗室是微軟公司的Technet虛擬實驗室，是微軟公司20世紀90年代初期作為基于CD的訂閱服務所提供的，用一個電腦通過Internet，無須格式化硬盤驅動器就能做到對服務器產品的評估和測試。

國內高校近幾年在仿真實驗室建設方面也已鋪開，但進度較慢，質量不理想，在如何體現信息化核心教學理念方面仍缺少實質性的方案和實踐。特別是實驗內容和實驗手段，難以滿足實驗教學對于各學科支撐作用的需求。2000年以來，全國高校普遍擴招，加之學科設置增多，實驗需求迅猛增長，隨之實驗室數量也大幅增加，但實驗室的容量與實驗內容設置參差不齊，又由于各個地區經濟發展極不均衡，因此，學科發展下的實驗要求與現實實驗室資源極其不匹配。難以滿足學科專業及實驗教學質量的提升要求。再者，許多實驗資源價值較高，又難以重復利用。

在這樣的大環境下，發展仿真實驗室可謂解決這種供需失衡的最有效手段。仿真實驗室構建高度的仿真實驗形態，并且實驗資源可以反復利用，又能破除資源及條件限制；也不必擔心實驗中的儀器損壞及危險，可以大膽嘗試各種設計性、綜合性、探索性實驗，并可整合全世界互聯網范圍內可用資源。仿真實驗形式靈活多樣，可以充分滿足各學科教學需求，又能開闊學生視野，提高學習興趣，充分地適應新形勢下培養各種人才的需求。因此，發展仿真實驗室將是現在乃至今后滿足實驗需求的重要方向。

4 仿真實驗室的關鍵程式

要實現之前描述的實驗過程，就必須依照軟件承載的步驟加載不同的外設電子模塊（開源硬件）。外設電子模塊所承載的正是實驗原料的功能。而計算機軟件平臺上則會根據具體實驗提供相應的虛擬器皿或器械，將反應在畫面中展示。當加載的模塊錯誤或者配比失當時，則會發生失敗的實驗效果。

這個仿真實驗平臺的成功關鍵，在于支持它的算法、數據庫以及編碼的豐富及優化。做什么樣的實驗就需要配備相應的數據庫，如做物理運動實驗，則需要此類數據庫的支持。換言之，也就是說這些實驗大多數是已知的在真實實驗室中已經得到驗證的實驗。通過電子虛擬化處理，相應把在現實中復雜而危險的實驗搬到計算機平臺上，綠色無污染又不失實驗所能帶來的探索發現的學習教育功能。利用這樣的平臺破除條件限制、資源限制，讓學生在科學環境中進行自由創作，將會大大提高學生的主觀能動性學習能力，開發想象力和創造力。

5 仿真實驗室中的神經元網絡應用

對于仿真實驗室而言，最為關鍵的一點不是實現既定的計算機思維下所能達成的實驗，這些實驗大都（90%以上）是在既定條件下產生的人類基本已知結果的實驗；而是去探索與發現未知的實驗，創造出未知的未來，還原實驗最大的魅力，在于實驗的偶然性及發現性目的。要解決這個問題，就必須對神經元網絡進行有效利用。隨著神經元網絡的開發，由于它的構成原理和功能特點等方面更加接近于人腦，它不是按給定的程序一步一步地執行運算，而是能夠適應環境、總結規律，完成某種運算識別或遠程控制。因此，這樣進行大型復雜的實驗，或替代真實實驗室中的絕大部分實驗，就成為可能。

6 仿真實驗室中平臺的搭建

如果解決了這個實驗平臺只能進行已知實驗的問題，是否這樣的實驗平臺就趨于完美了呢？答案是否定的，因為這樣的平臺仍然需要大量的模塊及數據庫支持。也就是說，要解決仿真實驗室自身資源的海量補給，才能使這樣的平臺發揮它天然的優勢（可大可小、模塊化組態，可以共享；一臺計算機外加幾個實驗模塊就可以運行簡單實驗，幾臺計算機或者很多計算機組合在一起，就可以運行超級實驗）。解決它的方式，按照現在的互聯網思維，最好的方案就是為它搭建一個互聯網平臺。開放的互聯網平臺、開放的源代碼、開放的開發者支持工具，讓全世界的仿真實驗愛好者及開發者都可以加入這個平臺之中。這樣就可以開發出豐富的滿足各種實驗需要的模塊，創造出無數的實驗可能，走向真正的創新開發之路，讓仿真實驗室成為一個創新工廠。即便是復雜的虛擬環境展示，也能分分鐘就像科幻電影中那樣完美展示。endprint

對于仿真實驗室軟件平臺的搭建，軟件的搭建已經稍微提及，現在給出一個大膽設想，就是利用安卓平臺，只搭建一個承載開發實驗程序的平臺，預留大量的實驗接入口，上面的實驗應用程序與模塊都由程序開發者或愛好者以及廠商來貢獻及完成。這樣就可以很好地搭建一個生態圈，成為一個仿真實驗的王國。至于用哪種語言來開發這個開源平臺，篇幅所限，在此不再贅述。

7 回歸初心

用以上篇幅為大家嘗試描述了一個仿真實驗平臺的搭建，至于它更加奇幻的作用與功能，現在就可以想象和開發！也許下一代通信方式將在仿真實驗室誕生。要知道搭建的不僅僅是一套實驗器械或終端，而是一個龐大的互聯創新工場，期待它的無限可能性吧。

其實這樣的仿真實驗室原本就是為學生啟蒙教育而設計的，在基本功能上當然應簡單易用、趣味隨智，讓學生隨心隨性地學習開發，提高腦動力，比如可以任意組合出各種個性玩具、生活中的小電子設備等。配合計算機而附加的各種傳感器和組合模塊必須具備簡單編程功能，可以開發學生的動手編程能力。有了這些模塊和傳感器，模仿門鈴、鋼琴、演唱會甚至紅燒肉的氣味（加入氣味傳感器即可）就變得簡單了。在簡單有趣的實驗中，引領學生走進科學技術的殿堂，使他們慢慢擁有編程能力，使計算機語言不再是艱澀的數碼記程式，為未來人工智能的交互物聯網世界鋪平道路。

有了這些，學生可以把生活中的場景搬進實驗室，開始他們的新發現，按照自己的愛好來搭建屬于自己的實驗室。想一想：什么樣的東西能夠給親人們的生活增添色彩？爸媽的生日就快到了，用仿真實驗室為他們來個焰火表演吧！還可以利用3D虛擬模塊把給他們送上的生日祝福加載在這場焰火表演中！當然這樣的場景還有許多，是不是可以嘗試用這樣的場景來建設一個虛擬賣場呢？想一想怎樣讓它媲美Amazon Go賣場？

說了這么多，其實無非就是利用新科技，解除環境和條件的限制，提高實驗的便利性和可操作性，讓學生更多地了解自己的興趣愛好，開發思維力與創造力，更好地融入未來。它的整個構建方式類似于一張連接天地萬物的物聯網，具備感知—傳輸—處理的功能，利用功能各異的傳感器和現在的高速互聯網絡，連接物與物、連接物與人，利用虛擬與現實的轉化，足以媲美真正實驗室里的各種實驗。對于學生而言，它的最大功用體現在即興開發、所見即所得。那么鑒于這樣的設計初衷，就需要在模塊開發及軟件設計上做最大限度類似于積木搭建那樣的設計，體現簡單易行、開發益智的理念。

8 仿真實驗室的商業模式發展

筆者接下來把關于仿真實驗室商業模式的發展可能性稍微敘述一下。鑒于仿真實驗室的性質，大可借鑒小米的初期發展模式，以發燒友及愛好者為基礎，搭建基于仿真實驗室的軟件交流研發平臺，逐步推出迭代產品，營建產品生態環境；吸引到一定量的愛好者及粉絲后，聯合商業企業及創投基金，共同向市場開發投放終端實驗模塊，做好產品定位及細分。面對兒童群體的，偏重于游戲，寓教于樂；面對發燒友的，則偏重于時尚新奇；面對教育團體的，則趨向于穩定、多元、可升級。至于這樣做的原因，就是可快速積累資源，營造生態圈，迭代產品，創造商業價值。

當然，在這里筆者也僅僅是提出設想，在這方面更加喜歡或者有實力的朋友大可以為此詳細調查研判，做出可行性商業報告?？傊?，在一個信息爆炸的時代，一個創新層出不窮的時代，一個科技發展日新月異的時代，也許下個5G時代風口到來時，學生就是那個飛在風口的風流人物！endprint