数据驱动的影子系统
教育部从2013年开始，不断在全国高等院校推广虚拟实验室，花重金打造全国各种专业的虚拟仿真实验室，每年资助100个国家级虚拟仿真实验教学中心。在此措施激励下，全国各地掀起了一场以“Flash”为核心的动画虚拟实验室的浪潮。很多学校的专业教师甚至教育主管部门对于虚拟实验室的误解在于，认为虚拟实验室是解决经费紧缺的重要手段。一个非常主流的制作虚拟课件的公司就宣称：“通过我们高仿真的虚拟实验室，学生可以看到现场看不到的机器内部的真实情况，因为即使到现场，由于机器3年检修一次，学生只能看图纸，有了虚拟化，学生就能够看清楚内部构造。”这是典型的虚拟化误区，而且错得离谱，因为我从小在工厂长大、毕业再回工厂工作、父母兄弟姐妹一家人都是工程师，我一直笃定地认为，一个工程师最起码的能力是看图能力和根据现场画图能力，如果虚拟仿真代替或者减弱学生的看图和图纸想象能力，这种虚拟化是灾难的。
在我看来，虚拟教学的核心不应是节省费用，更不是以绚丽的三维动画代替学生的工程想象能力，而是为了体现比实体系统更加真实和抽象的“教育之真”。比如，荷兰的一位教授在2009年就开始的跨越欧盟十多个国家的远程虚拟电力发电实验，电脑里跳动的数字和发电过程的虚拟化场景，不仅有多个不同远程部件的实验室真实物联网的数据的动态回馈，更重要的是，这些汇集起来的数据对于学生学习电力系统的逻辑，比学生去看真实的电站，更加体现出“教育之真”。再比如有个著名的人体标本制作作品所体现的人体的标本，把原本藏在皮肤内部的肌肉通过特殊的工艺突显出来，体现出原本人肉眼看不见的肌肉的纹理，这种叫“教育之真”。
就像看了再多的关于爱情的文学作品，都不能代替一个年轻人去真正谈一场恋爱一样，“教育即生活、学校即社会”，学校是大千世界的真实映射。这种映射，不是减弱大千世界的真实印象，而是加强这种印象。对于年轻人来讲，学校就是一所增强版的“恋爱实验室”，在这个实验室里，不仅体会出实体的青春萌动，更重要的是附加上象牙塔之外不容易存在的“爱情的诗歌、音乐”等增强版的虚拟因素，使得“爱情”这种感觉由于升华而更加真实。实体的和虚拟增强的因素，构成了“影子系统”，为学生打下“改造世界的信息模板”，为学生打造“高于现实的教育之真”。
以沪江网为代表的新一代教育，动辄3000人同时在线的课堂已经成为常态，这就是互联网+时代的教育，而被技术改变的教育通过将不属于教育的互联网+扔到网上以后，会进入一个物联网+的时代，这个时代，就是云地一体化、虚实一体化的实验影子系统，实体、模拟、远程、现实增强一体化的数据驱动的实验室，一起构成了影子系统。
物联网+的影子实验室模块图
基于物联网+的影子系统，包含以下重要概念的整合和升级：模拟系统、仿真系统、虚拟现实系统、增强现实系统、远程系统、知识地图。
1.模拟系统
模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。
模拟最重要的是简化，在教育上最容易出问题也适合简化环节。通过简化和关键特征的抽取，最容易体现出知识的逻辑，然而这种简化如果不适当，就还不如书本和数学公式来得贴近。例如，在一所职业技术学院的简化版的以动画为核心的精密加工模拟环境，学生能够看到的仅仅是动画和关键节奏的输入输出；经过改进的模拟系统，抽象出来不同车床的各种噪音，以噪音的特征值反映不同故障，让学生还原故障可能的错误操作，虽然看起来比起前者动画没有了，但是学生体会更深了。
2.仿真系统
仿真（Simulation），即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
例如上海第二军医大学的护理实验室，通过野战护理的场景仿真，以及环境中利用电视屏幕对火灾、地震、洪水、化学灾难的环境仿真，训练的是在不同环境中学生的野战护理流程和专业素养。
3.虚拟现实系统
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。
以Flash等方式，开发虚拟的在线实验，相关的实验数据和结果可以保存在教学平台中，实现对自学活动及成绩的有效管理。学生可以通过教学系统平台中的相关Flash，进行自主学习。
虚拟现实技术表面上为节省了资金和教育经费，事实上最重要的目的是沉浸，如果没有真正的沉浸，这种节省是毫无用途的甚至是有害的。在沉浸系统的发展中，眼镜技术和虚实一体化是重要的发展方向，在教育中虚拟现实不仅要反映出三维实景的真实性，更要体现出实景真实性背后的教育之真以及学生由于沉浸系统而模拟出来的情感和体验。
4.增强现实系统
增强现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、听觉、味觉、触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。
2011这套太极拳还属研发项目，到2015年类似的增强现实技术已经逐渐成熟。
在卡内基梅隆大学计算机工程系，2011年，Caiyang老师就利用视频互动技术，让电脑里的机器人跟着学生的样子打拳，并根据标准太极拳的套路给学生的表演打分。4年过去了，原先高端的科研，目前已经在开源软件中非常廉价地可以得到万千种类似的增强现实的代码。
例如，学生只要有手机，就可以通过APP软件跟踪实验室的设备，被对准的实验设备，会在手机上展现叠加出来的图层：实验设备的状态、名称、参数、物联网的及时数据、使用视频和所有普适计算相关的参数。这些参数都是实验室智能系统预设的和通过物联网大数据收集的。
5.远程系统
系统采用多种物联设备，获取实验业务信息及设备运行数据，并进行设备的管理与运行。
相比起前面的各种影子系统，远程实验是典型的物联网系统。2010年，上海中医药大学动物房就通过实验老鼠的远程视频，完成了学生在宿舍中连续观察老鼠实验活性的远程实验。下图中的西安工程大学图形图像实验室，通过LABVIEW，将远程的印染机的信号和试验箱的信号远程传输到学生客户端，再通过虚拟系统和实际信号叠加还原成现场一样的“影子系统”。
西安工程大学让虚拟和现实交汇构成了新的实验室。
6.知识地图
通过二维码、地理信息系统GIS、WIFI定位、位置传感器、增强现实的识别等技术，实现手机端与pc端的交互，可以快速地连接相关的信息，如课表信息、知识信息、GIS地图、微课、设备信息等。
影子系统，作为一个连接实体资源与知识资源的技术系统，还需要很多的实验信息系统的支撑才能实现数据科学的应用。这些系统包括：资产管理系统、设备管理系统、科研协同系统、项目管理系统、实验物联系统、在线课程、微课平台、排课系统、实验预约系统、视频系统、考勤系统等等。
技术是为教学服务的，影子系统的核心是教学，一个复杂的技术系统中，将师生教学融入其中，教学设计也最为关键。下面是一个食品工厂的设计课程的影子系统的教学使用案例。
1.厂址选择：
作业——地图上选择6处有代表性的地点，给出进行设计所需的当地水文、地质等数据，给出选择依据和选择条件，进行选择；
资源——地图、虚拟课件选点练习、测验、相关知识点、微课、案例、扩展资源、往届学生作业；
提交——选点设计说明的作业；
2.总平面设计
作业——在给定的厂区内设置车间、工段、设备和管路等内容，以平面图的形式进行初步的设计；
资源——平面及管路设计方案、平面到立体演示、测验、相关知识点、微课、案例、扩展资源、往届学生作业；
提交——平面设计作业；
3.工艺设计
作业——工艺衡算、设备计算与选型和管路设计计算；
资源——工艺计算完整演示、各类计算基本案例、测验、相关知识点、微课、案例、扩展资源、往届学生作业；
提交——工艺设计作业；
4.非工艺设计
作业——辅助部门、公用工程、工业建筑和环保设施等设计；
资源——非工艺设计完整演示、测验、相关知识点、微课、案例、扩展资源、往届学生作业；
提交——非工艺设计作业。
以厂址选择为例，影子系统如何在学习中起到作用。
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