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斯坦福、伯克利等美國高校已紛紛布局！虛擬仿真實(shí)驗室將給未來(lái)教育帶來(lái)怎樣的改變？

你還記得大學(xué)里學(xué)的高數、物理的公式嗎？專(zhuān)業(yè)課的知識點(diǎn)現在又還能背出來(lái)幾條？回想起來(lái)，過(guò)去我們大學(xué)學(xué)到的知識總是靠死記硬背、考前突擊，真正能深入理解、學(xué)以致用的知識在畢業(yè)之后可以說(shuō)是寥寥無(wú)幾。

如今，伴隨著(zhù)科技革命的浪潮，教育這個(gè)傳統的“慢行業(yè)”也正在發(fā)生著(zhù)巨大變革。知識正在以更直觀(guān)生動(dòng)、高質(zhì)有效的方式傳遞給學(xué)生，以前厚厚的書(shū)本里的那些枯燥無(wú)味的內容，逐漸從紙上演進(jìn)到多媒體上，從二維的PPT投影逐步演進(jìn)到3D視覺(jué)呈現和操作。

近幾年來(lái)，在全球的頂尖高校中，掀起了一股“虛擬仿真實(shí)驗室”的新風(fēng)潮，通過(guò)信息化手段結合學(xué)科特色，打造富有科技感的多個(gè)學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗，豐富了教學(xué)模式，大大推進(jìn)了教學(xué)資源共享化和教育信息數字化。

什么是虛擬仿真實(shí)驗室？

實(shí)驗教學(xué)是教育教學(xué)過(guò)程中重要的組成部分，它可以幫助學(xué)生提高實(shí)踐動(dòng)手能力，加深學(xué)生對知識的理解，尤其對于STEM學(xué)科來(lái)說(shuō)不可或缺的。而隨著(zhù)教育信息化的飛速發(fā)展，傳統的實(shí)驗室、實(shí)驗方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足當下的教學(xué)需求，虛擬仿真實(shí)驗室的出現，正在改變老師們的授課方式。

那么，什么是虛擬仿真實(shí)驗室呢？簡(jiǎn)單來(lái)講，虛擬仿真實(shí)驗室是一種基于Web、VR虛擬現實(shí)等前沿技術(shù)構建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )化的虛擬實(shí)驗教學(xué)系統，是現有各種教學(xué)實(shí)驗室的數字化和虛擬化。在這個(gè)實(shí)驗室里，學(xué)生既可以在虛擬實(shí)驗臺上動(dòng)手操作，又可自主設計實(shí)驗，教師則可利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的實(shí)驗案例。

除了實(shí)驗環(huán)境設計的靈活性，虛擬仿真實(shí)驗室還具有著(zhù)良好的在線(xiàn)幫助和學(xué)習功能,同時(shí)還能拓展遠程教育的領(lǐng)域，讓實(shí)驗可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )不受時(shí)空限制地利用實(shí)驗設備進(jìn)行實(shí)驗,和其他實(shí)驗者共享資源,實(shí)現合作實(shí)驗、指導實(shí)驗、遠程實(shí)驗等,提高學(xué)習和研究效率,為實(shí)驗教學(xué)環(huán)節提供強有利的支持。
總體來(lái)看，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)具有以下幾個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢：
一是成本低，教學(xué)質(zhì)量更能保證。在實(shí)驗教學(xué)中,實(shí)驗器材及實(shí)驗所需材料由于受價(jià)格的限制而無(wú)法普及，有些實(shí)驗因時(shí)間持續得很長(cháng)以致無(wú)法開(kāi)設。但在虛擬實(shí)驗教學(xué)過(guò)程中，器材、時(shí)間都不是問(wèn)題，學(xué)生可以全面體驗虛擬仿真實(shí)驗，享受探索和創(chuàng )造的樂(lè )趣。

二是互動(dòng)性強，提高學(xué)習主動(dòng)性與效率。教師講解過(guò)程中，學(xué)生一邊聽(tīng)一邊看，還能動(dòng)手跟著(zhù)操作，互動(dòng)性強、體驗感好，在實(shí)驗過(guò)程中，學(xué)生可以看到近乎真實(shí)的實(shí)驗效果，加深對知識的理解。學(xué)生還可以自主DIY實(shí)驗，進(jìn)行大膽探索，享受探索和創(chuàng )造的樂(lè )趣。 

三是能夠提供實(shí)操訓練的機會(huì )，讓學(xué)生在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)之前，就能夠了解真實(shí)產(chǎn)業(yè)運作的情況，例如制造業(yè)操作、金融業(yè)操作等，為他們未來(lái)進(jìn)入職場(chǎng)、進(jìn)入產(chǎn)業(yè)做更好的準備。
其他還有安全性高、更新便捷等優(yōu)點(diǎn)。在現實(shí)生活中，有一些實(shí)驗比較危險、極具破壞性，在傳統實(shí)驗室可能無(wú)法嘗試，但通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)，可以安全的進(jìn)行操作和練習。
此外，實(shí)驗室可通過(guò)軟件更新進(jìn)行內容升級，替代硬件設備的重復采購，相對于傳統的實(shí)驗室來(lái)說(shuō)更新周期短、更新成本小，而且對于各個(gè)學(xué)生的情況可以詳細的記錄，有利于教師教研工作的開(kāi)展。
頂尖高校們的虛擬仿真實(shí)驗室探索
當前，虛擬仿真實(shí)驗室的搭建技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且虛擬仿真實(shí)驗室在教學(xué)上的應用帶來(lái)的幫助已經(jīng)獲得國內外的廣泛認可。在美國，斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等一眾頂尖院校都已布局虛擬仿真實(shí)驗室教學(xué)，并逐步推廣。
從電氣、機械、臨床醫學(xué)等動(dòng)手能力要求較強的專(zhuān)業(yè)，再到供應鏈管理、金融投資、計算機編程等實(shí)訓需求較大的專(zhuān)業(yè)，目前都能找到虛擬仿真實(shí)驗室的身影。虛擬仿真實(shí)驗室教學(xué)正在教育過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)它獨特的效用。

· 斯坦福大學(xué)商學(xué)院：更具實(shí)戰意義的金融投資虛擬實(shí)驗平臺

金融投資虛擬仿真實(shí)驗室是學(xué)生進(jìn)行證券、期貨、外匯等金融市場(chǎng)知識學(xué)習的情景式實(shí)操實(shí)訓實(shí)驗室。斯坦福大學(xué)商學(xué)院的金融投資虛擬仿真實(shí)驗室為學(xué)生提供了一套廣泛的行業(yè)標準應用程序，供投資銀行、基金管理、對沖基金相關(guān)實(shí)訓使用。學(xué)生將使用虛擬訓練程序，將應案例研究和動(dòng)手練習結合使用，以幫助他們通過(guò)實(shí)訓經(jīng)驗掌握財務(wù)、會(huì )計、投資管理相關(guān)的知識。

（斯坦福大學(xué)金融投資虛擬仿真實(shí)驗室的空間布局）

該實(shí)驗室配備了24個(gè)最先進(jìn)的工作站來(lái)模仿交易大廳，并模擬交易大廳實(shí)況在后臺播放CNBC的廣播，讓學(xué)生在實(shí)際操作交易的過(guò)程中更有身臨其境的感覺(jué)。而在這個(gè)實(shí)訓平臺上，無(wú)論學(xué)生是要購買(mǎi)、出售或持有股票、重新平衡ETF的投資組合還是進(jìn)行行業(yè)分析，平臺上的提供了包括FactSet數據分析、RIT封閉市場(chǎng)交易平臺、Portfolio123投資回測工具、彭博社新聞、Think-cell智庫文件等眾多信息分析工具，供學(xué)生在實(shí)訓中隨時(shí)調取使用。
斯坦福大學(xué)認為，該實(shí)驗室課程使學(xué)生有機會(huì )邊做邊學(xué)，從而創(chuàng )造更有意義的學(xué)習體驗。學(xué)生能夠將課堂理論與真實(shí)和模擬的市場(chǎng)數據相結合，以模擬現實(shí)情況。同時(shí)學(xué)生還能更加生動(dòng)、靈活地掌握如何運用RIT、Portfolio123等軟件，訓練學(xué)生獲取、判斷、運用復雜信息的能力，以便于畢業(yè)后能快速地適應實(shí)際工作環(huán)境。

· 密歇根州立大學(xué)：供應鏈管理中的虛擬實(shí)驗

來(lái)自密歇根州立大學(xué)商學(xué)院的Yemisi Bolumole教授早在2015年就在她的物流和運輸管理課程中使用了VDI（虛擬桌面系統）進(jìn)行教學(xué)。在該虛擬系統中，學(xué)生可以通過(guò)筆記本電腦、平板電腦或智能手機隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)“實(shí)驗室”。在該“實(shí)驗室”里，學(xué)生不僅能對實(shí)際物流管理軟件進(jìn)行操作，還能跟同學(xué)和老師進(jìn)行實(shí)時(shí)交流互動(dòng)。幾年實(shí)踐下來(lái)，收獲了學(xué)生的廣泛好評，學(xué)生們紛紛表示這才是真正有用的學(xué)習方法。
其實(shí)在供應鏈管理的過(guò)程中，由于鏈條過(guò)長(cháng)很多知識都比較抽象難以在實(shí)踐中進(jìn)行操作訓練。但在虛擬實(shí)驗教學(xué)課程中，學(xué)生可以使用LogicTools LogicNet（供應鏈網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化軟件工具），從產(chǎn)品包裝，到設計雜貨店布局，以及后續的物流和運輸，在該平臺上，學(xué)生們都可以各自設計他們認為好的管理流程。
在設計完畢之后，學(xué)生們還可以在實(shí)驗平臺上進(jìn)行虛擬購物，進(jìn)一步了解自己之前的每一步流程對最終購物的影響，從供應鏈設計者再到消費者，站在多角度來(lái)參與體驗管理流程及結果，更加深入的了解供應鏈管理的知識，訓練對供應鏈管理工具的操作熟練程度。
在空間設計上，密西根州立大學(xué)的大學(xué)教室委員會(huì )還采用了創(chuàng )新的教室設計并命名為“參與和主動(dòng)學(xué)習的房間”（ Rooms for Engaged And Active Learning，REAL）。REAL空間具有一個(gè)教員站，房間周?chē)兴膫€(gè)平板顯示器，每張桌子上都有雙平板顯示器，通過(guò)這種具有引導性的交互式空間，推動(dòng)建立起具有協(xié)作、動(dòng)手能力、計算機介入的學(xué)習氛圍與討論環(huán)境。

· 加州大學(xué)伯克利分校：用于信息物理系統教學(xué)、評測虛擬平臺

近日，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員宣布，他們基于LabVIEW，創(chuàng )建了用于信息物理系統大規模開(kāi)放在線(xiàn)課程(MOOC)的虛擬仿真實(shí)驗室。那么首先，信息物理系統是什么意思呢？

信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個(gè)綜合計算、網(wǎng)絡(luò )和物理環(huán)境的多維復雜系統，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實(shí)現大型工程系統的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，它被認為有望成為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，信息物理系統就是虛擬數字世界和實(shí)體物理世界的融合，跟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)基本一致，其根本的目的就是智慧制造。

那么，智慧制造當然會(huì )涉及到大規模的機器運作，這便會(huì )對實(shí)踐條件提出了很高的要求。而伯克利大學(xué)的該虛擬仿真實(shí)驗室不僅讓學(xué)生能將真實(shí)機器人仿真、使用編程方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調試、硬件控制等操作，在無(wú)需訪(fǎng)問(wèn)物理實(shí)驗室或任何特定的NI硬件的情況下在虛擬仿真實(shí)驗室平臺的在線(xiàn)學(xué)習平臺（MOOC）上操作，還實(shí)現了該平臺能對學(xué)生的操作情況進(jìn)行自動(dòng)打分。

研究人員使用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了兩個(gè)組件：一個(gè)是部署在虛擬或真實(shí)硬件上的模塊化控制程序，學(xué)生們可以使用C或LabVIEW狀態(tài)圖模塊開(kāi)發(fā)與平臺獨立的代碼；二是開(kāi)發(fā)了獨立運行的簡(jiǎn)易應用程序，提供直觀(guān)易懂的GUI來(lái)進(jìn)行仿真、測試、提供自動(dòng)反饋，并通過(guò)自動(dòng)評分機來(lái)進(jìn)行評分。

（加州大學(xué)伯克利分校的CPS虛擬實(shí)驗MOOC平臺操作系統界面）

該實(shí)驗室于2014年首次上線(xiàn)MOOC課程并開(kāi)展了試點(diǎn)，在注冊課程的8500名學(xué)生中其中有大約500名學(xué)生使用了虛擬仿真實(shí)驗室軟件，最終342名學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗室的學(xué)習并獲得成績(jì)證書(shū)。而在此后的一項學(xué)生調研中顯示， 94％的學(xué)生認為虛擬仿真實(shí)驗室的操作訓練非常實(shí)用， 86％的學(xué)生認為自動(dòng)評分項目非常有用。此外，有90％以上使用過(guò)虛擬仿真實(shí)驗室需誒下的學(xué)生報告說(shuō)，他們在虛擬實(shí)驗平臺上的操作通過(guò)的解決方案，只需很少或完全無(wú)需任何代碼修改就可以用在實(shí)際設備上，這也充分表明了虛擬仿真實(shí)驗室提供了一個(gè)替代現場(chǎng)實(shí)驗室的良好選擇。

除了以上幾個(gè)學(xué)校外，哈佛大學(xué)醫學(xué)院、美國頂尖商學(xué)院巴布森學(xué)院等也正在積極探索、應用虛擬仿真實(shí)驗室，以進(jìn)一步提高教學(xué)效率，提高教學(xué)成果。而在國內，虛擬仿真實(shí)驗室也逐漸從航空航天、醫學(xué)實(shí)驗研究中走向了普通高校教育中。此前中央就提出了教學(xué)信息化的方向，教育部也確立了建設虛擬仿真實(shí)驗室的具體要求，還專(zhuān)門(mén)針對虛擬仿真實(shí)驗室的特性、環(huán)節、適用學(xué)科方向進(jìn)行了深入細致的研究。

從教育擁抱科技的趨勢，以及國內外現有的發(fā)展情況我們似乎可以窺見(jiàn)，虛擬仿真實(shí)驗室將會(huì )成為未來(lái)教學(xué)中的重要一環(huán)，用更新的教育方式與教育理念，才能培養出更適應當下時(shí)代發(fā)展的人才。