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斯坦福、伯克利等美国高校已纷纷布局!虚拟仿真实验室将给未来教育带来怎样的改变?

你还记得大学里学的高数、物理的公式吗?专业课的知识点现在又还能背出来几条?回想起来,过去我们大学学到的知识总是靠死记硬背、考前突击,真正能深入理解、学以致用的知识在毕业之后可以说是寥寥无几。


如今,伴随着科技革命的浪潮,教育这个传统的“慢行业”也正在发生着巨大变革。知识正在以更直观生动、高质有效的方式传递给学生,以前厚厚的书本里的那些枯燥无味的内容,逐渐从纸上演进到多媒体上,从二维的PPT投影逐步演进到3D视觉呈现和操作。


近几年来,在全球的顶尖高校中,掀起了一股“虚拟仿真实验室”的新风潮通过信息化手段结合学科特色,打造富有科技感的多个学科虚拟仿真实验,丰富了教学模式,大大推进了教学资源共享化和教育信息数字化。


什么是虚拟仿真实验室?


实验教学是教育教学过程中重要的组成部分,它可以帮助学生提高实践动手能力,加深学生对知识的理解,尤其对于STEM学科来说不可或缺的。而随着教育信息化的飞速发展,传统的实验室、实验方式已经不能满足当下的教学需求,虚拟仿真实验室的出现,正在改变老师们的授课方式。


那么,什么是虚拟仿真实验室呢?简单来讲,虚拟仿真实验室是一种基于Web、VR虚拟现实等前沿技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统,是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。在这个实验室里,学生既可以在虚拟实验台上动手操作,又可自主设计实验,教师则可利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的实验案例。


除了实验环境设计的灵活性,虚拟仿真实验室还具有着良好的在线帮助和学习功能,同时还能拓展远程教育的领域,让实验可以通过网络不受时空限制地利用实验设备进行实验,和其他实验者共享资源,实现合作实验、指导实验、远程实验等,提高学习和研究效率,为实验教学环节提供强有利的支持。
总体来看,虚拟仿真实验教学具有以下几个显著优势:
一是成本低,教学质量更能保证。在实验教学中,实验器材及实验所需材料由于受价格的限制而无法普及,有些实验因时间持续得很长以致无法开设。但在虚拟实验教学过程中,器材、时间都不是问题,学生可以全面体验虚拟仿真实验,享受探索和创造的乐趣。

二是互动性强,提高学习主动性与效率。教师讲解过程中,学生一边听一边看,还能动手跟着操作,互动性强、体验感好,在实验过程中,学生可以看到近乎真实的实验效果,加深对知识的理解。学生还可以自主DIY实验,进行大胆探索,享受探索和创造的乐趣。 


三是能够提供实操训练的机会,让学生在进入产业之前,就能够了解真实产业运作的情况,例如制造业操作、金融业操作等,为他们未来进入职场、进入产业做更好的准备。
其他还有安全性高、更新便捷等优点。在现实生活中,有一些实验比较危险、极具破坏性,在传统实验室可能无法尝试,但通过虚拟仿真实验教学,可以安全的进行操作和练习。
此外,实验室可通过软件更新进行内容升级,替代硬件设备的重复采购,相对于传统的实验室来说更新周期短、更新成本小,而且对于各个学生的情况可以详细的记录,有利于教师教研工作的开展。
顶尖高校们的虚拟仿真实验室探索
当前,虚拟仿真实验室的搭建技术已经非常成熟,并且虚拟仿真实验室在教学上的应用带来的帮助已经获得国内外的广泛认可。在美国,斯坦福大学、加州大学伯克利分校等一众顶尖院校都已布局虚拟仿真实验室教学,并逐步推广。
从电气、机械、临床医学等动手能力要求较强的专业,再到供应链管理、金融投资、计算机编程等实训需求较大的专业,目前都能找到虚拟仿真实验室的身影。虚拟仿真实验室教学正在教育过程中发挥着它独特的效用。

· 斯坦福大学商学院:更具实战意义的金融投资虚拟实验平台


金融投资虚拟仿真实验室是学生进行证券、期货、外汇等金融市场知识学习的情景式实操实训实验室。斯坦福大学商学院的金融投资虚拟仿真实验室为学生提供了一套广泛的行业标准应用程序,供投资银行、基金管理、对冲基金相关实训使用。学生将使用虚拟训练程序,将应案例研究和动手练习结合使用,以帮助他们通过实训经验掌握财务、会计、投资管理相关的知识。


(斯坦福大学金融投资虚拟仿真实验室的空间布局)
该实验室配备了24个最先进的工作站来模仿交易大厅,并模拟交易大厅实况在后台播放CNBC的广播,让学生在实际操作交易的过程中更有身临其境的感觉。而在这个实训平台上,无论学生是要购买、出售或持有股票、重新平衡ETF的投资组合还是进行行业分析,平台上的提供了包括FactSet数据分析、RIT封闭市场交易平台、Portfolio123投资回测工具、彭博社新闻、Think-cell智库文件等众多信息分析工具,供学生在实训中随时调取使用。
斯坦福大学认为,该实验室课程使学生有机会边做边学,从而创造更有意义的学习体验。学生能够将课堂理论与真实和模拟的市场数据相结合,以模拟现实情况。同时学生还能更加生动、灵活地掌握如何运用RIT、Portfolio123等软件,训练学生获取、判断、运用复杂信息的能力,以便于毕业后能快速地适应实际工作环境。

· 密歇根州立大学:供应链管理中的虚拟实验


来自密歇根州立大学商学院的Yemisi Bolumole教授早在2015年就在她的物流和运输管理课程中使用了VDI(虚拟桌面系统)进行教学。在该虚拟系统中,学生可以通过笔记本电脑、平板电脑或智能手机随时访问“实验室”。在该“实验室”里,学生不仅能对实际物流管理软件进行操作,还能跟同学和老师进行实时交流互动。几年实践下来,收获了学生的广泛好评,学生们纷纷表示这才是真正有用的学习方法。
其实在供应链管理的过程中,由于链条过长很多知识都比较抽象难以在实践中进行操作训练。但在虚拟实验教学课程中,学生可以使用LogicTools LogicNet(供应链网络优化软件工具),从产品包装,到设计杂货店布局,以及后续的物流和运输,在该平台上,学生们都可以各自设计他们认为好的管理流程。
在设计完毕之后,学生们还可以在实验平台上进行虚拟购物,进一步了解自己之前的每一步流程对最终购物的影响,从供应链设计者再到消费者,站在多角度来参与体验管理流程及结果,更加深入的了解供应链管理的知识,训练对供应链管理工具的操作熟练程度。
在空间设计上,密西根州立大学的大学教室委员会还采用了创新的教室设计并命名为“参与和主动学习的房间”( Rooms for Engaged And Active Learning,REAL)。REAL空间具有一个教员站,房间周围有四个平板显示器,每张桌子上都有双平板显示器,通过这种具有引导性的交互式空间,推动建立起具有协作、动手能力、计算机介入的学习氛围与讨论环境。


· 加州大学伯克利分校:用于信息物理系统教学、评测虚拟平台

近日,加州大学伯克利分校的研究人员宣布,他们基于LabVIEW,创建了用于信息物理系统大规模开放在线课程(MOOC)的虚拟仿真实验室。那么首先,信息物理系统是什么意思呢?


信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务,它被认为有望成为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次浪潮。简单来说,信息物理系统就是虚拟数字世界和实体物理世界的融合,跟工业物联网的本质基本一致,其根本的目的就是智慧制造。


那么,智慧制造当然会涉及到大规模的机器运作,这便会对实践条件提出了很高的要求。而伯克利大学的该虚拟仿真实验室不仅让学生能将真实机器人仿真、使用编程方法进行开发和调试、硬件控制等操作,在无需访问物理实验室或任何特定的NI硬件的情况下在虚拟仿真实验室平台的在线学习平台(MOOC)上操作,还实现了该平台能对学生的操作情况进行自动打分。


研究人员使用LabVIEW软件开发了两个组件:一个是部署在虚拟或真实硬件上的模块化控制程序,学生们可以使用C或LabVIEW状态图模块开发与平台独立的代码;二是开发了独立运行的简易应用程序,提供直观易懂的GUI来进行仿真、测试、提供自动反馈,并通过自动评分机来进行评分。


(加州大学伯克利分校的CPS虚拟实验MOOC平台操作系统界面)


该实验室于2014年首次上线MOOC课程并开展了试点,在注册课程的8500名学生中其中有大约500名学生使用了虚拟仿真实验室软件,最终342名学生通过虚拟仿真实验室的学习并获得成绩证书。而在此后的一项学生调研中显示, 94%的学生认为虚拟仿真实验室的操作训练非常实用, 86%的学生认为自动评分项目非常有用。此外,有90%以上使用过虚拟仿真实验室需诶下的学生报告说,他们在虚拟实验平台上的操作通过的解决方案,只需很少或完全无需任何代码修改就可以用在实际设备上,这也充分表明了虚拟仿真实验室提供了一个替代现场实验室的良好选择。


除了以上几个学校外,哈佛大学医学院、美国顶尖商学院巴布森学院等也正在积极探索、应用虚拟仿真实验室,以进一步提高教学效率,提高教学成果。在国内,虚拟仿真实验室也逐渐从航空航天、医学实验研究中走向了普通高校教育中。此前中央就提出了教学信息化的方向,教育部也确立了建设虚拟仿真实验室的具体要求,还专门针对虚拟仿真实验室的特性、环节、适用学科方向进行了深入细致的研究。


从教育拥抱科技的趋势,以及国内外现有的发展情况我们似乎可以窥见,虚拟仿真实验室将会成为未来教学中的重要一环,用更新的教育方式与教育理念,才能培养出更适应当下时代发展的人才。


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