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虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?

分類:創新案例 發布日期:2022-02-16 發布人:溈徠

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖1)

你還記得大學里學的高數、物理的公式嗎?專業課的知識點現在又還能背出來幾條?回想起來,過去我們大學學到的知識總是靠死記硬背、考前突擊,真正能深入理解、學以致用的知識在畢業之后可以說是寥寥無幾。

如今,伴隨著科技革命的浪潮,教育這個傳統的“慢行業”也正在發生著巨大變革。知識正在以更直觀生動、高質有效的方式傳遞給學生,以前厚厚的書本里的那些枯燥無味的內容,逐漸從紙上演進到多媒體上,從二維的PPT投影逐步演進到3D視覺呈現和操作。

近幾年來,在全球的頂尖高校中,掀起了一股“虛擬仿真實驗室”的新風潮,通過信息化手段結合學科特色,打造富有科技感的多個學科虛擬仿真實驗,豐富了教學模式,大大推進了教學資源共享化和教育信息數字化。

什么是虛擬仿真實驗室?

實驗教學是教育教學過程中重要的組成部分,它可以幫助學生提高實踐動手能力,加深學生對知識的理解,尤其對于STEM學科來說不可或缺的。而隨著教育信息化的飛速發展,傳統的實驗室、實驗方式已經不能滿足當下的教學需求,虛擬仿真實驗室的出現,正在改變老師們的授課方式。

那么,什么是虛擬仿真實驗室呢?簡單來講,虛擬仿真實驗室是一種基于Web、VR虛擬現實等前沿技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統,是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。在這個實驗室里,學生既可以在虛擬實驗臺上動手操作,又可自主設計實驗,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驗案例。

除了實驗環境設計的靈活性,虛擬仿真實驗室還具有著良好的在線幫助和學習功能,同時還能拓展遠程教育的領域,讓實驗可以通過網絡不受時空限制地利用實驗設備進行實驗,和其他實驗者共享資源,實現合作實驗、指導實驗、遠程實驗等,提高學習和研究效率,為實驗教學環節提供強有利的支持。

總體來看,虛擬仿真實驗教學具有以下幾個顯著優勢:

一是成本低,教學質量更能保證。在實驗教學中,實驗器材及實驗所需材料由于受價格的限制而無法普及,有些實驗因時間持續得很長以致無法開設。但在虛擬實驗教學過程中,器材、時間都不是問題,學生可以全面體驗虛擬仿真實驗,享受探索和創造的樂趣。

二是互動性強,提高學習主動性與效率。教師講解過程中,學生一邊聽一邊看,還能動手跟著操作,互動性強、體驗感好,在實驗過程中,學生可以看到近乎真實的實驗效果,加深對知識的理解。學生還可以自主DIY實驗,進行大膽探索,享受探索和創造的樂趣。

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖2)

三是能夠提供實操訓練的機會,讓學生在進入產業之前,就能夠了解真實產業運作的情況,例如制造業操作、金融業操作等,為他們未來進入職場、進入產業做更好的準備。

其他還有安全性高、更新便捷等優點。在現實生活中,有一些實驗比較危險、極具破壞性,在傳統實驗室可能無法嘗試,但通過虛擬仿真實驗教學,可以安全的進行操作和練習。

此外,實驗室可通過軟件更新進行內容升級,替代硬件設備的重復采購,相對于傳統的實驗室來說更新周期短、更新成本小,而且對于各個學生的情況可以詳細的記錄,有利于教師教研工作的開展。

頂尖高校們的虛擬仿真實驗室探索

當前,虛擬仿真實驗室的搭建技術已經非常成熟,并且虛擬仿真實驗室在教學上的應用帶來的幫助已經獲得國內外的廣泛認可。在美國,斯坦福大學、加州大學伯克利分校等一眾頂尖院校都已布局虛擬仿真實驗室教學,并逐步推廣。

從電氣、機械、臨床醫學等動手能力要求較強的專業,再到供應鏈管理、金融投資、計算機編程等實訓需求較大的專業,目前都能找到虛擬仿真實驗室的身影。虛擬仿真實驗室教學正在教育過程中發揮著它獨特的效用。

· 斯坦福大學商學院:更具實戰意義的金融投資虛擬實驗平臺

金融投資虛擬仿真實驗室是學生進行證券、期貨、外匯等金融市場知識學習的情景式實操實訓實驗室。斯坦福大學商學院的金融投資虛擬仿真實驗室為學生提供了一套廣泛的行業標準應用程序,供投資銀行、基金管理、對沖基金相關實訓使用。學生將使用虛擬訓練程序,將應案例研究和動手練習結合使用,以幫助他們通過實訓經驗掌握財務、會計、投資管理相關的知識。

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖3)

斯坦福大學金融投資虛擬仿真實驗室的空間布局

該實驗室配備了24個最先進的工作站來模仿交易大廳,并模擬交易大廳實況在后臺播放CNBC的廣播,讓學生在實際操作交易的過程中更有身臨其境的感覺。而在這個實訓平臺上,無論學生是要購買、出售或持有股票、重新平衡ETF的投資組合還是進行行業分析,平臺上的提供了包括FactSet數據分析、RIT封閉市場交易平臺、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,供學生在實訓中隨時調取使用。

斯坦福大學認為,該實驗室課程使學生有機會邊做邊學,從而創造更有意義的學習體驗。學生能夠將課堂理論與真實和模擬的市場數據相結合,以模擬現實情況。同時學生還能更加生動、靈活地掌握如何運用RIT、Portfolio123等軟件,訓練學生獲取、判斷、運用復雜信息的能力,以便于畢業后能快速地適應實際工作環境。

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖4)

· 密歇根州立大學:供應鏈管理中的虛擬實驗

來自密歇根州立大學商學院的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)進行教學。在該虛擬系統中,學生可以通過筆記本電腦、平板電腦或智能手機隨時訪問“實驗室”。在該“實驗室”里,學生不僅能對實際物流管理軟件進行操作,還能跟同學和老師進行實時交流互動。幾年實踐下來,收獲了學生的廣泛好評,學生們紛紛表示這才是真正有用的學習方法。

其實在供應鏈管理的過程中,由于鏈條過長很多知識都比較抽象難以在實踐中進行操作訓練。但在虛擬實驗教學課程中,學生可以使用LogicTools LogicNet(供應鏈網絡優化軟件工具),從產品包裝,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,學生們還可以在實驗平臺上進行虛擬購物,進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,密西根州立大學的大學教室委員會還采用了創新的教室設計并命名為“參與和主動學習的房間”( Rooms for Engaged And Active Learning,REAL)。REAL空間具有一個教員站,房間周圍有四個平板顯示器,每張桌子上都有雙平板顯示器,通過這種具有引導性的交互式空間,推動建立起具有協作、動手能力、計算機介入的學習氛圍與討論環境。

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖5)

· 加州大學伯克利分校:用于信息物理系統教學、評測虛擬平臺

近日,加州大學伯克利分校的研究人員宣布,他們基于LabVIEW,創建了用于信息物理系統大規模開放在線課程(MOOC)的虛擬仿真實驗室。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)是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統,通過3C(Computing、Communication、Control)技術的有機融合與深度協作,實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務,它被認為有望成為繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次浪潮。簡單來說,信息物理系統就是虛擬數字世界和實體物理世界的融合,跟工業物聯網的本質基本一致,其根本的目的就是智慧制造。

那么,智慧制造當然會涉及到大規模的機器運作,這便會對實踐條件提出了很高的要求。而伯克利大學的該虛擬仿真實驗室不僅讓學生能將真實機器人仿真、使用編程方法進行開發和調試、硬件控制等操作,在無需訪問物理實驗室或任何特定的NI硬件的情況下在虛擬仿真實驗室平臺的在線學習平臺(MOOC)上操作,還實現了該平臺能對學生的操作情況進行自動打分。

研究人員使用LabVIEW軟件開發了兩個組件:一個是部署在虛擬或真實硬件上的模塊化控制程序,學生們可以使用C或LabVIEW狀態圖模塊開發與平臺獨立的代碼;二是開發了獨立運行的簡易應用程序,提供直觀易懂的GUI來進行仿真、測試、提供自動反饋,并通過自動評分機來進行評分。

虛擬仿真實驗室風靡國外高校,將給未來教育帶來怎樣的改變?(圖6)

加州大學伯克利分校的CPS虛擬實驗MOOC平臺操作系統界面

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

除了以上幾個學校外,哈佛大學醫學院、美國頂尖商學院巴布森學院等也正在積極探索、應用虛擬仿真實驗室,以進一步提高教學效率,提高教學成果。而在國內,虛擬仿真實驗室也逐漸從航空航天、醫學實驗研究中走向了普通高校教育中。此前中央就提出了教學信息化的方向,教育部也確立了建設虛擬仿真實驗室的具體要求,還專門針對虛擬仿真實驗室的特性、環節、適用學科方向進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展情況我們似乎可以窺見,虛擬仿真實驗室將會成為未來教學中的重要一環,用更新的教育方式與教育理念,才能培養出更適應當下時代發展的人才。

參考鏈接:

1.https://broad.msu.edu/news/virtual-labs-open-up-possibilities/

https://tech.msu.edu/teaching/real/

2.https://www.gsb.stanford.edu/faculty-research/labs/rail

3.https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/lab/releases/1.70/EmbeddedLab_v1.70_RemoteDocs.pdf



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