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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(yàn)室將給未來教育帶來怎樣的改變？

你還記得大學(xué)里學(xué)的高數(shù)、物理的公式嗎？專業(yè)課的知識(shí)點(diǎn)現(xiàn)在又還能背出來幾條？回想起來，過去我們大學(xué)學(xué)到的知識(shí)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(shí)在畢業(yè)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(gè)傳統(tǒng)的“慢行業(yè)”也正在發(fā)生著巨大變革。知識(shí)正在以更直觀生動(dòng)、高質(zhì)有效的方式傳遞給學(xué)生，以前厚厚的書本里的那些枯燥無味的內(nèi)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視覺呈現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室”的新風(fēng)潮，通過信息化手段結(jié)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(yàn)，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(shù)字化。

什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室？

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育教學(xué)過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(duì)知識(shí)的理解，尤其對(duì)于STEM學(xué)科來說不可或缺的。而隨著教育信息化的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的教學(xué)需求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)，正在改變老師們的授課方式。

那么，什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室呢？簡(jiǎn)單來講，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web、VR虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生既可以在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(yàn)案例。

除了實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)的靈活性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還具有著良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能,同時(shí)還能拓展遠(yuǎn)程教育的領(lǐng)域，讓實(shí)驗(yàn)可以通過網(wǎng)絡(luò)不受時(shí)空限制地利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn),和其他實(shí)驗(yàn)者共享資源,實(shí)現(xiàn)合作實(shí)驗(yàn)、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等,提高學(xué)習(xí)和研究效率,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提供強(qiáng)有利的支持。
總體來看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：
一是成本低，教學(xué)質(zhì)量更能保證。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)所需材料由于受價(jià)格的限制而無法普及，有些實(shí)驗(yàn)因時(shí)間持續(xù)得很長以致無法開設(shè)。但在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，器材、時(shí)間都不是問題，學(xué)生可以全面體驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，享受探索和創(chuàng)造的樂趣。

二是互動(dòng)性強(qiáng)，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性與效率。教師講解過程中，學(xué)生一邊聽一邊看，還能動(dòng)手跟著操作，互動(dòng)性強(qiáng)、體驗(yàn)感好，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以看到近乎真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，加深對(duì)知識(shí)的理解。學(xué)生還可以自主DIY實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行大膽探索，享受探索和創(chuàng)造的樂趣。 

三是能夠提供實(shí)操訓(xùn)練的機(jī)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(yùn)作的情況，例如制造業(yè)操作、金融業(yè)操作等，為他們未來進(jìn)入職場(chǎng)、進(jìn)入產(chǎn)業(yè)做更好的準(zhǔn)備。
其他還有安全性高、更新便捷等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，有一些實(shí)驗(yàn)比較危險(xiǎn)、極具破壞性，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室可能無法嘗試，但通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以安全的進(jìn)行操作和練習(xí)。
此外，實(shí)驗(yàn)室可通過軟件更新進(jìn)行內(nèi)容升級(jí)，替代硬件設(shè)備的重復(fù)采購，相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室來說更新周期短、更新成本小，而且對(duì)于各個(gè)學(xué)生的情況可以詳細(xì)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(shí)驗(yàn)室探索
當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的搭建技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)上的應(yīng)用帶來的幫助已經(jīng)獲得國內(nèi)外的廣泛認(rèn)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(yàn)室教學(xué)，并逐步推廣。
從電氣、機(jī)械、臨床醫(yī)學(xué)等動(dòng)手能力要求較強(qiáng)的專業(yè)，再到供應(yīng)鏈管理、金融投資、計(jì)算機(jī)編程等實(shí)訓(xùn)需求較大的專業(yè)，目前都能找到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的身影。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)正在教育過程中發(fā)揮著它獨(dú)特的效用。

· 斯坦福大學(xué)商學(xué)院：更具實(shí)戰(zhàn)意義的金融投資虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

金融投資虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生進(jìn)行證券、期貨、外匯等金融市場(chǎng)知識(shí)學(xué)習(xí)的情景式實(shí)操實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室。斯坦福大學(xué)商學(xué)院的金融投資虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了一套廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，供投資銀行、基金管理、對(duì)沖基金相關(guān)實(shí)訓(xùn)使用。學(xué)生將使用虛擬訓(xùn)練程序，將應(yīng)案例研究和動(dòng)手練習(xí)結(jié)合使用，以幫助他們通過實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)掌握財(cái)務(wù)、會(huì)計(jì)、投資管理相關(guān)的知識(shí)。

（斯坦福大學(xué)金融投資虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的空間布局）

該實(shí)驗(yàn)室配備了24個(gè)最先進(jìn)的工作站來模仿交易大廳，并模擬交易大廳實(shí)況在后臺(tái)播放CNBC的廣播，讓學(xué)生在實(shí)際操作交易的過程中更有身臨其境的感覺。而在這個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上，無論學(xué)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(jìn)行行業(yè)分析，平臺(tái)上的提供了包括FactSet數(shù)據(jù)分析、RIT封閉市場(chǎng)交易平臺(tái)、Portfolio123投資回測(cè)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(xùn)中隨時(shí)調(diào)取使用。
斯坦福大學(xué)認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)室課程使學(xué)生有機(jī)會(huì)邊做邊學(xué)，從而創(chuàng)造更有意義的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生能夠?qū)⒄n堂理論與真實(shí)和模擬的市場(chǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以模擬現(xiàn)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(yùn)用RIT、Portfolio123等軟件，訓(xùn)練學(xué)生獲取、判斷、運(yùn)用復(fù)雜信息的能力，以便于畢業(yè)后能快速地適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境。

· 密歇根州立大學(xué)：供應(yīng)鏈管理中的虛擬實(shí)驗(yàn)

來自密歇根州立大學(xué)商學(xué)院的Yemisi Bolumole教授早在2015年就在她的物流和運(yùn)輸管理課程中使用了VDI（虛擬桌面系統(tǒng)）進(jìn)行教學(xué)。在該虛擬系統(tǒng)中，學(xué)生可以通過筆記本電腦、平板電腦或智能手機(jī)隨時(shí)訪問“實(shí)驗(yàn)室”。在該“實(shí)驗(yàn)室”里，學(xué)生不僅能對(duì)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，收獲了學(xué)生的廣泛好評(píng)，學(xué)生們紛紛表示這才是真正有用的學(xué)習(xí)方法。
其實(shí)在供應(yīng)鏈管理的過程中，由于鏈條過長很多知識(shí)都比較抽象難以在實(shí)踐中進(jìn)行操作訓(xùn)練。但在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程中，學(xué)生可以使用LogicTools LogicNet（供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化軟件工具），從產(chǎn)品包裝，到設(shè)計(jì)雜貨店布局，以及后續(xù)的物流和運(yùn)輸，在該平臺(tái)上，學(xué)生們都可以各自設(shè)計(jì)他們認(rèn)為好的管理流程。
在設(shè)計(jì)完畢之后，學(xué)生們還可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)最終購物的影響，從供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)者再到消費(fèi)者，站在多角度來參與體驗(yàn)管理流程及結(jié)果，更加深入的了解供應(yīng)鏈管理的知識(shí)，訓(xùn)練對(duì)供應(yīng)鏈管理工具的操作熟練程度。
在空間設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)并命名為“參與和主動(dòng)學(xué)習(xí)的房間”（ Rooms for Engaged And Active Learning，REAL）。REAL空間具有一個(gè)教員站，房間周圍有四個(gè)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(dǎo)性的交互式空間，推動(dòng)建立起具有協(xié)作、動(dòng)手能力、計(jì)算機(jī)介入的學(xué)習(xí)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(tǒng)教學(xué)、評(píng)測(cè)虛擬平臺(tái)

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(tǒng)大規(guī)模開放在線課程(MOOC)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。那么首先，信息物理系統(tǒng)是什么意思呢？

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，它被認(rèn)為有望成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。簡(jiǎn)單來說，信息物理系統(tǒng)就是虛擬數(shù)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(dāng)然會(huì)涉及到大規(guī)模的機(jī)器運(yùn)作，這便會(huì)對(duì)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(yàn)室不僅讓學(xué)生能將真實(shí)機(jī)器人仿真、使用編程方法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試、硬件控制等操作，在無需訪問物理實(shí)驗(yàn)室或任何特定的NI硬件的情況下在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)（MOOC）上操作，還實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)能對(duì)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)圖模塊開發(fā)與平臺(tái)獨(dú)立的代碼；二是開發(fā)了獨(dú)立運(yùn)行的簡(jiǎn)易應(yīng)用程序，提供直觀易懂的GUI來進(jìn)行仿真、測(cè)試、提供自動(dòng)反饋，并通過自動(dòng)評(píng)分機(jī)來進(jìn)行評(píng)分。

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

該實(shí)驗(yàn)室于2014年首次上線MOOC課程并開展了試點(diǎn)，在注冊(cè)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(yàn)室軟件，最終342名學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)并獲得成績(jī)證書。而在此后的一項(xiàng)學(xué)生調(diào)研中顯示， 94％的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的操作訓(xùn)練非常實(shí)用， 86％的學(xué)生認(rèn)為自動(dòng)評(píng)分項(xiàng)目非常有用。此外，有90％以上使用過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室需誒下的學(xué)生報(bào)告說，他們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)際設(shè)備上，這也充分表明了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)替代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的良好選擇。

除了以上幾個(gè)學(xué)校外，哈佛大學(xué)醫(yī)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(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以進(jìn)一步提高教學(xué)效率，提高教學(xué)成果。而在國內(nèi)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也逐漸從航空航天、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的具體要求，還專門針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特性、環(huán)節(jié)、適用學(xué)科方向進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。

從教育擁抱科技的趨勢(shì)，以及國內(nèi)外現(xiàn)有的發(fā)展情況我們似乎可以窺見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室將會(huì)成為未來教學(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(yǎng)出更適應(yīng)當(dāng)下時(shí)代發(fā)展的人才。