斯坦福、伯克利等美國高校已紛紛布局！虛擬仿真實驗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)課的知識點現(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)之后可以說是寥寥無幾。

如今，伴隨著科技革命的浪潮，教育這個傳統(tǒng)的“慢行業(yè)”也正在發(fā)生著巨大變革。知識正在以更直觀生動、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“虛擬仿真實驗室”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學(xué)科虛擬仿真實驗，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(shù)字化。

什么是虛擬仿真實驗室？

實驗教學(xué)是教育教學(xué)過程中重要的組成部分，它可以幫助學(xué)生提高實踐動手能力，加深學(xué)生對知識的理解，尤其對于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)的實驗室、實驗方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的教學(xué)需求，虛擬仿真實驗室的出現(xiàn)，正在改變老師們的授課方式。

那么，什么是虛擬仿真實驗室呢？簡單來講，虛擬仿真實驗室是一種基于Web、VR虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化。在這個實驗室里，學(xué)生既可以在虛擬實驗臺上動手操作，又可自主設(shè)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(huán)境設(shè)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(xué)習(xí)功能,同時還能拓展遠(yuǎn)程教育的領(lǐng)域，讓實驗可以通過網(wǎng)絡(luò)不受時空限制地利用實驗設(shè)備進(jìn)行實驗,和其他實驗者共享資源,實現(xiàn)合作實驗、指導(dǎo)實驗、遠(yuǎn)程實驗等,提高學(xué)習(xí)和研究效率,為實驗教學(xué)環(huán)節(jié)提供強(qiáng)有利的支持。
總體來看，虛擬仿真實驗教學(xué)具有以下幾個顯著優(yōu)勢：
一是成本低，教學(xué)質(zhì)量更能保證。在實驗教學(xué)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(xù)得很長以致無法開設(shè)。但在虛擬實驗教學(xué)過程中，器材、時間都不是問題，學(xué)生可以全面體驗虛擬仿真實驗，享受探索和創(chuàng)造的樂趣。

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

三是能夠提供實操訓(xùn)練的機(jī)會，讓學(xué)生在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)之前，就能夠了解真實產(chǎn)業(yè)運作的情況，例如制造業(yè)操作、金融業(yè)操作等，為他們未來進(jìn)入職場、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。在現(xiàn)實生活中，有一些實驗比較危險、極具破壞性，在傳統(tǒng)實驗室可能無法嘗試，但通過虛擬仿真實驗教學(xué)，可以安全的進(jìn)行操作和練習(xí)。
此外，實驗室可通過軟件更新進(jìn)行內(nèi)容升級，替代硬件設(shè)備的重復(fù)采購，相對于傳統(tǒng)的實驗室來說更新周期短、更新成本小，而且對于各個學(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驗室探索
當(dāng)前，虛擬仿真實驗室的搭建技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并且虛擬仿真實驗室在教學(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驗室教學(xué)，并逐步推廣。
從電氣、機(jī)械、臨床醫(yī)學(xué)等動手能力要求較強(qiáng)的專業(yè)，再到供應(yīng)鏈管理、金融投資、計算機(jī)編程等實訓(xùn)需求較大的專業(yè)，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(xué)正在教育過程中發(fā)揮著它獨特的效用。

· 斯坦福大學(xué)商學(xué)院：更具實戰(zhàn)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(xué)生進(jìn)行證券、期貨、外匯等金融市場知識學(xué)習(xí)的情景式實操實訓(xùn)實驗室。斯坦福大學(xué)商學(xué)院的金融投資虛擬仿真實驗室為學(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、對沖基金相關(guān)實訓(xùn)使用。學(xué)生將使用虛擬訓(xùn)練程序，將應(yīng)案例研究和動手練習(xí)結(jié)合使用，以幫助他們通過實訓(xùn)經(jīng)驗掌握財務(wù)、會計、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驗室的空間布局）

該實驗室配備了24個最先進(jìn)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(xué)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(xùn)平臺上，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，平臺上的提供了包括FactSet數(shù)據(jù)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(xué)生在實訓(xùn)中隨時調(diào)取使用。
斯坦福大學(xué)認(rèn)為，該實驗室課程使學(xué)生有機(jī)會邊做邊學(xué)，從而創(chuàng)造更有意義的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)生能夠?qū)⒄n堂理論與真實和模擬的市場數(shù)據(jù)相結(jié)合，以模擬現(xiàn)實情況。同時學(xué)生還能更加生動、靈活地掌握如何運用RIT、Portfolio123等軟件，訓(xùn)練學(xué)生獲取、判斷、運用復(fù)雜信息的能力，以便于畢業(yè)后能快速地適應(yīng)實際工作環(huán)境。

· 密歇根州立大學(xué)：供應(yīng)鏈管理中的虛擬實驗

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)隨時訪問“實驗室”。在該“實驗室”里，學(xué)生不僅能對實際物流管理軟件進(jìn)行操作，還能跟同學(xué)和老師進(jìn)行實時交流互動。幾年實踐下來，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(xí)方法。
其實在供應(yīng)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(jìn)行操作訓(xùn)練。但在虛擬實驗教學(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)計雜貨店布局，以及后續(xù)的物流和運輸，在該平臺上，學(xué)生們都可以各自設(shè)計他們認(rèn)為好的管理流程。
在設(shè)計完畢之后，學(xué)生們還可以在實驗平臺上進(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(yīng)鏈設(shè)計者再到消費者，站在多角度來參與體驗管理流程及結(jié)果，更加深入的了解供應(yīng)鏈管理的知識，訓(xùn)練對供應(yīng)鏈管理工具的操作熟練程度。
在空間設(shè)計上，密西根州立大學(xué)的大學(xué)教室委員會還采用了創(chuàng)新的教室設(shè)計并命名為“參與和主動學(xué)習(xí)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(dǎo)性的交互式空間，推動建立起具有協(xié)作、動手能力、計算機(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(tǒng)大規(guī)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(tǒng)是什么意思呢？

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）是一個綜合計算、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，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)，它被認(rèn)為有望成為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。簡單來說，信息物理系統(tǒng)就是虛擬數(shù)字世界和實體物理世界的融合，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)然會涉及到大規(guī)模的機(jī)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(xué)的該虛擬仿真實驗室不僅讓學(xué)生能將真實機(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(xué)習(xí)平臺（MOOC）上操作，還實現(xiàn)了該平臺能對學(xué)生的操作情況進(jìn)行自動打分。

研究人員使用LabVIEW軟件開發(fā)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(xué)生們可以使用C或LabVIEW狀態(tài)圖模塊開發(fā)與平臺獨立的代碼；二是開發(fā)了獨立運行的簡易應(yīng)用程序，提供直觀易懂的GUI來進(jìn)行仿真、測試、提供自動反饋，并通過自動評分機(jī)來進(jìn)行評分。

（加州大學(xué)伯克利分校的CPS虛擬實驗MOOC平臺操作系統(tǒng)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(xué)生中其中有大約500名學(xué)生使用了虛擬仿真實驗室軟件，最終342名學(xué)生通過虛擬仿真實驗室的學(xué)習(xí)并獲得成績證書。而在此后的一項學(xué)生調(diào)研中顯示， 94％的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實驗室的操作訓(xùn)練非常實用， 86％的學(xué)生認(rèn)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(xué)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(shè)備上，這也充分表明了虛擬仿真實驗室提供了一個替代現(xiàn)場實驗室的良好選擇。

除了以上幾個學(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(nèi)，虛擬仿真實驗室也逐漸從航空航天、醫(yī)學(xué)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(xué)信息化的方向，教育部也確立了建設(shè)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(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，以及國內(nèi)外現(xiàn)有的發(fā)展情況我們似乎可以窺見，虛擬仿真實驗室將會成為未來教學(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)下時代發(fā)展的人才。