斯坦福、伯克利等美國(guó)高校已紛紛布局！虛(xū)拟仿真實驗室将給未來教育帶來怎樣的改變？

你還記得大學裏學的高數、物理的公式嗎？專業課的知識點現在(zài)又還能背出來幾(jǐ)條？回想起來，過去我們大學學到的(de)知識(shí)總是靠死記硬背、考前突擊，真正能深入理解、學以緻用的知識在畢業之後可以(yǐ)說是寥寥無幾。

如今，伴随着科技(jì)革(gé)命的浪潮，教育這個傳統的“慢行(háng)業”也正在(zài)發生着(zhe)巨大變革。知識正在以更(gèng)直觀(guān)生動、高質有效的方式傳遞給學生，以前(qián)厚厚的書本裏的那些枯燥無味的(de)内容，逐漸從紙上演進到(dào)多媒體上(shàng)，從二維的PPT投影(yǐng)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“虛拟(nǐ)仿真(zhēn)實驗室”的(de)新風潮(cháo)，通過信息化手段結合學(xué)科(kē)特色，打造富有科技感的多個(gè)學科虛拟仿真(zhēn)實驗(yàn)，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。

什麽是虛拟仿(páng)真實驗室？

實驗教學是教育教學過程中重要的(de)組成部分，它可(kě)以幫助學生提高實踐動手(shǒu)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(de)。而随着教(jiāo)育信息化的飛(fēi)速發展，傳統的實驗室、實驗(yàn)方式已經不能滿足當下的教學需求，虛拟仿真實驗室(shì)的出現，正(zhèng)在改變老師們的授課方式。

那麽(me)，什麽(me)是虛拟仿真實(shí)驗室呢？簡(jiǎn)單來(lái)講，虛拟仿真實(shí)驗室是一種基于Web、VR虛拟現實等前沿技術構建的開(kāi)放式網絡化的(de)虛拟實驗(yàn)教學系統，是(shì)現有各種(zhǒng)教(jiāo)學實(shí)驗室的數字化和虛(xū)拟化(huà)。在這個實(shí)驗室(shì)裏，學(xué)生既可以(yǐ)在虛拟實驗台上動(dòng)手操作，又可自主設計實驗，教師則可利用虛拟器材庫中的(de)器材自由(yóu)搭建任(rèn)意合理的實驗案(àn)例。

除了實驗環(huán)境設計的(de)靈活性，虛拟仿(páng)真實驗室還具有着良好(hǎo)的在線幫助和(hé)學習功能,同時還能(néng)拓展遠程(chéng)教育的領域，讓實驗可以通過(guò)網絡不受時空限制地利用實(shí)驗設備進行實驗,和其他實驗者共享資源,實現合作實驗、指(zhǐ)導實驗、遠程實(shí)驗等,提高學(xué)習(xí)和研究效率,爲(wèi)實驗教學環節提供強有(yǒu)利的支持。
總體來看，虛拟仿(páng)真實驗教學(xué)具有以下幾個顯著優勢：
一是(shì)成本低，教學質量更能保證。在(zài)實驗教學中,實驗器材及實驗所需材料由于受價格的(de)限制而無法普及，有(yǒu)些實驗因時間持續得很長以(yǐ)緻無法開設。但在虛拟實驗教學過程中，器材(cái)、時間都不是問題，學生可(kě)以全面體驗虛拟仿真實驗，享(xiǎng)受探(tàn)索和創造的樂趣。

二是互動(dòng)性強，提高學習主動性(xìng)與效(xiào)率。教(jiāo)師講解過程中(zhōng)，學生一邊聽一邊看，還能動手跟着操作，互動性強、體驗(yàn)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(kě)以自主(zhǔ)DIY實驗(yàn)，進行大膽探索，享(xiǎng)受探索和創造的樂趣(qù)。 

三(sān)是能夠提供實操訓練的機會，讓學生在進入産業之前，就(jiù)能夠了解真實産業運作的情況，例(lì)如制造業操作、金融業操(cāo)作等，爲他們未來(lái)進(jìn)入職場、進入産(chǎn)業做更好的準備。
其他還有安(ān)全性高、更新便捷(jié)等優點。在現實(shí)生活中，有一些實驗比(bǐ)較(jiào)危(wēi)險、極(jí)具破壞性，在傳統實驗室(shì)可能無法(fǎ)嘗試，但通過虛拟仿(páng)真實驗教學，可以安全的(de)進行操作和練(liàn)習。
此外，實驗室可通過軟件更新進行内容升級(jí)，替代硬(yìng)件設(shè)備的重複采購(gòu)，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(xiào)們的虛拟仿真(zhēn)實驗室探索
當前，虛拟仿真實驗室的(de)搭建技術已經非常成熟，并且虛拟仿真(zhēn)實驗室在教學上的應用帶來的幫助已(yǐ)經獲得國内外的廣泛認可。在美國，斯坦福大(dà)學、加州大學伯克利(lì)分校(xiào)等一衆頂尖(jiān)院(yuàn)校都已布(bù)局虛拟仿真實驗(yàn)室教學(xué)，并逐步推廣。
從電氣、機械、臨(lín)床醫學等動手能力要求較強(qiáng)的專業，再到供應鏈管(guǎn)理、金融投資、計算(suàn)機編(biān)程等實訓需求較大的(de)專業，目前都能找到(dào)虛拟(nǐ)仿真實驗室的身(shēn)影(yǐng)。虛拟仿真(zhēn)實驗室教學正在教育過程中發揮着它(tā)獨特的效(xiào)用。

· 斯坦(tǎn)福大學商學院：更具實戰意義的金融投資虛拟實驗平台

金融投(tóu)資(zī)虛拟仿真(zhēn)實驗(yàn)室(shì)是(shì)學生進行證券(quàn)、期貨、外彙等金融市場知識(shí)學習(xí)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拟仿真實驗室爲學生提供了(le)一套廣泛(fàn)的行業标準應用程序，供投(tóu)資銀行、基金管理、對沖基金(jīn)相關實訓使用。學(xué)生将使用虛拟訓練程序，将應案例研究和動手練習(xí)結合使用，以幫助(zhù)他們通(tōng)過實訓經驗掌(zhǎng)握财務、會計(jì)、投資管理相關的知識(shí)。

（斯坦福大學金融(róng)投資虛拟仿真實驗室的空間布局）

該實驗室配備了24個最先(xiān)進的工作站來模(mó)仿交易大廳，并模拟(nǐ)交易(yì)大廳實況在後台播放CNBC的廣播，讓學生在實際操作交易的過程中更有(yǒu)身臨其境的感覺。而在這個實訓平台上，無論(lùn)學生是要購買、出售或持有股票、重新平(píng)衡ETF的投資組合還是進行行業分析，平台上的提供(gòng)了包括FactSet數據分析、RIT封閉市場交易平台、Portfolio123投資回(huí)測工(gōng)具、彭博社新聞、Think-cell智庫文件等衆(zhōng)多信息分析工具，供學生在實(shí)訓中随(suí)時調取使(shǐ)用(yòng)。
斯坦福大學認爲，該實驗室(shì)課程使學生(shēng)有機會邊做邊學，從而創造更有意義的學習體驗。學生能(néng)夠将課堂理論與(yǔ)真實和模拟的市場數據相結合，以模(mó)拟現實情況(kuàng)。同時學生還能更加生動、靈活地掌握(wò)如何運用RIT、Portfolio123等軟件(jiàn)，訓練學生獲取、判斷、運用複雜信(xìn)息的能力(lì)，以便于畢業後能快速地适(shì)應實際工作環境。

· 密歇根(gēn)州立大學：供應鏈管(guǎn)理中的(de)虛拟實驗

來(lái)自密歇根州立大學商學院的Yemisi Bolumole教授(shòu)早在2015年就在她的物(wù)流和運輸管理(lǐ)課程中使(shǐ)用了VDI（虛拟桌面系統）進行(háng)教學。在該虛拟系統中，學生可以通過筆記本電腦(nǎo)、平闆電腦或(huò)智能手機随時訪問“實驗室”。在該(gāi)“實驗(yàn)室”裏，學生(shēng)不僅能對實際物流管理軟件(jiàn)進行操作(zuò)，還能跟(gēn)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(píng)，學生們紛紛表示這才是真正有用(yòng)的學習方法。
其實在(zài)供應鏈管理的過程中，由于鏈條過長很(hěn)多知識都比較抽(chōu)象(xiàng)難以在實踐中進行操作(zuò)訓練。但在虛拟實驗教學課程中，學生可以使(shǐ)用LogicTools LogicNet（供應鏈網絡優化軟件工具），從産品包裝，到設計(jì)雜貨店布局，以及後續的物流和運輸(shū)，在該(gāi)平台上，學生們都可以各自設計他們(men)認爲好的(de)管理流程(chéng)。
在設計完畢之後，學(xué)生們還可以在實驗平台上進行虛拟購物，進一步了解(jiě)自己之前的每(měi)一步流程對最(zuì)終購物的(de)影響，從供(gòng)應鏈設計者(zhě)再到消費者，站在(zài)多角度來參與體驗管理流程及結果，更加深(shēn)入的了解供(gòng)應鏈管理的知識，訓練對供應鏈管理工具的操作熟(shú)練程(chéng)度。
在空間設計上，密西根(gēn)州立大學的大學教室委員會還采(cǎi)用了創新的教室設計并(bìng)命名爲“參與和主動學習的房間”（ Rooms for Engaged And Active Learning，REAL）。REAL空間具有一(yī)個教員站，房間周圍有四個平闆顯示器，每張桌子上(shàng)都有雙平闆顯示(shì)器，通過這種具有(yǒu)引導性(xìng)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(yǔ)讨論環境。

· 加州大學伯克利分校：用(yòng)于信息物(wù)理系統教學、評測虛拟平台

近日，加州大學伯(bó)克利分校(xiào)的研究人員宣(xuān)布，他們基于LabVIEW，創建了(le)用于信息物理系統大(dà)規模開放在線課程(MOOC)的虛拟仿真(zhēn)實驗室。那麽(me)首(shǒu)先，信(xìn)息物理系統是什麽意思呢？

信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）是(shì)一個綜(zōng)合計算、網絡和物理環(huán)境的多維(wéi)複雜系統，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深(shēn)度(dù)協(xié)作，實現大型工程系統的實時感知、動态控制和信息服(fú)務，它被認爲有望成爲繼計算機(jī)、互聯網之後世界信(xìn)息技術的第三(sān)次(cì)浪(làng)潮。簡單來說，信息物(wù)理系統就是虛拟數(shù)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緻，其根本的目的(de)就是智慧(huì)制造。

那麽，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(de)要求。而伯克利大學的該(gāi)虛拟仿真(zhēn)實驗室不僅(jǐn)讓學生能将(jiāng)真實機器(qì)人仿真、使用編(biān)程方法進(jìn)行開發和調試、硬件控制(zhì)等(děng)操作，在無需訪問物理(lǐ)實驗室或任(rèn)何特定的NI硬件的情況下在虛拟仿真實驗室平台的在線學習平(píng)台（MOOC）上操作，還實現了該平台能對(duì)學生的操作情況進行自動打分。

研究人員使用LabVIEW軟件開發(fā)了兩個組件：一個是部署在虛拟或真(zhēn)實硬件上的模塊化控制程序(xù)，學生們可以使用C或LabVIEW狀态圖模塊開(kāi)發與平台獨立的代碼；二是開發了(le)獨立運行的簡易應(yīng)用程序(xù)，提供直觀易懂的GUI來進行仿真、測試、提供自動反饋，并(bìng)通過自動評分機來進行評分。

（加州大學伯克利分(fèn)校的CPS虛拟實驗MOOC平台操作系統界面(miàn)）

該(gāi)實驗室于(yú)2014年首次(cì)上線MOOC課程(chéng)并開展了試(shì)點，在(zài)注(zhù)冊課程的8500名學生中其中有大約(yuē)500名(míng)學生使用了虛拟仿真實驗室軟(ruǎn)件，最終342名學生通過虛(xū)拟仿真實驗室(shì)的學習并獲得(dé)成績證書。而在(zài)此後的一項學(xué)生調(diào)研中顯示， 94％的學(xué)生(shēng)認爲虛(xū)拟仿真實驗室的操作訓練(liàn)非常實用， 86％的學生認爲自動評分項目非常有用。此外，有90％以上使用過虛拟仿真實驗室需诶下的學生(shēng)報告說，他們在虛拟實驗平台(tái)上的操作通過的解決(jué)方案(àn)，隻需很少或完全無需任何代碼修改就可以(yǐ)用在實際(jì)設備上，這也充(chōng)分表明了虛(xū)拟仿真實驗室提供了(le)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(xué)院等也(yě)正在積極探索、應用虛拟(nǐ)仿真實驗室，以進一步提高教學效(xiào)率，提(tí)高教學成(chéng)果。而在國内，虛拟仿真實驗室也逐漸(jiàn)從(cóng)航空航天、醫(yī)學實驗研究中走向了普通(tōng)高校教育中。此前中(zhōng)央就提(tí)出了教學信息化的方向，教育部也确立了建設虛拟仿(páng)真實驗室的具體要求(qiú)，還專門針對虛拟仿真實驗室的特(tè)性、環節、适用學科方向進(jìn)行了深入(rù)細緻(zhì)的研究。

從教育擁抱科技的趨勢，以及國内外現有的發(fā)展情況我們似乎可以窺見，虛拟仿真實(shí)驗室将會成爲未(wèi)來教學中的重要一環，用更新的(de)教育方式與教育理(lǐ)念，才能培養出更(gèng)适應當下時代發展的人才。