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行(háng)業動态
斯坦福、伯克利等美國高校已紛紛布(bù)局!虛拟仿真實驗(yàn)室(shì)将給未來教育帶來怎樣的改變?

你還記得大學裏學的(de)高數、物理的公式嗎?專業課的知識點現在又還能背出來幾(jǐ)條?回想起來,過去我們大學學到的(de)知識總是靠死記(jì)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說是寥寥無幾(jǐ)。


如今,伴随着科技革命的浪潮(cháo),教育這個(gè)傳統的“慢(màn)行業”也(yě)正在發生着巨大變革。知識正在以更直觀(guān)生動、高質有(yǒu)效的方式傳遞給學生,以前厚厚的書(shū)本裏的那些枯燥無味的(de)内容,逐漸從紙上演進到多媒體上,從二維的(de)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(qǐ)了一股“虛拟仿真(zhēn)實驗室”的新風潮通過信息化手段結合學科特色(sè),打造富有科(kē)技感的多個(gè)學科虛拟仿真實驗,豐(fēng)富了教學模式,大大推進了教學資源(yuán)共享化(huà)和教育(yù)信息數字化。


什麽(me)是虛拟仿真實驗室?


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(shí)踐動手能力,加深學生對知識的理解,尤(yóu)其對于STEM學科來說不可或缺的。而随着教育信息化的飛速發展,傳(chuán)統的實驗室(shì)、實驗方式已(yǐ)經不能滿足當下的(de)教學需求,虛拟仿真實驗室的出現,正在改變老師們的授課(kè)方式。


那麽,什(shí)麽是虛拟仿真實(shí)驗室呢?簡單來講,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(gòu)建的開(kāi)放式網絡化的(de)虛拟實驗教學系統,是現有各種教學實(shí)驗室(shì)的數字化和虛拟化。在這個實驗室裏,學生既可以在虛拟實驗台上動手操作,又可自主設計實驗,教師則可(kě)利用虛拟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)境設計的靈活性,虛拟仿(páng)真實驗室還具有着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(yǐ)通(tōng)過網絡不受時空限制地利(lì)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(zhǐ)導實驗、遠程實驗等,提高學習(xí)和研究(jiū)效率,爲實驗教學環節提供強有利的支持。
總體(tǐ)來看,虛拟仿真實驗(yàn)教(jiāo)學具有以下(xià)幾個(gè)顯著優勢:
一是成本低,教學質量(liàng)更能保證。在實驗教學中,實驗(yàn)器材及實驗所需材料由于受(shòu)價格的限制而無法普(pǔ)及,有些(xiē)實驗因(yīn)時間持續得很長以緻無法開設。但在(zài)虛拟實(shí)驗教學過程中,器材(cái)、時間都不是問(wèn)題,學生可以全面體驗虛拟(nǐ)仿真實驗,享(xiǎng)受探索和創造的樂(lè)趣。

二是互動性(xìng)強,提高學習主動性(xìng)與效率。教(jiāo)師講解過程中,學生一邊聽一邊看(kàn),還能動手跟着操(cāo)作,互動性強、體驗感好,在實驗過程(chéng)中,學生可以看到(dào)近乎真實的實(shí)驗效(xiào)果,加深對知識的理解。學生還可(kě)以自主(zhǔ)DIY實驗,進行大膽探(tàn)索,享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(yè)之前,就能(néng)夠了解真(zhēn)實(shí)産業運作的情況,例如制造業操作、金融(róng)業操作等,爲他們未來進(jìn)入職場、進入産業做更好的準備(bèi)。
其他還有(yǒu)安全性高、更新便捷等優點。在現實(shí)生活中,有一些(xiē)實驗比較危(wēi)險、極(jí)具破壞性,在(zài)傳統實驗室可能無法(fǎ)嘗試,但通過虛拟仿真(zhēn)實驗教學,可以安(ān)全的進行操作(zuò)和練(liàn)習。
此外,實驗室可通過軟件更新進行内容升級,替代硬(yìng)件設備的重複采購,相對于傳統的實(shí)驗室來說更新周期短、更新成本小,而(ér)且對于各個(gè)學生的情況可以詳細的記錄,有利于(yú)教師教研工作的(de)開展。
頂尖高校們的虛拟仿真實驗室探索
當前,虛拟仿真實驗室的搭建(jiàn)技術已經非常(cháng)成熟,并且(qiě)虛(xū)拟仿真實驗室在教學上的應用(yòng)帶來的幫助已(yǐ)經獲得國内外的廣(guǎng)泛認可。在美國,斯坦福大學、加州大學伯克利(lì)分校等一衆頂尖院校都已布(bù)局虛拟仿真實驗室教學(xué),并逐步推廣。
從(cóng)電氣、機械、臨床醫學等動手(shǒu)能力要求較強(qiáng)的專業,再到供應鏈管(guǎn)理、金融投資、計算機編程等實(shí)訓需求較大的專業,目前都能找到虛拟仿真實驗室的身影(yǐng)。虛拟仿真實驗室(shì)教學正在教育過程中(zhōng)發揮着它獨特的效用。

· 斯(sī)坦福大學商學院:更具實戰意義的金(jīn)融投資虛拟(nǐ)實驗平台(tái)


金融投資虛拟仿真(zhēn)實驗室是學生進行證券、期貨(huò)、外彙等金融市場知識(shí)學習的情景式實操實訓實驗室。斯坦(tǎn)福大(dà)學商學院的金融投資虛(xū)拟仿真實驗室爲學生提供了(le)一套廣泛的行業标準應用程(chéng)序,供投資銀行、基(jī)金管理、對沖(chòng)基金相關實訓使用。學生将使用虛拟訓練程序,将應案例研究和動手練習結合(hé)使用,以幫(bāng)助他們通過實訓經驗掌握财務、會計、投資管理相關的知識(shí)。


(斯坦福大學金融投(tóu)資虛拟仿真實驗室的空間布(bù)局)
該實驗室配備了24個最先(xiān)進的工作站來模仿交易大廳,并模拟交易(yì)大廳實況在後(hòu)台播放CNBC的(de)廣播,讓學生在實際操作交(jiāo)易的過程中更有身臨其境的感覺。而在這個實訓平台上,無論學生是要購買、出售或持(chí)有股票、重新平衡ETF的投資組合還是進行行業分析,平台上的提供了包括FactSet數據分析、RIT封(fēng)閉市場(chǎng)交易平台、Portfolio123投資回測工(gōng)具、彭博社新聞、Think-cell智庫文(wén)件(jiàn)等衆(zhōng)多信息分析工具,供學生在實訓中随時調取使用。
斯坦福大學認(rèn)爲,該實驗室課程使學生有機會邊做邊學,從而創造更(gèng)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,以模拟現實情況。同時學生還能更加(jiā)生動、靈活地掌握如何(hé)運用RIT、Portfolio123等(děng)軟件,訓練學生獲取(qǔ)、判(pàn)斷、運用(yòng)複雜信息的能力,以便于畢(bì)業後能快速地适應實際工作環境。

· 密歇根州立大學:供應鏈管理中的虛拟實驗


來自密歇根州立大學商學院的Yemisi Bolumole教授(shòu)早(zǎo)在2015年就在她的物流和運輸管理課程中使用了VDI(虛拟桌面系統)進(jìn)行(háng)教學。在該虛拟系(xì)統中,學生可以通(tōng)過筆記本(běn)電腦(nǎo)、平闆電腦或智能手(shǒu)機随時訪問“實驗室”。在該“實驗室”裏,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(háng)實時交流互動。幾年實踐下來,收獲(huò)了學生的廣泛好評,學生們(men)紛紛表(biǎo)示這才是真正(zhèng)有用的學習方法。
其實在供應鏈(liàn)管理的過程中,由于鏈條過長很多知識都比較抽象(xiàng)難以在實踐中進行操作訓練。但在虛拟實驗教學課程中,學生可以使用LogicTools LogicNet(供應鏈網絡優化軟件工具),從産(chǎn)品包裝(zhuāng),到設計(jì)雜貨(huò)店布局,以及後續的物流和運輸,在(zài)該平台上,學生們都(dōu)可以各自設計他們認爲好的管理流程。
在設計完畢之後,學生們還可以在實驗平台上進行虛拟購物,進一步了解(jiě)自己之前的每一步(bù)流程(chéng)對(duì)最終購物的影響,從供應鏈設計(jì)者再到消費者(zhě),站在多(duō)角度來參與體驗(yàn)管理流程及結果,更加深入的了解供(gòng)應鏈管理的(de)知識(shí),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(cǎi)用了創新的教室設(shè)計并命名爲“參與和主動學習的房間”( Rooms for Engaged And Active Learning,REAL)。REAL空間具(jù)有一個教員站,房間周圍有四個平闆顯示器,每張桌子上都(dōu)有雙平闆顯(xiǎn)示(shì)器,通過這種具有引(yǐn)導性的交互式空間,推動建立起具有協作、動手能力、計算機(jī)介入(rù)的(de)學習氛圍與讨論(lùn)環境。


· 加州大學伯克利分校:用(yòng)于信息物理系(xì)統教學、評測虛拟平(píng)台

近日,加州(zhōu)大學伯克利分校的研究人員(yuán)宣布,他們基于LabVIEW,創(chuàng)建了(le)用于信息物理系統大規模開放在線課程(chéng)(MOOC)的(de)虛拟仿真實驗室。那麽(me)首先,信息物理系統是什麽意(yì)思呢?


信息(xī)物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems)是一個綜合計算、網絡和物理環境(jìng)的多維複雜系統,通過3C(Computing、Communication、Control)技術的有機(jī)融合與深度協作,實現(xiàn)大型工程系(xì)統(tǒng)的實時感知、動(dòng)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)息技術的第三次(cì)浪潮。簡單來說,信息物(wù)理系(xì)統就是虛拟數字世界和實體物理世界的融合,跟工業物聯網的本質(zhì)基本一緻,其根本的目的(de)就(jiù)是智慧制造。


那麽,智慧制造當然會涉及到大規模的機器運作(zuò),這便會對實踐條件提出了很(hěn)高的要(yào)求。而伯克利大學(xué)的該(gāi)虛(xū)拟仿真(zhēn)實驗室不僅讓學生能将(jiāng)真實機器人仿真、使用編程方法進行開發和調試、硬件(jiàn)控制等操作,在無需訪問(wèn)物理實驗室或任何(hé)特定的NI硬件的情況下在虛拟仿真實驗室平(píng)台的在線(xiàn)學習(xí)平台(MOOC)上操作,還實現了該(gāi)平台能對學生的操作情況進行自(zì)動打分。


研(yán)究人員使用LabVIEW軟件開(kāi)發了兩個組件:一個(gè)是部署在虛拟或真實硬件上的模塊化(huà)控制程序,學生(shēng)們可以使用C或LabVIEW狀态圖模塊開發與平台獨立的代碼;二(èr)是開(kāi)發了(le)獨立運行的簡易應(yīng)用程序,提供直觀易(yì)懂的(de)GUI來進行仿真、測試、提供自動反饋,并(bìng)通過自動評分機來(lái)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(zuò)系統界面)


該實驗室于2014年首次(cì)上線MOOC課程并開(kāi)展了試點,在注冊課程的8500名學(xué)生中其中有大約500名(míng)學生使用了虛拟仿真實驗(yàn)室軟件,最終342名學生通過虛(xū)拟仿真實驗室(shì)的學(xué)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%的學生認爲虛拟仿真實(shí)驗室的操作訓練非(fēi)常實用, 86%的學生認爲自動評分項(xiàng)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報告說,他們在虛拟實(shí)驗平台上的操作通(tōng)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用在實際設備上,這也充(chōng)分表明了虛拟仿真實驗室提供了(le)一個替代(dài)現場實(shí)驗室的良好選擇。


除了以上幾個學校(xiào)外,哈佛大(dà)學醫(yī)學院、美國頂(dǐng)尖(jiān)商學院巴布森(sēn)學院等也正在積(jī)極探索、應用虛拟仿(páng)真實驗室(shì),以進一步提高教學效率,提(tí)高教學成果。在國内,虛拟仿真實(shí)驗室也逐漸從航空航天(tiān)、醫學實驗研究中走向了普通(tōng)高校教育中。此前中央就提出(chū)了教學信息化的方向,教育部也确立了(le)建設虛拟仿真實驗室的具體要求,還專(zhuān)門針對虛(xū)拟仿真實驗室的特(tè)性、環節、适(shì)用學科方向進(jìn)行了深入細緻的研究。


從教育擁抱科技的趨勢(shì),以及國内外現有的發(fā)展情(qíng)況(kuàng)我們似乎可以窺見,虛拟仿(páng)真實驗(yàn)室将會成爲未來教學中的(de)重要(yào)一環,用更新的教育方式與教育理(lǐ)念,才能培養出更适應當下時(shí)代發展的人才。


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