網(wǎng)上教育：虛擬實(shí)驗(yàn)室

謝雨桐/編譯

網(wǎng)上教育：虛擬實(shí)驗(yàn)室

謝雨桐/編譯

● 在網(wǎng)上學(xué)習(xí)的熱潮下，研究者們正在尋找教授科學(xué)實(shí)踐技能的新方法。

學(xué)術(shù)界正經(jīng)歷著一場風(fēng)暴。這場風(fēng)暴來自MOOC——一種能讓數(shù)以萬計(jì)的學(xué)生同時(shí)聽到大學(xué)講座的 “大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)公開課”。在大約一年的時(shí)間內(nèi)，世界各地的高校已經(jīng)迫不及待地成為了MOOC公司的合作伙伴。很多人認(rèn)為此舉將引發(fā)高等教育界的革命。

但在很多教育界人士看來，MOOC還遠(yuǎn)不足以引爆革命。在線講座視頻能夠傳授知識、公式和概念，但僅靠它們不能幫助任何人學(xué)會怎樣將這些想法運(yùn)用在實(shí)踐中。它們也不能鍛煉學(xué)生掌握設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、團(tuán)隊(duì)合作、操作移液管和顯微鏡、堅(jiān)持不懈，以及其他對科學(xué)研究很重要的實(shí)踐和社交技能?！爸挥挟?dāng)你知道怎么去做一件事，你才能真正理解它，”哈佛大學(xué)研究仿真教育的克里斯·德迪（ChrisDede）說，“這無法抽象在演講中?！?/p>

從定義就能看出，實(shí)踐技能需要從練習(xí)中獲得。獲得實(shí)踐技能需要親自動手來解決實(shí)際問題。而這樣的活動之前主要來自于實(shí)驗(yàn)室課程、實(shí)地考察旅行、實(shí)習(xí)，甚至在研究室里進(jìn)行的更高級的項(xiàng)目。

從網(wǎng)上獲取這樣的經(jīng)歷很難做到，但教育科技研究者在過去的十年間已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。多虧智能手機(jī)、體驗(yàn)式游戲軟件以及其他快速發(fā)展的科技，亞利桑那州立大學(xué)的教育科技研究者詹姆斯·吉（JamesGee）說，“我們現(xiàn)在可以更好地運(yùn)用問題導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式?！辈⒛軐⑺糜谌虻膶W(xué)生，“這種方法能夠給予每個(gè)人我們曾經(jīng)認(rèn)為很奢侈的那種教育?！彼f。

遠(yuǎn)程實(shí)踐

在科學(xué)界，一個(gè)教授實(shí)踐技能的標(biāo)準(zhǔn)載體就是實(shí)驗(yàn)室課程?！霸趯?shí)驗(yàn)室里，我們?yōu)閷W(xué)生提供機(jī)會來接觸真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分析可信的數(shù)據(jù)、體驗(yàn)觀察的奇妙之處?！庇谞栴D凱恩斯函授大學(xué)的教育科技研究者邁克·夏普思（MikeSharples）說。

但是將大量學(xué)生集中到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里對一個(gè)建立于1969年、為全世界超過24萬學(xué)生通過遠(yuǎn)程教育來頒發(fā)學(xué)位的函授大學(xué)來說是不可能實(shí)現(xiàn)的。直到上世紀(jì)90年代末期，這里的科學(xué)課才通過郵寄給學(xué)生包括顯微鏡、電路板、化學(xué)儀器、魚缸甚至激光器在內(nèi)的錦囊來讓學(xué)生在家中實(shí)驗(yàn)，然后再把錦囊寄回。但是這樣非常昂貴和麻煩，夏普思說。

今天,幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室工作都可以通過學(xué)校的開放式科學(xué)實(shí)驗(yàn)室在線完成。就像很多在職的科學(xué)家一樣，學(xué)生們能夠通過遠(yuǎn)程遙控各種儀器收集真實(shí)的數(shù)據(jù)，包括一臺可識別元素和同位素的γ-射線分光儀和一臺坐落于西班牙馬略卡島的主鏡尺寸0.43米的望遠(yuǎn)鏡。學(xué)生們也可以用仿真儀器，如能看到高分辨率圖像而不是標(biāo)本的虛擬顯微鏡探索可信的數(shù)據(jù)?！八麄兎糯?、調(diào)整焦距并且控制他們要觀察的標(biāo)本的位置?！毕钠账颊f，就像他們在操作真的儀器一樣。

保羅·比利克斯坦（PauloBlikstein），斯坦福大學(xué)學(xué)習(xí)技術(shù)改革研究室主任，正依靠新一代的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室課程走在改革的前列。他正和斯坦福大學(xué)的生物工程師因碼·瑞德·克魯斯 （IngmarRiedel-Kruse）一起實(shí)施的一個(gè)項(xiàng)目在集中式生物實(shí)驗(yàn)室中使用了可以遠(yuǎn)程控制的儀器?！斑@個(gè)想法需要在一個(gè)房間中放置一萬個(gè)幾毫米寬的培養(yǎng)皿，每個(gè)都要配備一個(gè)用作噴墨打印機(jī)的機(jī)器人，”比利克斯坦說，“學(xué)生對機(jī)器人說‘去我的培養(yǎng)皿并添加X滴’，攝像機(jī)就會記錄下這個(gè)過程?！?/p>

但是一些研究者擔(dān)心一個(gè)完全虛擬的實(shí)驗(yàn)室永遠(yuǎn)不能完全取代現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)室。如果學(xué)生繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位或博士學(xué)位，他們可能會在使用真正的實(shí)驗(yàn)室時(shí)處于劣勢。“我在這一點(diǎn)上是很保守的，”在馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校研究數(shù)字化教育的計(jì)算機(jī)科學(xué)家貝弗利·帕克·伍爾夫（Beverly ParkWoolf）說，“你應(yīng)該親自接觸實(shí)驗(yàn)器材，并且能夠體驗(yàn)親自動手轉(zhuǎn)動刻度盤和量取試劑究竟是什么樣的?！?/p>

裝在口袋里的實(shí)驗(yàn)室

即使是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室也可能與現(xiàn)實(shí)脫軌，亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)家邁克爾·沙茨（MichaelSchatz）說，“當(dāng)學(xué)生們走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，之前學(xué)習(xí)的東西沒有一樣派到了用場。”

這就是為什么沙茨為推廣基礎(chǔ)科學(xué)，五月起在MOOC開設(shè)了附帶實(shí)驗(yàn)室課程的物理學(xué)導(dǎo)論I。這是最早一批貫穿實(shí)踐性學(xué)習(xí)的MOOC之一，它開設(shè)的基礎(chǔ)是幾乎所有學(xué)生都會攜帶的具有拍照功能的智能手機(jī)?！霸谶@門課的開始，他們被要求在自己的生活環(huán)境中捕捉一段一個(gè)物體做恒向恒速運(yùn)動的視頻。”沙茨說 （接著實(shí)驗(yàn)室會涉及更復(fù)雜的運(yùn)動，比如籃球砸向籃筐）。然后，學(xué)生們會用開源軟件提取物體隨時(shí)間的運(yùn)動軌跡來分析他們的視頻。接著他們會用公式來解釋他們的數(shù)據(jù)并建立模型。最后，他們會用一個(gè)5分鐘的視頻研究報(bào)告來解釋他們的模型和成果，視頻會被上傳到Y(jié)ouTube上供其他學(xué)生在網(wǎng)上討論和指正。

課程在8月結(jié)束之前，我們還不能知道這種方法對幾千名學(xué)生能不能行得通，沙茨說。但是如果這種方法被證明在幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)材料方面是有效的，他和他的同事們都希望這門課可以成為所有網(wǎng)上科學(xué)課程的一個(gè)模版。

函授大學(xué)也在開發(fā)移動設(shè)備的教育功能。2008年他們發(fā)布了iSpot,人們外出散步時(shí)可以用它上傳植物、鳥類、昆蟲、菌類以及其他生物的照片并猜猜他們是什么生物。這個(gè)項(xiàng)目被用在許多大學(xué)的生物課程中，同時(shí)也對社會人士開放，目前已在英國和南非擁有了3萬名參與者。

每個(gè)上傳的照片都能引發(fā)一場線上討論，大家會議論這個(gè)生物究竟是什么以及它的出現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)的健康代表什么。用iSpot為研究收集數(shù)據(jù)的科學(xué)家也會在網(wǎng)上發(fā)表自己的見解?！八赃@是在戶外做科學(xué)實(shí)踐的一種方法，”夏普思說，“但是是用協(xié)作的方式?！笔聦?shí)上，他說，參與者們正在變成實(shí)習(xí)生物學(xué)家。

在游戲中實(shí)踐

如iSpot和沙茨的MOOC課程之類的系統(tǒng)正在很大程度上支持著探究性學(xué)習(xí)理論。探究性學(xué)習(xí)讓學(xué)生們通過團(tuán)隊(duì)合作，用自己的方式解決教師提出的問題。而不是通過演講或簡單的實(shí)驗(yàn)室練習(xí)來向?qū)W生們的腦袋中填充知識。

大量證據(jù)表明這種方法比純粹的講課和訓(xùn)練更有效，比利克斯坦說。但不幸的是，他又補(bǔ)充道，“在所有大型的全國范圍的辯論中，這些方法還是輸?shù)袅恕！边@一部分是因?yàn)槿绻鼈儽贿\(yùn)用在課堂上會很昂貴并且很浪費(fèi)時(shí)間。

不管怎樣，這些天里，研究者們在以“魔獸世界”為先驅(qū)的多用戶虛擬環(huán)境游戲中尋找合適的推廣場所。

一個(gè)研究初期的例子是EcoMUVE,一個(gè)由哈佛大學(xué)的德迪和他的同事們開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)課程。學(xué)生們組成團(tuán)隊(duì)并用兩周的時(shí)間探索一個(gè)虛擬的池塘以及它周邊的環(huán)境。有一天他們發(fā)現(xiàn)池塘里的魚在死亡，于是他們需要找出為什么。參加的團(tuán)隊(duì)需要決定收集什么數(shù)據(jù)：他們也許會測量來自附近住宅開發(fā)和高爾夫場地的潛在污水徑流，監(jiān)視池塘顏色的變化或通過污泥顯微鏡觀察池塘生物。

接下來，隊(duì)伍們需要決定如何分析這些數(shù)據(jù)并對這種現(xiàn)象的解釋達(dá)成共識。他們運(yùn)用數(shù)學(xué)概念以及因果分析來理解遠(yuǎn)距離的一些行為，比如在高爾夫場地上噴灑化肥是如何影響生態(tài)系統(tǒng)的。Eco-MUVE軟件已經(jīng)被一群11-13歲的學(xué)生們測試，他們在對定量測量、食物網(wǎng)以及水域等概念的理解上表現(xiàn)出了很大進(jìn)步。

來自威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的教育心理學(xué)家大衛(wèi)·沙弗（DavidShffer）和他的同事們正在用一種類似的探究性方法來為本科工科生們研制虛擬實(shí)習(xí)軟件。“當(dāng)孩子們剛?cè)雽W(xué)時(shí)，他們都為可以自己設(shè)計(jì)和制造東西而興奮?！鄙掣フf。但是首先他們需要用兩年時(shí)間來學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理知識，很多人會為此氣餒。而現(xiàn)在，沙弗和他的團(tuán)隊(duì)讓他們從低年級就可以自己造東西。

在練習(xí)中，學(xué)生們在虛擬的透析機(jī)制造廠實(shí)習(xí)，他們組成團(tuán)隊(duì)來設(shè)計(jì)下一代系統(tǒng)來過濾血液中的污物。學(xué)生們會做研究并模擬對不同系統(tǒng)的造價(jià)、性能及市場可行性進(jìn)行分析，并一起決定在完成他們的報(bào)告前要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

這種虛擬的實(shí)習(xí)正被威斯康辛州、賓夕法尼亞大學(xué)、匹茲堡大學(xué)的學(xué)生測試。前后的評估顯示它有利于維持學(xué)生們的信心和熱情?，F(xiàn)在沙弗和他的合作者正在發(fā)展一項(xiàng)全仿真的工程學(xué)導(dǎo)論課程，并把他們的系統(tǒng)延伸成一個(gè)能夠支持任何學(xué)科的實(shí)習(xí)平臺。

一些教育家抱怨說探究性學(xué)習(xí)缺乏中心和指導(dǎo)?！叭绻阒皇亲尯⒆觽冊谝粋€(gè)游戲的環(huán)境中互相交流，他們可能會有樂趣，但他們不會學(xué)習(xí)到很多知識?！碧锛{西州孟菲斯大學(xué)心理學(xué)家阿特·格萊瑟（ArtGraesser）說。為了解決這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)者們設(shè)計(jì)了很多虛擬的和真實(shí)的導(dǎo)師來保證學(xué)生們的學(xué)習(xí)進(jìn)展。

有效指導(dǎo)的一個(gè)很重要的元素是交流，格萊瑟說：“當(dāng)人們只是讀教科書或是聽演講時(shí)他們只能得到淺顯的知識。”但是當(dāng)他們討論學(xué)到的東西時(shí)就能加深對它的理解。格萊瑟和他的同事們發(fā)展了一個(gè)基于“三人談”的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里學(xué)生們可以和兩個(gè)動畫電腦人物——能用自然語言回應(yīng)使用學(xué)生的一個(gè)導(dǎo)師和一個(gè)學(xué)生——進(jìn)行交流。使用的學(xué)生能在扮演小伙伴的虛擬學(xué)生的配合下與導(dǎo)師直接交流，或者他們可以通過對虛擬的班級講課來加深自己的知識。

一個(gè)使用三人談模式的系統(tǒng)是 Operation ARIES!,它是一個(gè)為了教會大學(xué)生批判性思考和科學(xué)推理而設(shè)計(jì)的游戲。玩家在“聯(lián)邦科學(xué)局”注冊，任務(wù)是從一些運(yùn)用邪惡的科學(xué)來將人類變成愚蠢消費(fèi)者的外星人手中拯救地球。學(xué)生們一起工作來評估現(xiàn)實(shí)中的媒體報(bào)道，博客和其他出版物。他們鑒定那些有研究價(jià)值的報(bào)道，比如可能與事件有潛在因果關(guān)系的索賠，這樣來提取外星人活動的證據(jù)。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手

對這種教授實(shí)踐技巧的系統(tǒng)大規(guī)模使用最大的阻礙之一就是它們很多都是與MOOC或其他任何東西沒有任何聯(lián)系的一次性實(shí)驗(yàn)。當(dāng)項(xiàng)目完成后，“你就會把你的應(yīng)用放在一個(gè)幾乎沒有人能看到的很邊緣的網(wǎng)站上。”建立在加州山景城的最大的MOOC公司Coursera的合作創(chuàng)辦者達(dá)夫妮·科勒（DaphneKoller）說。

Coursera正在努力改變這些，科勒說，不只是鼓勵類似沙茨開設(shè)的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)也在改進(jìn)自己的軟件以在演講課程旁推廣供實(shí)踐學(xué)習(xí)的應(yīng)用程序。當(dāng)新的版本推出的時(shí)候，她說，MOOC導(dǎo)師們應(yīng)該能夠在教學(xué)過程中安插運(yùn)用如iSpot或虛擬環(huán)境軟件EcoMUVE，或他們自己開發(fā)的能夠鍛煉實(shí)踐技能的應(yīng)用程序。他們希望這樣做可以為這些應(yīng)用創(chuàng)造一個(gè)普遍的市場環(huán)境，并為他們爭取更大的曝光度。

但是這只是MOOC革命性結(jié)構(gòu)調(diào)整的眾多舉措中的一個(gè)，沙弗說，和其他很多觀察者所想的一樣，“我們的教育系統(tǒng)就像一個(gè)巨大、古老、舒適的絨毛衛(wèi)衣?！彼呀?jīng)持續(xù)了很長時(shí)間并且看起來是堅(jiān)不可摧的。但當(dāng)在網(wǎng)上發(fā)布講課視頻時(shí)，整個(gè)體系的一角就被松動了?！爸斑@個(gè)模式構(gòu)建起來的方式不再管用了?！彼f。

甚至我們現(xiàn)在說話的時(shí)候，這個(gè)衛(wèi)衣的布料也在被向著任何人都無法預(yù)知的方向重新編織。但是這讓現(xiàn)在這個(gè)時(shí)刻更加驚心動魄，“我們現(xiàn)在正處于一個(gè)能夠開始思考整個(gè)教育體系如何重新洗牌的時(shí)代。 ”他說。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥 隱]