MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)研究

孫 青，艾明晶，曹慶華

(1.北京航空航天大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 教務(wù)處，北京 100191)

1 MOOC概述

大規(guī)模開放在線課程(massive online open course，MOOC)產(chǎn)生于以開放、共享為理念的MIT(Massachusetts Institute of Technology，麻省理工學(xué)院)開放課程(OCW)運(yùn)動。教育界開放共享的概念始于2002年，MIT把自己大量的課程放在網(wǎng)上供人們免費學(xué)習(xí)。MOOC這一術(shù)主語由加拿大愛德華王子島大學(xué)(University of Prince Edward Island)的戴夫·科米爾(Dave Cormier)和加拿大國家人文教育技術(shù)應(yīng)用研究院高級研究院的布賴恩·亞歷山大(Bryan Alexander)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)創(chuàng)新實踐提出[1]。自2012年開始，MOOC被廣為傳播，2012年甚至被譽(yù)為MOOC年。

MOOC旨在進(jìn)行大規(guī)模學(xué)生交互參與和基于網(wǎng)絡(luò)的開放式資源獲取的在線課程。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程不同的是，MOOC除了提供視頻資源、文本材料和在線答疑外，還為學(xué)習(xí)者提供各種用戶交互性社區(qū)，建立交互參與機(jī)制。MOOC的核心理念是開放共享知識，在這一理念的指導(dǎo)下，成功、高效地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的全球共享，是學(xué)習(xí)方式和方法的突破性創(chuàng)新。目前，各國教育機(jī)構(gòu)也紛紛投入到大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程當(dāng)中，國外多所大學(xué)分別加入了一些主流的MOOC開放課程項目，如Coursera、edX、Udacity等，建設(shè)了一批數(shù)量可觀的優(yōu)秀的MOOC課程[2-4]，如表1所示(統(tǒng)計數(shù)據(jù)截至2013年12月)。

表1 國外三大主流MOOC項目建設(shè)情況

我國高校在繼國家精品課程、大學(xué)網(wǎng)絡(luò)公開課之后，也密切關(guān)注MOOC的發(fā)展。北京大學(xué)于2013年9月份在edX平臺上開放4門MOOC課程注冊之后，又在Coursera平臺上新發(fā)布3門課程，在2013年秋季學(xué)期共有7門課程對全球開放。清華大學(xué)已于2013年10月正式推出“學(xué)堂在線”(www.xuetangX.com) MOOC平臺，面向全球提供在線課程，“電路原理”、“中國建筑史”等5門課程作為第一批上線課程在平臺開放選課。上海高校課程聯(lián)盟也初步實現(xiàn)了上海高校間優(yōu)質(zhì)資源共享，并可獲得學(xué)校認(rèn)可學(xué)分。

2 實驗教學(xué)MOOC化的意義

MOOC引發(fā)了全球教育界對于傳統(tǒng)教育模式的反思，也帶來了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式的變革。目前，高校的實驗教學(xué)界也開始思考MOOC浪潮中實驗教學(xué)的變革與創(chuàng)新之路。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生深化知識理解、掌握實踐技能、形成工程素養(yǎng)、實踐科學(xué)思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、錘煉探索精神的重要手段。實驗教學(xué)與理論教學(xué)不同，受設(shè)備、場地、人員、制度等多方面的制約，其MOOC化面臨著特殊的問題，例如，實踐技巧必須通過經(jīng)驗獲得，需要從親自動手和解決問題的傳統(tǒng)實驗課、實地考察、實習(xí)，甚至在實驗室里進(jìn)行的課題研究中去領(lǐng)會學(xué)習(xí)。

但是，開放式的大學(xué)不僅應(yīng)當(dāng)為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的理論課程資源，毫無疑問也應(yīng)當(dāng)提供高品質(zhì)的實驗資源。如若不探討MOOC環(huán)境下傳統(tǒng)實驗室的應(yīng)對方法，一方面不利于實驗教學(xué)本身在新環(huán)境下的發(fā)展，另一方面也會影響到理論教學(xué)在MOOC環(huán)境中的開展。例如，經(jīng)過對MOOC上的學(xué)生學(xué)習(xí)行為進(jìn)行跟蹤，研究者發(fā)現(xiàn)在MOOC上學(xué)習(xí)計算機(jī)課程和文科類課程都比較容易，但是對于物理、生物、工程等學(xué)科，由于有實驗訓(xùn)練的環(huán)節(jié)，若只提供線上理論課程教學(xué)，學(xué)生往往很容易放棄，只有一部分學(xué)習(xí)習(xí)慣非常好的學(xué)生才能夠堅持。這將導(dǎo)致學(xué)生的大量流失，與“共享”知識的初衷背道而馳。由此可見，研究MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)的解決方法，不僅對于實驗教學(xué)本身在教育模式變革中的發(fā)展有重要的意義，對于輔助線上理論課程的教學(xué)也有著非常重要的作用。

3 MOOC理念下開放共享的實驗教學(xué)

事實上，近年來實驗教學(xué)界一直在以“開放、共享”的理念為指導(dǎo)，探索實驗教學(xué)的新模式、新方法。實驗教學(xué)的開放共享已經(jīng)是學(xué)術(shù)界和教學(xué)實踐中重要的研究課題[5-7]。開放共享的概念起源于人們對于密切交流和合作研究形式的需求。教學(xué)實驗室的開放共享能夠給學(xué)生提供更為優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源，是培養(yǎng)優(yōu)秀人才中不可或缺的一部分?？蒲袑嶒炇业拈_放共享模式促使有共同興趣和共同需求的科研人員走到一起，彼此之間產(chǎn)生有意義的溝通，從而加快信息的流通，帶動科研的進(jìn)步和發(fā)展。而MOOC環(huán)境中線上的開放共享在具備以上意義的同時，能使更多的人群受益。

國內(nèi)外實驗教學(xué)開放共享已經(jīng)非常普遍，并取得了很多成功的經(jīng)驗。美國、日本等發(fā)達(dá)國家的大學(xué)很早就提出開放式課程教學(xué)的理念，以開放式實驗教學(xué)的方式培養(yǎng)不同學(xué)科、不同專業(yè)和不同層次的大學(xué)生和研究生。在實驗教學(xué)開放共享探索的過程中，計算機(jī)技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。美國大學(xué)中有許多為教學(xué)服務(wù)的CAI(computer aided instruction，計算機(jī)輔助教學(xué))軟件，質(zhì)量很高，學(xué)生可以隨時提前進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)、設(shè)計實驗方案，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺傳給教師審核，從而有效提高課堂教學(xué)效果，引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息以及對信息進(jìn)行分析、加工和綜合概括的能力。學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中還可以利用計算機(jī)進(jìn)行實驗儀器設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集和處理等工作。實驗報告也基本上是在計算機(jī)上完成[8]。

但是，這一層面的開放與共享，仍然停留在物理實體層面的開放，即試圖以計算機(jī)技術(shù)來解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，如設(shè)備共享、人員共享等問題，例如通過Web預(yù)約等方式解決儀器設(shè)備在更大物理范圍內(nèi)的開放共用及以計算機(jī)方式來完成實驗過程中的輔助環(huán)節(jié)等，與MOOC理念的核心，即廣義的共享有所不同。

3.1 實驗課程內(nèi)容的MOOC化

MOOC推動了教學(xué)內(nèi)容改革，其理念也引發(fā)了實驗教學(xué)內(nèi)容改革。實驗課程內(nèi)容的重新設(shè)計及MOOC化是實驗教學(xué)資源開放共享的新舉措。以我校實驗課程的建設(shè)現(xiàn)狀為例。目前，我校擁有67個本科生和研究生教學(xué)實驗室、61個科研實驗室。在科研實驗室中，包括8個國家重點實驗室、4個國家級工程研究中心、42個省部級重點實驗室；實驗教學(xué)中心又擁有4個國家級實驗教學(xué)示范中心，10個部、市級實驗教學(xué)示范中心以及19個人才培養(yǎng)基地。建立了沙河校區(qū)六大實驗平臺，具備了高水平的實踐教學(xué)環(huán)境，是我校實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)。根據(jù)2012—2013年開課目錄統(tǒng)計，這些實驗室承擔(dān)了全校的實驗課程1 025門，年實驗學(xué)時數(shù)達(dá)234萬學(xué)時，同時還支持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃(2013年共106項)、SRTP計劃(2013年共218項)、各類競賽(2012年，參賽26項，參加人數(shù)4 305人)。根據(jù)我們的初步調(diào)查統(tǒng)計，全?？梢訫OOC化的實驗課程預(yù)計能夠達(dá)到58門。許多課程已經(jīng)為實驗內(nèi)容的MOOC化做了實驗內(nèi)容創(chuàng)新的嘗試。例如，截止到本文撰寫之時，北航計算機(jī)學(xué)院已經(jīng)將手機(jī)游戲、算法的可視化平臺等多種具有創(chuàng)意的實驗方法融入到各類計算機(jī)實驗課程當(dāng)中。

通過開放的、統(tǒng)一的實驗課程平臺建設(shè)，將已有的各類優(yōu)質(zhì)實驗課程建設(shè)成為MOOC課，實現(xiàn)實驗課程的在線學(xué)習(xí)，是實現(xiàn)MOOC環(huán)境下實驗教學(xué)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。以演示型實驗內(nèi)容為主的實驗課程，其MOOC化技術(shù)實現(xiàn)相對容易操作。在實驗視頻的制作過程中，先進(jìn)的多媒體制作技術(shù)能夠使學(xué)生獲得比較好的演示體驗，此外，智能手機(jī)、沉浸式游戲軟件以及其他新技術(shù)也啟發(fā)實驗的開課教師能夠?qū)栴}導(dǎo)向?qū)W習(xí)方法做得更好，在實驗內(nèi)容本身的設(shè)計上推陳出新。而操作型為主的實驗，則可以結(jié)合實驗環(huán)節(jié)的部分或全部虛擬化來進(jìn)行。

3.2 實驗環(huán)節(jié)的虛擬化

虛擬實驗技術(shù)也是MOOC的研究與實踐者近期最為關(guān)注的課題之一。虛擬實驗技術(shù)可以通過仿真實驗的一部分環(huán)節(jié)解決一些突出的問題。例如，通過虛擬訓(xùn)練高危險性、高耗能的實驗，通過虛擬實驗室進(jìn)行虛擬環(huán)節(jié)的操作、虛擬遠(yuǎn)程控制實驗設(shè)備等。以我校的特色專業(yè)航空科學(xué)實驗課程群為例，由于航空裝備體積大、造價高，且試飛實驗費用高、危險性大，高校在實驗教學(xué)中無法大量使用真機(jī)，更不可能用實際制造和試飛的方式驗證學(xué)生提出的創(chuàng)新性航空器設(shè)計方案。因此，對部分或全部的實驗環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬仿真的教學(xué)實驗已經(jīng)成為我校航空科學(xué)技術(shù)教學(xué)中不可或缺的關(guān)鍵手段。

虛擬實驗室最早在1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)(University of Virginia，U.Va.或UVA)的William Wulf教授提出，用來描述一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。自該概念提出以來，各國均在大力開發(fā)，并已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[9]。虛擬實驗室利用計算機(jī)上的各種模擬、仿真軟件來完成傳統(tǒng)實驗室中的工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實驗室不可能做到的事情。這些軟件不是簡單的“課件”，而是一個智能化的學(xué)習(xí)平臺。需要把研究的對象，用數(shù)學(xué)模型、物理模型以多媒體的手段表現(xiàn)出來。從軟件平臺開發(fā)的角度來看，是更高層次的開發(fā)，各部分的算法及模型把數(shù)、理、電結(jié)合起來，軟件、硬件相結(jié)合。在虛擬實驗的過程中，學(xué)生能夠自始至終保持著濃厚的學(xué)習(xí)(研究)興趣，不再把學(xué)習(xí)看作負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心，享受著學(xué)習(xí)的樂趣。學(xué)生自己動手操作，使實踐能力、觀察能力及歸納能力等都得到很好的鍛煉。在這種新的學(xué)習(xí)環(huán)境里，學(xué)生親身參與體驗充滿豐富生動概念或思想活動的探索過程，而不是單純吸收課本上的或教師敘述的現(xiàn)成的結(jié)論。

由于計算機(jī)技術(shù)在近年來迅速發(fā)展，虛擬實驗室變得更加普遍，如表2所示。

表2 國外部分大學(xué)開放共享、虛擬實驗資源舉例

虛擬實驗室能夠使學(xué)生和科研人員通過計算機(jī)設(shè)計執(zhí)行某些實驗課題，而完全不需要準(zhǔn)備實際樣品和設(shè)備。這種虛擬方式更加經(jīng)濟(jì)、快速和安全。例如，MIT研發(fā)的Microelectronic Weblab 微電子虛擬實驗室，已經(jīng)實現(xiàn)了新加坡到MIT的遠(yuǎn)程實驗。美國斯坦福大學(xué)轉(zhuǎn)化性學(xué)習(xí)技術(shù)實驗室Paulo Blikstein教授則與斯坦福大學(xué)生物工程師Ingmar Riedel-Kruse共同研發(fā)了新一代數(shù)字實驗室課程，研究人員能夠使用一個集中生物學(xué)實驗室里的遠(yuǎn)程控制儀器進(jìn)行研究工作。而位于英國米爾頓凱恩斯開放大學(xué)的開放科學(xué)實驗室里，幾乎所有的實驗室儀器都在線可用。學(xué)生通過遠(yuǎn)程遙控用于識別元素和同位素的γ射線分光儀、西班牙馬略卡島0.43 m望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，就能收集到真實數(shù)據(jù)，并能夠利用模擬顯微鏡等設(shè)備分析這些數(shù)據(jù)[10]。

目前，國內(nèi)已有部分高校初步建立了虛擬實驗室，如清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)、華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網(wǎng)上公開展示供遠(yuǎn)程教育使用，復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)等一批高校，也開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。

但是，從目前統(tǒng)計來看，相關(guān)系統(tǒng)并沒有得到大規(guī)模的普及，其最大障礙之一是目前許多一次性實驗無法與MOOC或其他技術(shù)相聯(lián)系，也沒有得到整合和統(tǒng)一的展示。而edX平臺已經(jīng)嘗試去解決這一問題，開設(shè)虛擬實驗室，供學(xué)生在平臺上開展模擬實驗。例如，使用一款名為Websim的軟件虛擬科學(xué)實驗的全過程，當(dāng)學(xué)生在上“電路與電子學(xué)”時，只要用鼠標(biāo)將電阻和電源連接到一起，就立刻會有虛擬的電流被模擬出來。edX利用這套軟件建立了虛擬實驗室，再通過人工智能軟件或?qū)W生之間相互評分對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測評[2]。edX平臺已經(jīng)取得的初步成果啟發(fā)我們，建立統(tǒng)一的開放共享平臺將相關(guān)的虛擬實驗資源和平臺進(jìn)行整合，是實驗教學(xué)MOOC化中未來重要的研究方向之一。

3.3 實驗教學(xué)支撐平臺的網(wǎng)絡(luò)化

虛擬實驗?zāi)軌蚪鉀Q跨多校、跨地區(qū)的實驗共享問題，使得更多的學(xué)生能夠接觸到優(yōu)質(zhì)的實驗資源。依據(jù)MOOC的理念，虛擬實驗將得到廣泛普及，但以實驗本身的特質(zhì)，虛擬實驗不能完全取代實際操作，線上線下的結(jié)合是一種更為可行的操作方法，因此建立網(wǎng)絡(luò)化的虛實結(jié)合的實驗教學(xué)支撐平臺，是開放式實驗教學(xué)日常運(yùn)行和管理的保障。MOOC環(huán)境下開放式網(wǎng)絡(luò)化的實驗教學(xué)支撐平臺，至少應(yīng)包括以下功能：

(1) 實驗共享。統(tǒng)一發(fā)布承載的實驗課程內(nèi)容，實驗者依據(jù)個人需要選擇課程，通過門戶網(wǎng)站申請?zhí)摂M機(jī)資源。校內(nèi)、校外人員均可遠(yuǎn)程登錄個人的實驗虛擬機(jī)參與實驗，實現(xiàn)個性化的自主實驗空間。

(2) 規(guī)范管理。構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)門戶入口，承載所有實驗的參與者，方便校外人員訪問。同時，實驗物理資源統(tǒng)一管理，仿真計算資源統(tǒng)一分配。實驗環(huán)境通過模板一次性定制，統(tǒng)一生成虛擬機(jī)鏡像，方便管理、易于維護(hù)。

(3) 學(xué)生實驗進(jìn)度跟蹤。查看學(xué)生的實驗進(jìn)度，可以使用學(xué)生代碼或模塊化、階段化的輸出結(jié)果(包括數(shù)據(jù)等)在實際的設(shè)備上運(yùn)行。

(4) 師生互動交流。提供在線聊天室平臺，方便交流討論，包括群聊、私聊、討論組等。能提供社交網(wǎng)絡(luò)相關(guān)接口，便于師生在實驗結(jié)束前后、實驗進(jìn)行過程中隨時進(jìn)行交流。

(5) 課件教學(xué)。提供內(nèi)置流媒體接口，學(xué)生可以收看以往的或者實時的教師教學(xué)視頻和同步PPT。

4 以云計算為支撐開放式實驗教學(xué)平臺

信息技術(shù)的發(fā)展，一直推動著整個產(chǎn)業(yè)革命的進(jìn)步。目前，云計算的發(fā)展已經(jīng)成為多個行業(yè)進(jìn)步的重要支撐，由Goolge、IBM等大型IT企業(yè)構(gòu)建起的計算機(jī)存儲、運(yùn)算中心已經(jīng)得到了廣泛的推廣，用戶可以通過個人客戶端來訪問這些云存儲和應(yīng)用服務(wù)中心。在國內(nèi)，云存儲和云計算的應(yīng)用發(fā)展也非常迅速，比如阿里巴巴建立的云存儲研究所、360殺毒軟件推出的云殺毒以及搜狗拼音輸入法推出的云計算輸入等。這些產(chǎn)品的開發(fā)、推廣以及使用都體現(xiàn)了云計算的魅力[11-12]。而云計算在教育教學(xué)中的應(yīng)用，是當(dāng)前教育的一大變革，與MOOC一樣，將給我國教育、教學(xué)領(lǐng)域，尤其是實驗教學(xué)領(lǐng)域帶來重大的變革。

國家科研和教育部門已經(jīng)著手開始推動，中國教育技術(shù)協(xié)會從2009年就開始在全國范圍內(nèi)開展“云計算輔助教學(xué)(CCAI)”案例評選活動；同年5月，我國政府部門又成功召開了“中國云計算大會”，確定了云計算的發(fā)展方向以及應(yīng)用領(lǐng)域；之后，中國教育技術(shù)協(xié)會在上海舉辦了首屆“云計算輔助教學(xué)”高級培訓(xùn)班，為云計算輔助教學(xué)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，浙江、廣州等全國多個地方相繼開展了云計算輔助教學(xué)的相關(guān)培訓(xùn)工作。國家科技部、教育部在《關(guān)于充分發(fā)揮高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新作用的若干意見》中明確提出：“建立虛擬實驗室，利用先進(jìn)的科技手段建立重大儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程操控平臺；推動一批科學(xué)實驗基地面向?qū)W生開放”。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，科技部和教育部已經(jīng)會同有關(guān)部門開始了這方面的試點工作。

對于從事實驗教學(xué)工作的計算機(jī)專業(yè)人員而言，開發(fā)和建設(shè)以云計算為支撐的虛實融合的實驗教學(xué)平臺，通過建立服務(wù)器池及桌面虛擬機(jī)環(huán)境，在同一系統(tǒng)上同時運(yùn)行多臺虛擬機(jī)，快速部署操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，構(gòu)建靈活可靠的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境，為地區(qū)，甚至全國范圍內(nèi)的師生提供遠(yuǎn)程實驗教學(xué)資源，是我們未來的努力方向，也是實驗MOOC化的具體途徑。

5 結(jié)束語

MOOC教學(xué)模式已經(jīng)成為當(dāng)前極具吸引力的大規(guī)模教學(xué)模式，這使得讓教學(xué)資源不發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)生也能享受到優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源成為可能，對于提升一個地區(qū)乃至一個國家的人才培養(yǎng)水平具有重要作用。

MOOC發(fā)展到今天，伴隨著在線課程數(shù)量的急劇擴(kuò)張，許多教育界實踐和理論人士亦針對其成效及其可持續(xù)性提出了質(zhì)疑。其中質(zhì)疑最多的問題是目前MOOC課所提供的教學(xué)視頻和發(fā)布的內(nèi)容的傳承方式仍然維系傳統(tǒng)的講課模式。MOOC模式是否能夠在熱烈的追捧之后走遠(yuǎn)，取決于MOOC的提出者所倡導(dǎo)的“開放、共享、互通”這一核心理念是否能夠真正地體現(xiàn)和融入到教學(xué)活動中。

實驗教學(xué)本身就具有典型的互動特征，因此，探索MOOC環(huán)境下如何開展新型的開放式實驗教學(xué)，穩(wěn)步推進(jìn)實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新，是抓住MOOC機(jī)遇、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源的全面開放共享的基礎(chǔ)，也是應(yīng)對MOOC對教育大環(huán)境沖擊的理性抉擇。

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