國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展

王衛(wèi)國， 胡今鴻， 劉 宏

(1． 海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部， 湖北 武漢 430033；2． 哈爾濱工程大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與資產(chǎn)管理處， 黑龍江 哈爾濱 150001；3. 空軍工程大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710051)

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·國外實(shí)驗(yàn)室·

國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展

王衛(wèi)國1， 胡今鴻2， 劉 宏3

(1． 海軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部， 湖北 武漢 430033；2． 哈爾濱工程大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與資產(chǎn)管理處， 黑龍江 哈爾濱 150001；3. 空軍工程大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710051)

介紹了支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要信息技術(shù)，歸納總結(jié)了國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的類別、形式、特點(diǎn)以及實(shí)踐案例，分析了國外高校以信息技術(shù)推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢，指出了一些值得關(guān)注的新動向。

虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 信息技術(shù)； 實(shí)踐案例； 發(fā)展動向

0 引 言

以信息技術(shù)應(yīng)用為本質(zhì)特征的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，適應(yīng)了信息時代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增添了活力和動力。當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)受到高校的高度重視，其發(fā)展也面臨著一些新問題和新挑戰(zhàn)。為此，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享機(jī)制課題研究，通過對網(wǎng)絡(luò)搜集、資料收集和文獻(xiàn)檢索獲取的大量資料和信息的研究分析，歸納總結(jié)了支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要信息技術(shù)、國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)以及以信息技術(shù)推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的動向與趨勢，或許能夠從中得到一些啟發(fā)和借鑒。

1 支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要信息技術(shù)

1.1 對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生重要影響的信息技術(shù)

美國新媒體聯(lián)盟(NMC，New Media Consortium)主導(dǎo)的“地平線研究項目”始于2002 年，主要目的是預(yù)測和描述對教育教學(xué)產(chǎn)生重要影響的新興、主流和最有前景的教育信息化技術(shù)及其發(fā)展趨勢，其按年度、分系列發(fā)布的《國際教育信息化地平線報告》被視為教育信息化建設(shè)與發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，備受世界各國教育界的關(guān)注。該報告按照技術(shù)演進(jìn)成為普及應(yīng)用的主流技術(shù)所需要的時間，分近期、中期、遠(yuǎn)期3個階段提出了5年內(nèi)對教學(xué)、學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性探究產(chǎn)生重要推動作用的6項主流應(yīng)用的信息技術(shù)(見表1)。同時，對消費(fèi)者技術(shù)、數(shù)字化策略、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、學(xué)習(xí)技術(shù)、社交媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、使能技術(shù)這7大類新興信息技術(shù)的發(fā)展給與了持續(xù)關(guān)注[1-5]。綜合美國新媒體聯(lián)盟近年來對新興、主流信息技術(shù)的預(yù)測、描述和發(fā)展實(shí)際，將對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生重要影響且已經(jīng)或行將應(yīng)用的主流信息技術(shù)歸類如下(見表2)。

表1 近年來美國新媒體聯(lián)盟預(yù)測和描述的新興和主流信息技術(shù)

表2 對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生重要影響的信息技術(shù)

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主流應(yīng)用的信息技術(shù)

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的重要特征，匯總國外高校相關(guān)領(lǐng)域教學(xué)應(yīng)用的文獻(xiàn)、資料和網(wǎng)絡(luò)信息，目前在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到較多應(yīng)用的信息技術(shù)，主要有以下10種。

(1) 多媒體技術(shù)。利用計算機(jī)對文本、圖形、圖像、動畫、聲音、視頻等多種媒體信息進(jìn)行綜合處理，構(gòu)建生動逼真的二維和三維場景。同時，通過建立邏輯關(guān)系和人機(jī)交互作用，使計算機(jī)具有交互展示不同媒體形態(tài)的能力，并通過圖形交互界面、窗口交互操作實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間的信息輸入與輸出?；诮换ナ蕉嗝襟w技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有形象、生動、直觀、高效的特點(diǎn)，常用于進(jìn)行理論教學(xué)、原理演示以及輔助操作訓(xùn)練。

(2) 人機(jī)交互技術(shù)。通指借助計算機(jī)輸入與輸出設(shè)備，以有效方式實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)對話的技術(shù)。就虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，較為典型的應(yīng)用如：基于多媒體技術(shù)的觸摸式顯示屏實(shí)現(xiàn)的“桌面”計算機(jī)、3D立體空間顯示器、3D/4D打印機(jī)等。此外，還有智能手機(jī)中的地理空間跟蹤技術(shù)；應(yīng)用于可穿戴計算機(jī)、沉浸式游戲中的動作識別技術(shù)；應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、遙控機(jī)器人以及遠(yuǎn)程維修、醫(yī)療中的觸覺交互技術(shù)和基于腦電波的人機(jī)界面技術(shù)等。

(3) 可視化技術(shù)。應(yīng)用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)將大量數(shù)據(jù)以圖形或圖像的形式在屏幕上顯示(解釋)出來，進(jìn)而使人們產(chǎn)生深刻和意想不到的洞察力，即可視化技術(shù)?？梢暬闹饕^程是建模和渲染，前者將數(shù)據(jù)映射成物體的幾何圖元，后者則將幾何圖元描繪成圖形或圖像。可視化技術(shù)的應(yīng)用大至核反應(yīng)堆運(yùn)行過程模擬、地震斷裂帶數(shù)據(jù)分析，小至股市行情預(yù)測、分子結(jié)構(gòu)演示，無處不在。將可視化技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必將促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)方法發(fā)生根本性變革。

(4) 仿真技術(shù)。仿真技術(shù)以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用數(shù)學(xué)模型對實(shí)際的或設(shè)想的對象進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)、性能分析和綜合評估。基于仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的“虛擬裝備”，采用全軟件仿真方法建立實(shí)際裝備的高精度數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建逼真的運(yùn)行環(huán)境，其主要特點(diǎn)：一是采用了虛擬的外殼和虛擬的環(huán)境，易于在多個計算機(jī)終端上進(jìn)行教學(xué)；二是通過修改或更換仿真軟件，即可針對不同裝備和環(huán)境條件開展教學(xué)；三是與移動通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)結(jié)合，可便捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互訓(xùn)練和網(wǎng)上異地教學(xué)。

(5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。綜合應(yīng)用計算機(jī)三維圖形、圖像處理與顯示、傳感、人機(jī)交互等技術(shù)，為使用者提供一個觀察并與虛擬世界交互的多維人機(jī)界面，使之能夠直接參與、深入探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用和變化，并產(chǎn)生沉浸感。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的“虛擬現(xiàn)場”和“虛擬環(huán)境”，能夠使學(xué)生身臨其境地去“親身”經(jīng)歷真實(shí)環(huán)境、操作過程和運(yùn)行狀態(tài)的變化，達(dá)到前所未有的教學(xué)效果。

(6) 虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)是在多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的更高層次的仿真技術(shù)，具有4個基本特性：一是沉浸性。使用者可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運(yùn)動感覺等多種感知，進(jìn)而產(chǎn)生身臨其境的感受；二是交互性。不僅環(huán)境能夠作用于人，人也能夠以近乎自然的行為(如自身語言、肢體動作等)對環(huán)境進(jìn)行控制，虛擬仿真系統(tǒng)還能夠?qū)θ说牟僮鹘o與實(shí)時反應(yīng)；三是虛幻性。即環(huán)境是虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建的；四是逼真性。虛擬環(huán)境給人的感覺與所模擬的客觀世界非常相像，當(dāng)人以自然行為作用于虛擬環(huán)境時，所產(chǎn)生的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律。

(7) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。作為在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新技術(shù)，也被稱之為混合現(xiàn)實(shí)(或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)，或擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、擴(kuò)張實(shí)境)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合應(yīng)用多媒體、人機(jī)交互、三維建模與顯示、多傳感器信息集成、實(shí)時跟蹤與注冊、場景融合等技術(shù)，將計算機(jī)生成的虛擬物體、環(huán)境和系統(tǒng)信息實(shí)時疊加到真實(shí)場景中，采取透過式頭盔顯示系統(tǒng)和注冊系統(tǒng)(對用戶觀察點(diǎn)和計算機(jī)生成的虛擬物體的定位)相結(jié)合的形式，增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實(shí)世界的感知和理解，進(jìn)而獲得超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，具有真實(shí)世界與虛擬世界信息集成、實(shí)時交互性強(qiáng)、可在三維尺度空間中增添定位虛擬物體的特點(diǎn)[6,13]。

(8) 虛擬世界。虛擬世界是一個不同于現(xiàn)實(shí)世界且由人們應(yīng)用計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)創(chuàng)造的人工世界，其涵義可從狹義和廣義兩個層面來表述。簡言之，狹義的虛擬世界是一種“模擬的世界”，廣義的虛擬世界是一種動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)社會生活空間。就教學(xué)應(yīng)用而言，虛擬世界為教師和學(xué)生創(chuàng)建了一個“同一空間”，使學(xué)生產(chǎn)生集體上課的感覺，交流方式也與現(xiàn)實(shí)交往相差無幾，可有效縮短師生之間的時空距離[7]。

(9) 3D打印技術(shù)。3D 打印最初在航空航天、再生醫(yī)學(xué)、裝備制造與維修等領(lǐng)域得到應(yīng)用并取得了快速發(fā)展，隨之衍生出了3D生物打印、金屬打印、納米顆粒、疊加打印等新技術(shù)，展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)為學(xué)生開辟了嶄新的學(xué)習(xí)空間，學(xué)習(xí)者通過設(shè)計、制作、展示等多種角色進(jìn)入該學(xué)習(xí)空間，親歷學(xué)習(xí)過程的趣味性和生動性。此外，3D打印機(jī)可以將抽象的空間構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)、立體的彩色模型，一些難以理解的空間概念和結(jié)構(gòu)因被引入現(xiàn)實(shí)世界中而變得更加具體和直觀。通過直接參與和親身體驗(yàn)，學(xué)生的思維能力、設(shè)計能力以及實(shí)踐能力得到了全面的提高。

(10) 遙現(xiàn)技術(shù)。隨著平板電腦、智能手機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)以及可視化等技術(shù)的快速發(fā)展，人們越來越多的進(jìn)行遠(yuǎn)程工作。然而，這種遠(yuǎn)程工作方式還不能與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室、辦公室以及會議現(xiàn)場氛圍相融合，缺乏直面交流和協(xié)同工作的自然感覺，易產(chǎn)生一種分隔兩地的疏離感。遙現(xiàn)技術(shù)綜合應(yīng)用多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人、智能控制以及可視化等技術(shù)，通過創(chuàng)建真實(shí)的自然交互、實(shí)時顯現(xiàn)的現(xiàn)場環(huán)境，使遠(yuǎn)在異地的參與者產(chǎn)生身臨其境的感覺，從而為遠(yuǎn)程協(xié)同實(shí)驗(yàn)和科研提供了有力支持[8]。

2 國外高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本情況

2.1 國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要類別與形式

按照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的主要技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方式、技術(shù)平臺、配套資源以及共享特征，對國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要類別和形式進(jìn)行了簡要匯總(見表3)。

2.2 國外高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐案例

英國開放大學(xué)開放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目標(biāo)定位：① 成為研究和探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的在線中心；② 提供對現(xiàn)場(異地)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)、嚴(yán)格且科學(xué)的分析手段；③ 構(gòu)建具有3D沉浸式環(huán)境，可支持遠(yuǎn)程控制、虛擬儀器、交互式多媒體實(shí)驗(yàn)以及在線分析與研究活動的實(shí)驗(yàn)和研發(fā)平臺。目前，該實(shí)驗(yàn)室已能夠在線實(shí)現(xiàn)所有的實(shí)驗(yàn)室功能，學(xué)生即可下載虛擬儀器軟件進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，也可以借助遙控儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。此外，該實(shí)驗(yàn)室還開設(shè)有一批應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器共享使用的實(shí)驗(yàn)項目。例如，應(yīng)用于地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的虛擬顯微鏡，可提供當(dāng)前存放在世界各地博物館、大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)中的地球表面巖石材料和數(shù)百種英國本土巖石樣本，既避免了昂貴的顯微鏡、薄切片制備設(shè)施與設(shè)備的購置費(fèi)，還可以作為開放共享的虛擬儀器使用。

作為“印度-美國高等教育領(lǐng)域校際創(chuàng)新”合作項目中的一項重要內(nèi)容，美國20所頂尖大學(xué)利用印度甘露大學(xué)的遠(yuǎn)程教育網(wǎng)絡(luò)，為印度幾百所高校的學(xué)生開設(shè)了計算機(jī)科學(xué)、信息與通信、生物技術(shù)、材料科學(xué)等網(wǎng)絡(luò)課程，并與印度高校開展網(wǎng)上合作研究和技術(shù)交流協(xié)作。在此基礎(chǔ)上，印度甘露大學(xué)相繼啟動了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、網(wǎng)上聯(lián)合研究中心和在線實(shí)驗(yàn)室(ONLINE LABS)等一批建設(shè)項目。

表3 國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要類別與基本形式

美國耶魯大學(xué)發(fā)揮移動實(shí)驗(yàn)具有的即時性、參與性、情境性、泛在性、愉悅性優(yōu)勢，采用平板電腦完成分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)，教師通過iPad上的移動應(yīng)用程序與學(xué)生分享從中心實(shí)驗(yàn)室數(shù)字顯微鏡中獲取的數(shù)據(jù)和圖像等資源。通過將可遠(yuǎn)程控制的數(shù)字顯微鏡與平板電腦連接，學(xué)生既可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和注解，也可以將獲取的實(shí)驗(yàn)圖像存檔備用。澳大利亞雷德蘭茲大學(xué)利用平板電腦易攜帶、高分辨率顯示和觸摸屏的特點(diǎn)，以此替代笨重的實(shí)驗(yàn)儀器、視頻設(shè)備和其他的昂貴工具開展野外實(shí)踐教學(xué)，拍攝和注解地形圖片資料，收集和分享巖石數(shù)據(jù)，快速獲取參考資料并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。美國亞利桑那州立大學(xué)自2013年起，推行應(yīng)用智能手機(jī)、平板電腦、教育類游戲軟件等技術(shù)的移動和在線學(xué)習(xí)，開展基于問題求解的實(shí)踐教學(xué)活動。

英國開放大學(xué)從2006年開始，應(yīng)用基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬世界“第二人生”(Second Life)開展教學(xué)，通過構(gòu)建一個與課堂平行且身臨其境的三維虛擬環(huán)境，使師生既能夠?qū)崟r進(jìn)行交互、完成學(xué)習(xí)任務(wù)和參與集體活動，也可以使教師通過虛擬世界與異地學(xué)生進(jìn)行“面對面”的交流和輔導(dǎo)。美國明尼蘇達(dá)護(hù)理學(xué)院通過與行業(yè)協(xié)會和企業(yè)合作，聯(lián)合開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的互動游戲，其目的是讓護(hù)理專業(yè)的學(xué)生能夠參與形同真實(shí)生活中的情景演練，進(jìn)而提高實(shí)踐技能。西班牙馬德里IE商學(xué)院運(yùn)用名為“唐寧街10號”的教育類游戲軟件開展教學(xué)，意在使學(xué)生學(xué)習(xí)和了解全球經(jīng)濟(jì)政策的復(fù)雜性，站在更高層次進(jìn)行思考，培養(yǎng)解決相關(guān)領(lǐng)域緊迫問題的實(shí)際能力。在運(yùn)用這個游戲軟件的教學(xué)過程中，學(xué)生可以承擔(dān)英國首相的角色，并與保羅·克魯格曼、撒切爾夫人和米爾頓·弗里德曼等重要人物一起工作，擬定影響國民經(jīng)濟(jì)福祉的有關(guān)協(xié)議。此外，學(xué)生還可以6人一組參與辯論，以確定最可行的政策，然后通過一輪全體投票后將其付諸實(shí)踐。

美國科羅拉多大學(xué)開設(shè)的PhET交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)提供實(shí)驗(yàn)條件，并幫助學(xué)生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問題。學(xué)生通過運(yùn)行基于物理現(xiàn)象分析的交互式虛擬仿真軟件，在高度仿真的虛擬環(huán)境中，以個性化學(xué)習(xí)、自主式實(shí)驗(yàn)的方式，啟迪創(chuàng)新思維，驗(yàn)證所提出的實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)構(gòu)想。美國加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)的StarCAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，能夠展示公元前十世紀(jì)約旦堡壘的三維虛擬現(xiàn)實(shí)模型，學(xué)生利用手持式控制器，可步行穿越堡壘，旋轉(zhuǎn)物體或在上空進(jìn)行鳥瞰觀測，每次需要一個月的時間來測試、記錄和分析虛擬空間的立體數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)建立整個堡壘的仿真模型，以破解這一巨型堡壘的建筑和作用之謎。美國紐約大學(xué)利用自研的長達(dá)36米的高清晰度交互式多媒體顯示墻，應(yīng)用可視化技術(shù)開展教學(xué)，將復(fù)雜的股市數(shù)據(jù)形象化，顯現(xiàn)出蜜蜂蜂擁而至采集花粉的動畫場面。

加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)了3D實(shí)驗(yàn)室和人類學(xué)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，配備了最新的3D掃描儀和打印機(jī)、動作傳感器以及激光切割機(jī)等高科技設(shè)備，其目的是培育和激勵學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神。這些實(shí)驗(yàn)室不僅提供有專門場所和各類工具，還允許學(xué)生操作和研究諸如化石、文物之類的易碎品(如經(jīng)3D掃描、打印的古埃及花瓶)，并鼓勵創(chuàng)客們積極開展協(xié)作。新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)建筑和設(shè)計學(xué)院建設(shè)了一個包括金屬制品和木工機(jī)械區(qū)域、一系列三維數(shù)字化制造和建模設(shè)備的3D模型車間，其目的是為學(xué)生提供專門的原型設(shè)計和制作空間，學(xué)習(xí)使用如3D打印機(jī)等高科技設(shè)備的方法，制定解決問題的實(shí)際方案，并提供創(chuàng)造性指導(dǎo)和咨詢。美國凱斯西儲大學(xué)新發(fā)明中心創(chuàng)建的Think[box]，為學(xué)生提供了一個充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)新潛能并進(jìn)行創(chuàng)造的空間。在這里，學(xué)生們可以使用3D打印機(jī)、激光切割機(jī)及各種工具進(jìn)行原型設(shè)計和產(chǎn)品制作，實(shí)現(xiàn)他們有創(chuàng)意的新產(chǎn)品。

3 國外高校以信息技術(shù)推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新動向

3.1 加快新興信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

以信息技術(shù)為主導(dǎo)的新一波教育技術(shù)的快速發(fā)展，有力促進(jìn)了教育領(lǐng)域面貌極大改觀。目前，移動學(xué)習(xí)已成為教育必不可少的一個組成部分，學(xué)習(xí)分析、開放教育資源也在高校逐步得到應(yīng)用，使之學(xué)生真正成為能動性頗高的學(xué)習(xí)主體，充分顯現(xiàn)出信息技術(shù)在推進(jìn)教育現(xiàn)代化建設(shè)中的重要作用。表1、表2所列舉對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生重要影響的新興信息技術(shù)，諸如立體顯示、3D打印、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、信息可視化、可穿戴技術(shù)等，推出伊始即在教育領(lǐng)域獲得了應(yīng)用[1-3,9]。

3.2 整合教育資源于在線學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)之中

近年來的教育改革實(shí)踐表明，采用面對面教學(xué)、在線學(xué)習(xí)和混合式學(xué)習(xí)模式能夠有效克服傳統(tǒng)教學(xué)難以為學(xué)生提供更多合作學(xué)習(xí)機(jī)會的不足，既有利于發(fā)揮學(xué)習(xí)者的信息技能，使學(xué)生充分交流各自對探究主題和實(shí)驗(yàn)項目的意見，也使教學(xué)內(nèi)容更為豐富、生動、靈活且易于獲取。為鼓勵學(xué)生開展合作學(xué)習(xí)，提高解決實(shí)際問題的能力，目前國外許多高校正積極構(gòu)建有利于同伴合作的在線學(xué)習(xí)環(huán)境、平臺和工具。例如，美國印第安納大學(xué)和普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校的普通化學(xué)課、普渡大學(xué)和佛羅里達(dá)國際大學(xué)的生物學(xué)導(dǎo)論課都采取了同伴領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊學(xué)習(xí)模式和工作坊協(xié)作方式，并將電子教材、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室以及視頻資料等整合于在線學(xué)習(xí)環(huán)境之中[1-2]。

3.3 基于信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教育教學(xué)由理論課程單一教學(xué)形態(tài)向理論與實(shí)踐教學(xué)相輔相成轉(zhuǎn)變

為克服在線教育和網(wǎng)絡(luò)課程缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、學(xué)生實(shí)踐能力偏弱的不足，美國斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等知名高校以及英國開放大學(xué)，相繼在一些網(wǎng)絡(luò)開放課程中增加了以虛擬實(shí)驗(yàn)室為依托的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，并采用三種形式的實(shí)驗(yàn)手段，即：基于手持式設(shè)備(平板電腦、智能手機(jī)、可穿戴計算機(jī))的移動式交互實(shí)驗(yàn)；基于虛擬世界、教育游戲軟件的個性化自主實(shí)驗(yàn)；基于遙現(xiàn)技術(shù)的遠(yuǎn)程交互協(xié)同實(shí)驗(yàn)。目前，一些增添了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)開放課程，已被納入“慕課”(MOOCs)三大主流機(jī)構(gòu)之一的Coursera在線學(xué)習(xí)平臺[10]。

3.4 促使學(xué)生從以往的課程內(nèi)容單一消費(fèi)者向創(chuàng)造者和設(shè)計者轉(zhuǎn)變

近年來高等教育領(lǐng)域的一個新動向，就是創(chuàng)作、創(chuàng)新和創(chuàng)造逐漸成為主動學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)的代名詞。就此而言，國外高校進(jìn)行了一些值得關(guān)注的教育變革：一是以往沒有實(shí)驗(yàn)室或缺乏實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的大學(xué)院系，已將實(shí)踐教學(xué)作為課程和學(xué)位計劃的一個有機(jī)組成部分，并制定政策、完善條件以吸引更多的學(xué)生結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新、創(chuàng)造和設(shè)計；二是積極構(gòu)建有利于學(xué)生合作學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)、協(xié)同探究的創(chuàng)新環(huán)境和物理空間，跨學(xué)科的創(chuàng)客空間(創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室)和配備有傳統(tǒng)的手工制作工具、先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備(如激光切割機(jī)、微控制器、3D打印機(jī)等)的開放實(shí)驗(yàn)室數(shù)量迅速增加。英國普利茅斯藝術(shù)學(xué)院與歐洲一些主要的微觀裝配實(shí)驗(yàn)室合作，開展以工作坊和實(shí)習(xí)形式的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可使用這些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的3D打印機(jī)和掃描儀、數(shù)控銑床和機(jī)床、激光切割機(jī)等設(shè)備自由實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意；三是將創(chuàng)客空間整合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，并對本地創(chuàng)客開放教育資源。美國印第安納大學(xué)的“做中學(xué)”(Make-to-Learn)項目，旨在將制造者、教育工作者和研究者融為一體，共同探討DIY(Do It Yourself)如何促進(jìn)學(xué)習(xí)并形成不同的學(xué)習(xí)風(fēng)格。美國范德比爾特大學(xué)設(shè)立的“學(xué)生作為制造者”項目，要求學(xué)生結(jié)合尚未得到圓滿解決的問題，以自我導(dǎo)向?yàn)橹?、專家建議為輔、多學(xué)科專業(yè)學(xué)生組合的方式來開展創(chuàng)新探索，如要求生物專業(yè)的學(xué)生自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)，工程專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)建有關(guān)項目的播客，英語系的學(xué)生利用課程博客中的多媒體來表述他們的觀點(diǎn)[1-2,17]。

3.5 重視和加強(qiáng)開放教育資源的建設(shè)、使用和維護(hù)

作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)施中的一項重要元素，開放教育資源(OER)以多種形式存在且任何人都能夠免費(fèi)從網(wǎng)絡(luò)上獲取，通常包括播客視頻、電子教材、數(shù)字圖書館、交互式多媒體課件、虛擬仿真軟件、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室、教育類游戲以及課程等適合進(jìn)行學(xué)習(xí)、教學(xué)和研究的資源。目前，開放教育資源的價值已得到全世界的認(rèn)可，國外政府機(jī)構(gòu)和高校對其建設(shè)、使用和維護(hù)給與了高度重視。一是修訂或重新制定有關(guān)評價和選擇教學(xué)資料的政策，將數(shù)字化資源建設(shè)納入其中；二是確保所建立的教育資源既要最新，也要滿足教學(xué)使用需求，更要符合已認(rèn)可的內(nèi)容通用性標(biāo)準(zhǔn)；三是加大投入、優(yōu)先建設(shè)、統(tǒng)籌集力教育資源的設(shè)計、評價、鑒定和進(jìn)一步開發(fā)工作；四是積極探索有利于教育資源建設(shè)、使用和維護(hù)的商業(yè)模式[1-3,12-13]。

3.6 建設(shè)具有完備數(shù)字化學(xué)習(xí)條件和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的未來教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

未來教室和實(shí)驗(yàn)室是一個新興的研究領(lǐng)域，其特點(diǎn)是融合創(chuàng)新教育理念、先進(jìn)科學(xué)技術(shù)、心理學(xué)、傳播學(xué)、人體工學(xué)以及空間構(gòu)建理論，注重高度的交互性、開放性、啟發(fā)性和自然、靈活、安全、高效的人性化設(shè)計，進(jìn)而為以學(xué)生為主體開展小組討論、探究實(shí)驗(yàn)和研究性學(xué)習(xí)提供有力支撐。目前，一些發(fā)達(dá)國家對未來教室和實(shí)驗(yàn)室的研究與應(yīng)用較為成熟，產(chǎn)生了一批理念前瞻、技術(shù)先進(jìn)、特點(diǎn)突出的建設(shè)成果，如：新加坡南洋理工大學(xué)的COTF、東京大學(xué)的KALS、德國伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的主動學(xué)習(xí)樓，以及美國匹茲堡大學(xué)的可擴(kuò)展協(xié)作學(xué)習(xí)空間(創(chuàng)新課堂)[3,15-16]。美國哈佛大學(xué)的一些教授還將創(chuàng)客空間引入教學(xué)過程，將教室轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生可以進(jìn)行探究和創(chuàng)造的開放式、啟發(fā)式環(huán)境，創(chuàng)客空間/實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的階梯教室[3]。

美國麻省理工學(xué)院為改革傳統(tǒng)的物理教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生對抽象概念的理解，自2000年起開始實(shí)施MIT TEAL(Technology Enabled Active Learning)計劃，其目的是以信息技術(shù)營造一個以學(xué)生為主體，激發(fā)主動學(xué)習(xí)興趣，彼此合作、高度互動、動手實(shí)作、虛擬實(shí)驗(yàn)、過程可視的新穎教學(xué)環(huán)境，體現(xiàn)“教室就是實(shí)驗(yàn)室”的理念。該教室空間布局為13張直徑約2公尺、可坐9名學(xué)生的圓桌，教師講臺位于教室中央，教室內(nèi)配置有無線網(wǎng)絡(luò)、交互式多媒體設(shè)備、多屏投影/攝影系統(tǒng)、3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件、動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)平臺、桌面實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)器材以及個人實(shí)時反饋系統(tǒng)等。TEAL計劃要求采用三維動態(tài)顯示和二維模擬動畫進(jìn)行教學(xué)，通過小組合作、實(shí)驗(yàn)分析輔之計算機(jī)仿真呈現(xiàn)的方式，使學(xué)生形象、直觀地理解諸如電場、磁場等抽象概念并消化產(chǎn)生學(xué)習(xí)上困難的知識[16-18]。

4 結(jié) 語

信息技術(shù)的快速發(fā)展為虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、協(xié)同實(shí)驗(yàn)平臺、沉浸式實(shí)驗(yàn)軟件以及開放教育資源的建設(shè)與應(yīng)用提供了有力的支撐，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、模式、方法及手段發(fā)生了深刻的變革。考察和分析國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)理念、發(fā)展道路和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以為我們推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)提供有益的他山之石。

[1] L·約翰遜，S·亞當(dāng)斯貝克爾，等．新媒體聯(lián)盟地平線報告(2013高等教育版)[M]．張鐵道，殷丙山，等譯．美國奧斯汀，德克薩斯：新媒體聯(lián)盟，2013:1-19.

[2] 新媒體聯(lián)盟地平線報告(2014高等教育版)[J]．北京廣播電視大學(xué)學(xué)報，2014(2):28-36.

[3] NMC Horizon Report > 2015 Higher Education Edition[DB/OL]．http://cdn.nmc.org/media/2015-nmc-horizon-report-HE-EN.pdf

[4] Horizon Report 2011年地平線報告[DB/OL]．百度文庫，http://wenku.baidu.com/.

[5] Horizon Report 2012年地平線報告[DB/OL]．百度文庫，http://wenku.baidu.com/.

[6] 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[DB/OL]．百度百科，http://baike.baidu.com/view/4993039.htm.

[7] 虛擬世界[DB/OL]．百度百科，http://baike.baidu.com/subview/47107/13226664.htm.

[8] 遙現(xiàn)[DB/OL]．百度百科，http://baike.baidu.com/view/3872110.htm.

[9] 靳曉燕，張進(jìn)寶．十大新技術(shù)，教育大變樣[N]．光明日報，2014-06-24.

[10] M.Mitchell Waldrop．The Virtual Lab[J]．Nature，2013 July 18:268-270.

[11] 黃榮懷，胡永斌，楊俊鋒．從數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境到智慧學(xué)習(xí)環(huán)境—學(xué)習(xí)環(huán)境的變革與趨勢[J]．開放教育研究，2012(1):75-84.

[12] 陶丹，譯．2010美國教育技術(shù)規(guī)劃[R].美國教育部教育技術(shù)辦公室．

[13] Su Cai，Xu Wang，F(xiàn)eng-Kuang Chiang．Case study of Augmented Reality simulation system application in a chemistry course[J]．Computers in Human Behavior，2014(37):31-40.

[14] “增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)的教育應(yīng)用[EB/OL]．“移動學(xué)習(xí)”教育部-中國移動聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，http://mllab.bnu.edu.cn/.

[15] 陳衛(wèi)東，葉新東．張際平．智能教室研究現(xiàn)狀與未來展望[J]．遠(yuǎn)程教育雜志，2011(4):39-45.

[16] 謝 未，江豐光．東京大學(xué)KALS與麻省理工學(xué)院TEAL未來教室案例分析[J]．中國信息技術(shù)教育，2013(9):99-101.

[17] 2013 MOOCs白皮書第一期．中國教育網(wǎng)絡(luò)，http://www.edu.cn/html/rd/MOOC1/.

[18] 2013 MOOCs白皮書第二期．中國教育網(wǎng)絡(luò)，http://www.edu.cn/html/rd/MOOC2/.

[19] 石雪飛，原艷霞．高等教育移動學(xué)習(xí)現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J]．中國教育網(wǎng)絡(luò)，2015(4):35-38.

Current Situation and Development of Virtual Simulation Experimental Teaching of Overseas Universities

WANGWei-guo1，HUJin-hong2，LIUHong3

(1. Training Department Naval Engineering University， Wuhan 430033， China；2． Department of Laboratory and Asset Management，Harbin Engineering University， Harbin 150001， China；3． Faculty of science Air Force Engineering University， Xian 710051， China)

This paper introduced main information technology to support virtual simulation experimental teaching and made a generalization about the types and feature and practice cases of virtual simulation experimental teaching of overseas universities，analyzed, development trends of promoting experimental teaching reform based on information technology and point out noteworthy new trends．

virtual simulation； experimental teaching； information technology； practice case； development trend

2014-0-0

教育部項目“高等學(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享系統(tǒng)機(jī)制研究課題”(教高司函〔2014〕18號)

王衛(wèi)國(1954-)，男，河北保定人，教授，全國高校實(shí)驗(yàn)室工作研究會副理事長，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程、模擬與仿真、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理。

Tel.：027-65460247 13607138536； E-mail：hg43794wwg@163.com

TP 391；G 482

A

1006-7167(2015)05-0214-06