網上教育：虛擬實驗室

謝雨桐/編譯

網上教育：虛擬實驗室

謝雨桐/編譯

● 在網上學習的熱潮下，研究者們正在尋找教授科學實踐技能的新方法。

學術界正經歷著一場風暴。這場風暴來自MOOC——一種能讓數以萬計的學生同時聽到大學講座的 “大規模網絡公開課”。在大約一年的時間內，世界各地的高校已經迫不及待地成為了MOOC公司的合作伙伴。很多人認為此舉將引發高等教育界的革命。

但在很多教育界人士看來，MOOC還遠不足以引爆革命。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會怎樣將這些想法運用在實踐中。它們也不能鍛煉學生掌握設計實驗、分析數據、團隊合作、操作移液管和顯微鏡、堅持不懈，以及其他對科學研究很重要的實踐和社交技能。“只有當你知道怎么去做一件事，你才能真正理解它，”哈佛大學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，實踐技能需要從練習中獲得。獲得實踐技能需要親自動手來解決實際問題。而這樣的活動之前主要來自于實驗室課程、實地考察旅行、實習，甚至在研究室里進行的更高級的項目。

從網上獲取這樣的經歷很難做到，但教育科技研究者在過去的十年間已經取得了很大進展。多虧智能手機、體驗式游戲軟件以及其他快速發展的科技，亞利桑那州立大學的教育科技研究者詹姆斯·吉（JamesGee）說，“我們現在可以更好地運用問題導向的學習方式?！辈⒛軐⑺糜谌虻膶W生，“這種方法能夠給予每個人我們曾經認為很奢侈的那種教育。”他說。

遠程實踐

在科學界，一個教授實踐技能的標準載體就是實驗室課程?！霸趯嶒炇依?，我們為學生提供機會來接觸真實的實驗設備，分析可信的數據、體驗觀察的奇妙之處?！庇谞栴D凱恩斯函授大學的教育科技研究者邁克·夏普思（MikeSharples）說。

但是將大量學生集中到傳統實驗室里對一個建立于1969年、為全世界超過24萬學生通過遠程教育來頒發學位的函授大學來說是不可能實現的。直到上世紀90年代末期，這里的科學課才通過郵寄給學生包括顯微鏡、電路板、化學儀器、魚缸甚至激光器在內的錦囊來讓學生在家中實驗，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,幾乎所有的實驗室工作都可以通過學校的開放式科學實驗室在線完成。就像很多在職的科學家一樣，學生們能夠通過遠程遙控各種儀器收集真實的數據，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米的望遠鏡。學生們也可以用仿真儀器，如能看到高分辨率圖像而不是標本的虛擬顯微鏡探索可信的數據?！八麄兎糯?、調整焦距并且控制他們要觀察的標本的位置?！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），斯坦福大學學習技術改革研究室主任，正依靠新一代的數字實驗室課程走在改革的前列。他正和斯坦福大學的生物工程師因碼·瑞德·克魯斯 （IngmarRiedel-Kruse）一起實施的一個項目在集中式生物實驗室中使用了可以遠程控制的儀器?！斑@個想法需要在一個房間中放置一萬個幾毫米寬的培養皿，每個都要配備一個用作噴墨打印機的機器人，”比利克斯坦說，“學生對機器人說‘去我的培養皿并添加X滴’，攝像機就會記錄下這個過程?！?/p>

但是一些研究者擔心一個完全虛擬的實驗室永遠不能完全取代現實中的實驗室。如果學生繼續攻讀碩士學位或博士學位，他們可能會在使用真正的實驗室時處于劣勢。“我在這一點上是很保守的，”在馬薩諸塞大學安姆斯特分校研究數字化教育的計算機科學家貝弗利·帕克·伍爾夫（Beverly ParkWoolf）說，“你應該親自接觸實驗器材，并且能夠體驗親自動手轉動刻度盤和量取試劑究竟是什么樣的?！?/p>

裝在口袋里的實驗室

即使是傳統的實驗室也可能與現實脫軌，亞特蘭大佐治亞理工學院物理學家邁克爾·沙茨（MichaelSchatz）說，“當學生們走進現實世界時，之前學習的東西沒有一樣派到了用場?！?/p>

這就是為什么沙茨為推廣基礎科學，五月起在MOOC開設了附帶實驗室課程的物理學導論I。這是最早一批貫穿實踐性學習的MOOC之一，它開設的基礎是幾乎所有學生都會攜帶的具有拍照功能的智能手機?！霸谶@門課的開始，他們被要求在自己的生活環境中捕捉一段一個物體做恒向恒速運動的視頻?！鄙炒恼f （接著實驗室會涉及更復雜的運動，比如籃球砸向籃筐）。然后，學生們會用開源軟件提取物體隨時間的運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據并建立模型。最后，他們會用一個5分鐘的視頻研究報告來解釋他們的模型和成果，視頻會被上傳到YouTube上供其他學生在網上討論和指正。

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

函授大學也在開發移動設備的教育功能。2008年他們發布了iSpot,人們外出散步時可以用它上傳植物、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。這個項目被用在許多大學的生物課程中，同時也對社會人士開放，目前已在英國和南非擁有了3萬名參與者。

每個上傳的照片都能引發一場線上討論，大家會議論這個生物究竟是什么以及它的出現對生態系統的健康代表什么。用iSpot為研究收集數據的科學家也會在網上發表自己的見解?！八赃@是在戶外做科學實踐的一種方法，”夏普思說，“但是是用協作的方式?！笔聦嵣希f，參與者們正在變成實習生物學家。

在游戲中實踐

如iSpot和沙茨的MOOC課程之類的系統正在很大程度上支持著探究性學習理論。探究性學習讓學生們通過團隊合作，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驗室練習來向學生們的腦袋中填充知識。

大量證據表明這種方法比純粹的講課和訓練更有效，比利克斯坦說。但不幸的是，他又補充道，“在所有大型的全國范圍的辯論中，這些方法還是輸掉了?！边@一部分是因為如果它們被運用在課堂上會很昂貴并且很浪費時間。

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

一個研究初期的例子是EcoMUVE,一個由哈佛大學的德迪和他的同事們開發的生態系統課程。學生們組成團隊并用兩周的時間探索一個虛擬的池塘以及它周邊的環境。有一天他們發現池塘里的魚在死亡，于是他們需要找出為什么。參加的團隊需要決定收集什么數據：他們也許會測量來自附近住宅開發和高爾夫場地的潛在污水徑流，監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，隊伍們需要決定如何分析這些數據并對這種現象的解釋達成共識。他們運用數學概念以及因果分析來理解遠距離的一些行為，比如在高爾夫場地上噴灑化肥是如何影響生態系統的。Eco-MUVE軟件已經被一群11-13歲的學生們測試，他們在對定量測量、食物網以及水域等概念的理解上表現出了很大進步。

來自威斯康辛大學麥迪遜分校的教育心理學家大衛·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習軟件?！爱敽⒆觽儎側雽W時，他們都為可以自己設計和制造東西而興奮?！鄙掣フf。但是首先他們需要用兩年時間來學習數學和物理知識，很多人會為此氣餒。而現在，沙弗和他的團隊讓他們從低年級就可以自己造東西。

在練習中，學生們在虛擬的透析機制造廠實習，他們組成團隊來設計下一代系統來過濾血液中的污物。學生們會做研究并模擬對不同系統的造價、性能及市場可行性進行分析，并一起決定在完成他們的報告前要進行的實驗。

這種虛擬的實習正被威斯康辛州、賓夕法尼亞大學、匹茲堡大學的學生測試。前后的評估顯示它有利于維持學生們的信心和熱情?，F在沙弗和他的合作者正在發展一項全仿真的工程學導論課程，并把他們的系統延伸成一個能夠支持任何學科的實習平臺。

一些教育家抱怨說探究性學習缺乏中心和指導?！叭绻阒皇亲尯⒆觽冊谝粋€游戲的環境中互相交流，他們可能會有樂趣，但他們不會學習到很多知識。”田納西州孟菲斯大學心理學家阿特·格萊瑟（ArtGraesser）說。為了解決這一點，設計者們設計了很多虛擬的和真實的導師來保證學生們的學習進展。

有效指導的一個很重要的元素是交流，格萊瑟說：“當人們只是讀教科書或是聽演講時他們只能得到淺顯的知識?！钡钱斔麄冇懻搶W到的東西時就能加深對它的理解。格萊瑟和他的同事們發展了一個基于“三人談”的系統，在這個系統里學生們可以和兩個動畫電腦人物——能用自然語言回應使用學生的一個導師和一個學生——進行交流。使用的學生能在扮演小伙伴的虛擬學生的配合下與導師直接交流，或者他們可以通過對虛擬的班級講課來加深自己的知識。

一個使用三人談模式的系統是 Operation ARIES!,它是一個為了教會大學生批判性思考和科學推理而設計的游戲。玩家在“聯邦科學局”注冊，任務是從一些運用邪惡的科學來將人類變成愚蠢消費者的外星人手中拯救地球。學生們一起工作來評估現實中的媒體報道，博客和其他出版物。他們鑒定那些有研究價值的報道，比如可能與事件有潛在因果關系的索賠，這樣來提取外星人活動的證據。

強強聯手

對這種教授實踐技巧的系統大規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系的一次性實驗。當項目完成后，“你就會把你的應用放在一個幾乎沒有人能看到的很邊緣的網站上。”建立在加州山景城的最大的MOOC公司Coursera的合作創辦者達夫妮·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的物理學實驗課程，同時也在改進自己的軟件以在演講課程旁推廣供實踐學習的應用程序。當新的版本推出的時候，她說，MOOC導師們應該能夠在教學過程中安插運用如iSpot或虛擬環境軟件EcoMUVE，或他們自己開發的能夠鍛煉實踐技能的應用程序。他們希望這樣做可以為這些應用創造一個普遍的市場環境，并為他們爭取更大的曝光度。

但是這只是MOOC革命性結構調整的眾多舉措中的一個，沙弗說，和其他很多觀察者所想的一樣，“我們的教育系統就像一個巨大、古老、舒適的絨毛衛衣?！彼呀洺掷m了很長時間并且看起來是堅不可摧的。但當在網上發布講課視頻時，整個體系的一角就被松動了?！爸斑@個模式構建起來的方式不再管用了?！彼f。

甚至我們現在說話的時候，這個衛衣的布料也在被向著任何人都無法預知的方向重新編織。但是這讓現在這個時刻更加驚心動魄，“我們現在正處于一個能夠開始思考整個教育體系如何重新洗牌的時代。 ”他說。

[資料來源：Nature][責任編輯：彥 隱]