网上教育：虚拟实验室

谢雨桐/编译

网上教育：虚拟实验室

谢雨桐/编译

● 在网上学习的热潮下，研究者们正在寻找教授科学实践技能的新方法。

学术界正经历着一场风暴。这场风暴来自MOOC——一种能让数以万计的学生同时听到大学讲座的 “大规模网络公开课”。在大约一年的时间内，世界各地的高校已经迫不及待地成为了MOOC公司的合作伙伴。很多人认为此举将引发高等教育界的革命。

但在很多教育界人士看来，MOOC还远不足以引爆革命。在线讲座视频能够传授知识、公式和概念，但仅靠它们不能帮助任何人学会怎样将这些想法运用在实践中。它们也不能锻炼学生掌握设计实验、分析数据、团队合作、操作移液管和显微镜、坚持不懈，以及其他对科学研究很重要的实践和社交技能。“只有当你知道怎么去做一件事，你才能真正理解它，”哈佛大学研究仿真教育的克里斯·德迪（ChrisDede）说，“这无法抽象在演讲中。”

从定义就能看出，实践技能需要从练习中获得。获得实践技能需要亲自动手来解决实际问题。而这样的活动之前主要来自于实验室课程、实地考察旅行、实习，甚至在研究室里进行的更高级的项目。

从网上获取这样的经历很难做到，但教育科技研究者在过去的十年间已经取得了很大进展。多亏智能手机、体验式游戏软件以及其他快速发展的科技，亚利桑那州立大学的教育科技研究者詹姆斯·吉（JamesGee）说，“我们现在可以更好地运用问题导向的学习方式。”并能将它用于全球的学生，“这种方法能够给予每个人我们曾经认为很奢侈的那种教育。”他说。

远程实践

在科学界，一个教授实践技能的标准载体就是实验室课程。“在实验室里，我们为学生提供机会来接触真实的实验设备，分析可信的数据、体验观察的奇妙之处。”英国米尔顿凯恩斯函授大学的教育科技研究者迈克·夏普思（MikeSharples）说。

但是将大量学生集中到传统实验室里对一个建立于1969年、为全世界超过24万学生通过远程教育来颁发学位的函授大学来说是不可能实现的。直到上世纪90年代末期，这里的科学课才通过邮寄给学生包括显微镜、电路板、化学仪器、鱼缸甚至激光器在内的锦囊来让学生在家中实验，然后再把锦囊寄回。但是这样非常昂贵和麻烦，夏普思说。

今天,几乎所有的实验室工作都可以通过学校的开放式科学实验室在线完成。就像很多在职的科学家一样，学生们能够通过远程遥控各种仪器收集真实的数据，包括一台可识别元素和同位素的γ-射线分光仪和一台坐落于西班牙马略卡岛的主镜尺寸0.43米的望远镜。学生们也可以用仿真仪器，如能看到高分辨率图像而不是标本的虚拟显微镜探索可信的数据。“他们放大、调整焦距并且控制他们要观察的标本的位置。”夏普思说，就像他们在操作真的仪器一样。

保罗·比利克斯坦（PauloBlikstein），斯坦福大学学习技术改革研究室主任，正依靠新一代的数字实验室课程走在改革的前列。他正和斯坦福大学的生物工程师因码·瑞德·克鲁斯 （IngmarRiedel-Kruse）一起实施的一个项目在集中式生物实验室中使用了可以远程控制的仪器。“这个想法需要在一个房间中放置一万个几毫米宽的培养皿，每个都要配备一个用作喷墨打印机的机器人，”比利克斯坦说，“学生对机器人说‘去我的培养皿并添加X滴’，摄像机就会记录下这个过程。”

但是一些研究者担心一个完全虚拟的实验室永远不能完全取代现实中的实验室。如果学生继续攻读硕士学位或博士学位，他们可能会在使用真正的实验室时处于劣势。“我在这一点上是很保守的，”在马萨诸塞大学安姆斯特分校研究数字化教育的计算机科学家贝弗利·帕克·伍尔夫（Beverly ParkWoolf）说，“你应该亲自接触实验器材，并且能够体验亲自动手转动刻度盘和量取试剂究竟是什么样的。”

装在口袋里的实验室

即使是传统的实验室也可能与现实脱轨，亚特兰大佐治亚理工学院物理学家迈克尔·沙茨（MichaelSchatz）说，“当学生们走进现实世界时，之前学习的东西没有一样派到了用场。”

这就是为什么沙茨为推广基础科学，五月起在MOOC开设了附带实验室课程的物理学导论I。这是最早一批贯穿实践性学习的MOOC之一，它开设的基础是几乎所有学生都会携带的具有拍照功能的智能手机。“在这门课的开始，他们被要求在自己的生活环境中捕捉一段一个物体做恒向恒速运动的视频。”沙茨说 （接着实验室会涉及更复杂的运动，比如篮球砸向篮筐）。然后，学生们会用开源软件提取物体随时间的运动轨迹来分析他们的视频。接着他们会用公式来解释他们的数据并建立模型。最后，他们会用一个5分钟的视频研究报告来解释他们的模型和成果，视频会被上传到YouTube上供其他学生在网上讨论和指正。

课程在8月结束之前，我们还不能知道这种方法对几千名学生能不能行得通，沙茨说。但是如果这种方法被证明在帮助学生掌握学习材料方面是有效的，他和他的同事们都希望这门课可以成为所有网上科学课程的一个模版。

函授大学也在开发移动设备的教育功能。2008年他们发布了iSpot,人们外出散步时可以用它上传植物、鸟类、昆虫、菌类以及其他生物的照片并猜猜他们是什么生物。这个项目被用在许多大学的生物课程中，同时也对社会人士开放，目前已在英国和南非拥有了3万名参与者。

每个上传的照片都能引发一场线上讨论，大家会议论这个生物究竟是什么以及它的出现对生态系统的健康代表什么。用iSpot为研究收集数据的科学家也会在网上发表自己的见解。“所以这是在户外做科学实践的一种方法，”夏普思说，“但是是用协作的方式。”事实上，他说，参与者们正在变成实习生物学家。

在游戏中实践

如iSpot和沙茨的MOOC课程之类的系统正在很大程度上支持着探究性学习理论。探究性学习让学生们通过团队合作，用自己的方式解决教师提出的问题。而不是通过演讲或简单的实验室练习来向学生们的脑袋中填充知识。

大量证据表明这种方法比纯粹的讲课和训练更有效，比利克斯坦说。但不幸的是，他又补充道，“在所有大型的全国范围的辩论中，这些方法还是输掉了。”这一部分是因为如果它们被运用在课堂上会很昂贵并且很浪费时间。

不管怎样，这些天里，研究者们在以“魔兽世界”为先驱的多用户虚拟环境游戏中寻找合适的推广场所。

一个研究初期的例子是EcoMUVE,一个由哈佛大学的德迪和他的同事们开发的生态系统课程。学生们组成团队并用两周的时间探索一个虚拟的池塘以及它周边的环境。有一天他们发现池塘里的鱼在死亡，于是他们需要找出为什么。参加的团队需要决定收集什么数据：他们也许会测量来自附近住宅开发和高尔夫场地的潜在污水径流，监视池塘颜色的变化或通过污泥显微镜观察池塘生物。

接下来，队伍们需要决定如何分析这些数据并对这种现象的解释达成共识。他们运用数学概念以及因果分析来理解远距离的一些行为，比如在高尔夫场地上喷洒化肥是如何影响生态系统的。Eco-MUVE软件已经被一群11-13岁的学生们测试，他们在对定量测量、食物网以及水域等概念的理解上表现出了很大进步。

来自威斯康辛大学麦迪逊分校的教育心理学家大卫·沙弗（DavidShffer）和他的同事们正在用一种类似的探究性方法来为本科工科生们研制虚拟实习软件。“当孩子们刚入学时，他们都为可以自己设计和制造东西而兴奋。”沙弗说。但是首先他们需要用两年时间来学习数学和物理知识，很多人会为此气馁。而现在，沙弗和他的团队让他们从低年级就可以自己造东西。

在练习中，学生们在虚拟的透析机制造厂实习，他们组成团队来设计下一代系统来过滤血液中的污物。学生们会做研究并模拟对不同系统的造价、性能及市场可行性进行分析，并一起决定在完成他们的报告前要进行的实验。

这种虚拟的实习正被威斯康辛州、宾夕法尼亚大学、匹兹堡大学的学生测试。前后的评估显示它有利于维持学生们的信心和热情。现在沙弗和他的合作者正在发展一项全仿真的工程学导论课程，并把他们的系统延伸成一个能够支持任何学科的实习平台。

一些教育家抱怨说探究性学习缺乏中心和指导。“如果你只是让孩子们在一个游戏的环境中互相交流，他们可能会有乐趣，但他们不会学习到很多知识。”田纳西州孟菲斯大学心理学家阿特·格莱瑟（ArtGraesser）说。为了解决这一点，设计者们设计了很多虚拟的和真实的导师来保证学生们的学习进展。

有效指导的一个很重要的元素是交流，格莱瑟说：“当人们只是读教科书或是听演讲时他们只能得到浅显的知识。”但是当他们讨论学到的东西时就能加深对它的理解。格莱瑟和他的同事们发展了一个基于“三人谈”的系统，在这个系统里学生们可以和两个动画电脑人物——能用自然语言回应使用学生的一个导师和一个学生——进行交流。使用的学生能在扮演小伙伴的虚拟学生的配合下与导师直接交流，或者他们可以通过对虚拟的班级讲课来加深自己的知识。

一个使用三人谈模式的系统是 Operation ARIES!,它是一个为了教会大学生批判性思考和科学推理而设计的游戏。玩家在“联邦科学局”注册，任务是从一些运用邪恶的科学来将人类变成愚蠢消费者的外星人手中拯救地球。学生们一起工作来评估现实中的媒体报道，博客和其他出版物。他们鉴定那些有研究价值的报道，比如可能与事件有潜在因果关系的索赔，这样来提取外星人活动的证据。

强强联手

对这种教授实践技巧的系统大规模使用最大的阻碍之一就是它们很多都是与MOOC或其他任何东西没有任何联系的一次性实验。当项目完成后，“你就会把你的应用放在一个几乎没有人能看到的很边缘的网站上。”建立在加州山景城的最大的MOOC公司Coursera的合作创办者达夫妮·科勒（DaphneKoller）说。

Coursera正在努力改变这些，科勒说，不只是鼓励类似沙茨开设的物理学实验课程，同时也在改进自己的软件以在演讲课程旁推广供实践学习的应用程序。当新的版本推出的时候，她说，MOOC导师们应该能够在教学过程中安插运用如iSpot或虚拟环境软件EcoMUVE，或他们自己开发的能够锻炼实践技能的应用程序。他们希望这样做可以为这些应用创造一个普遍的市场环境，并为他们争取更大的曝光度。

但是这只是MOOC革命性结构调整的众多举措中的一个，沙弗说，和其他很多观察者所想的一样，“我们的教育系统就像一个巨大、古老、舒适的绒毛卫衣。”它已经持续了很长时间并且看起来是坚不可摧的。但当在网上发布讲课视频时，整个体系的一角就被松动了。“之前这个模式构建起来的方式不再管用了。”他说。

甚至我们现在说话的时候，这个卫衣的布料也在被向着任何人都无法预知的方向重新编织。但是这让现在这个时刻更加惊心动魄，“我们现在正处于一个能够开始思考整个教育体系如何重新洗牌的时代。 ”他说。

[资料来源：Nature][责任编辑：彦 隐]