新一代数字实验室课程

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开放大学似乎越来越受人们推崇，大规模在线课程正在兴起。然而，网络学习这种方式对于学习技术类专业的学生却有个很大的困扰，那就是实践操作。近来，有学者开发出“新一代数字实验室课程”,意在采用远程实验室的方案解决问题。
 

新一代数字实验室课程

许多教室今天看起来，与它们100多年前没什么两样，但是数字技术的应用已经开始改变几十年的传统。大规模在线课程(MOOCs)引发了学术界剧变。顶尖大学免费在线提供的课程让只要可登陆互联网的人，都可以接触到高品质的教育。在过去的1年中，世界各地的大学纷纷与大型MOOC公司建立伙伴关系，他们相信，这将引爆高等教育革命。

然而对于许多从事教育工作的人而言，MOOCs引发的革命还远远不够。《自然》杂志报道称，在线课程也许能够传输公式和概念等知识，但是老师无法帮助学生学会如何将这些知识用于实践中。

在网络上，没有人能给予学生，计划一个实验、分析数据、参与小组讨论、操作吸管或纤维镜、面对挫折不退缩，以及其他有助于在科学研究中取得成功的经验。“只有当你知道如何去做时，你才能真正理解某事。”美国哈佛大学模拟教育研究专家Chris Dede说。

几乎从定义就能看出，实践技巧必须通过经验获得。这些需要从亲自动手、解决问题的传统实验课、实地考察、实习，甚至在实验室里进行的课题研究中，去领会学习。

要在线为学生带来这样的经验十分困难，不过教育技术研究者已经在过去的10年中，取得实质性进展。亚利桑那州立大学教育技术专家James Gee提到，多亏智能手机、沉浸式游戏软件以及其他新技术，“现在我们能将问题导向学习方法做得更好”，能使它对全世界的学生都有用。“这能为每个人提供那种我们之前曾认为是奢侈品的教育。”他说。

远程实践

在科学领域，教导操作技能的传统工具是实验课程。“实验室是我们为学生提供接触真正实验设备、分析真实数据、体验观察奇妙现象的平台。”位于英国米尔顿凯恩斯的开放大学的教育技术学家Mike Sharples说。

但是把学生集中到一个传统实验室里，从来不是开放大学的选择项。这所成立于1969年的学校致力于提供远程教育学位，目前全世界有超过24万学生在此学习。直到上世纪90年代末，学校还会为那些选修科学课程的学生邮寄装备，其中可能包括显微镜、电路板、化学品、鱼缸甚至激光器。这样学生将能在家里做实验，之后再将设备寄回学校。但Sharples指出，这种方式花费不菲，并且十分麻烦。

现在，通过该校的开放科学实验室，几乎所有的实验室仪器都在线可用。就像正在工作中的科学家一样，学生通过远程遥控用于识别元素和同位素的γ射线分光仪、西班牙马略卡岛0.43米望远镜等设备，就能收集到真实数据。学生也能够利用模拟显微镜等设备分析这些数据。

美国斯坦福大学转化性学习技术实验室主任Paulo Blikstein则更近了一步。他与斯坦福大学生物工程师Ingmar Riedel-Kruse共同发展了一个项目——新一代数字实验室课程，在这里人们能够使用一个集中生物学实验室里的远程控制仪器，进行研究工作。

“我们的想法是建造一间拥有10000只培养皿的房间。这些培养皿数毫米宽，并有一个机器人在此工作。”Blikstein说，“学生能告诉机器人，‘去我的盘子那里，加上点X滴剂’，同时，学生能通过一台摄像机监控发生了什么。”

但是也有研究人员担心，完全虚拟的实验室不能真正取代实验台工作。如果学生继续研究生学习，他们在真正实验室里可能会处于不利地位。“在这种感觉方面，我是一个守旧派。”马萨诸塞大学计算机学家Beverly Park Woolf说，“你需要接触到设备”，并体验到拨键盘或配试剂的真实感觉。

口袋里的实验室

乔治亚理工学院物理学家Michael Schatz表示，即便传统的实验室也能从真实中被分离开。“学生从配有专业设备的专业房间里学到知识，然后他们回到现实社会中，结果发现自己学到的无法应用。”他说。

这就是Schatz在实验室创建在线课程“物理导论I”的原因，该课程始于今年5月份，主要教授运动的基本理论。这也是首批完全整合实践学习的MOOCs之一，学生需要拿着配有摄像装置的智能手机四处走动。“我们首先让他们走出去，拍摄一个运动的物体。”Schatz说。

下一步学生能使用开源软件分析自己拍摄的视频。之后他们要使用一个理论解释所得到的数据，并进行建模。最后，他们需要在一个5分钟视频中报告自己的模型，并上传到网上供其他同学讨论和批评。

Schatz表示，直到课程8月份结束前，他们还不清楚这种方式是否对数千名学生有用。如果这种方式被证明有效，他和同事希望它将能成为在线科学课程的一个模型。

开放大学还开发了教育移动设备，2008年启动了iSpot。利用iSpot，人们漫步在户外就能上传植物、鸟类、昆虫、真菌以及其他生物体的照片，并伴随着他们对照片上物体的猜测。这个项目被用于若干高校的生物课程中，也对不是学生的人开放。目前有来自英国和南非的30000人参与其中。

实验室与游戏

诸如iSpot和Schatz的“物理导论I”这样的在线课程系统，深受“探究式”学习哲理的影响。与试图通过一个讲座或一次实验室练习来填满学生的大脑不同，探究式学习将学生置于团队合作中，给他们问题，并让他们努力找到自己的答案。

Blikstein指出，大量证据表明，此类方法可能比传统讲座等更有效。但他补充道，不幸的是，“在大的、国家尺度的争论中，这些方法可能会输掉”，部分原因是，他们被认为太过昂贵和旷日持久。不过，在魔兽世界等网络游戏的倡导下，现在研究人员找到多用户虚拟环境(MUVEs)下的天然地点。

一个主要的例子是EcoMUVE——Dede和同事开发的一个生态系统学课程。学生分成小组，花费2周时间探索一个虚拟的池塘和其周围环境。

在模拟的一天中，他们发现鱼死了，那就必须找出原因。各小组自己决定收集什么数据：例如他们能测量来自附近房屋建设和高尔夫球场的潜在污水，监控池塘颜色的改变，或通过虚拟显微镜观察池塘生物。

下一步，各研究小组需要确定如何分析那些数据，对解释发生了什么、数字概念的应用等取得一致意见，并讨论高尔夫球场的施肥等遥远行为是如何影响生态系统的。EcoMUVE软件已经在年龄约为11~13岁的在校学生中进行了测试。结果显示，受试者对定量测定、食物网和水域等概念的理解有了极大提高。

集合在一起

相关系统普及的最大障碍之一是，许多一次性实验无法与MOOCs或其他技术相联系。位于美国加州的MOOC公司Coursera的联合创立人Daphne Koller提到，一旦项目结束，“你最后把你的应用程序放在一个不起眼的网站，几乎没人能找到它”。

Koller表示，Coursera在试着改变这种现状，不仅包括鼓励类似Schatz“物理导论I”的在线课程，也包括重写自己的软件，以便能传递实用性应用程序。例如，一旦新版本出现，MOOC讲师将能够为iSpot插入一个模块，或诸如EcoMUVE等的虚拟环境，甚至他们自己开发的相关应用。

但是美国威斯康星大学教育心理学家David Shaffer表示：“我们的教育系统就像一件巨大的、陈旧的、舒适的、有绒毛的毛衣。”它将永远持续下去，并似乎不可毁灭。

亚利桑那州立大学校长Michael M. Crow则评论道：“无论你是如何理解在线学习的，现在有一个机会去改变教师是讲台上的贤能者这个事实的局限性。”

但他也提醒说，“我只能希望，在我们欢迎MOOCs的同时，应三思而后行，不要发展到反乌托邦的地步，一般民众由机器人教学，而有天赋的和财力雄厚的人却是由教授们手把手地教。我们最终希望看到的是，技术通过降低成本和提高对我们多元化社会的影响力，使更多人可以接受高等教育”。