虛擬實驗在學校創(chuàng)客教育中的價值潛能及路徑探索

摘? 要 當前創(chuàng)客運動風起云涌并躋身眾多領(lǐng)域，其與教育的結(jié)合催生了創(chuàng)客教育。學校是創(chuàng)新實踐的土壤，是創(chuàng)客教育實施的主要陣地，而虛擬實驗是學校教學中的重要輔助工具，它的某些功能和特性能夠為創(chuàng)客教育在學校的開展提供支持和服務(wù)。旨在挖掘虛擬實驗在學校創(chuàng)客教育應(yīng)用中的價值潛能，并探索其開展路徑，以期為創(chuàng)客教育在學校的推行提供某種思路。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)客運動;創(chuàng)客教育;虛擬實驗;學校教育;數(shù)字化學習

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0035-03

Explore on Potential Value and Path of Virtual Experiment in Schools Maker Education//YANG Li

Abstract Currently， Maker Movement surging and developing in many fields， A combination of Maker Movement and education has created Maker Education. School is the soil of innovation practice and the main position hit off the implementation of education， and virtual experiments is an important auxiliary tool of school teaching， some of its features and functionality can provide support and ser-vices for its implement in school. In order to provide some kind of ideas for the implementation of Maker Education in school.

Key words maker movement; maker education; virtual experiment; schooling; e-learning

1 前言

《新媒體聯(lián)盟地平線報告：2015基礎(chǔ)教育版》中提出“從學生作為消費者到學生作為創(chuàng)造者的轉(zhuǎn)變”，并將“創(chuàng)客”技術(shù)作為未來兩到三年內(nèi)必將影響教育的技術(shù)手段[1]。而當前創(chuàng)客運動風起云涌，已在眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展，其與教育的結(jié)合催生了創(chuàng)客教育。當前教育領(lǐng)域?qū)?chuàng)客運動的研究還不多，創(chuàng)客理念在學校教育中的應(yīng)用仍處于理論探索階段，實踐領(lǐng)域有待進一步發(fā)展。學校是創(chuàng)新實踐的土壤，是創(chuàng)客教育實施的主要陣地。而當前虛擬實驗是學校教學中的重要輔助工具，是數(shù)字化學習環(huán)境的重要組成部分，其在學校教育中的應(yīng)用已趨于成熟，某些功能和特性能夠為創(chuàng)客教育在學校的開展提供支持和服務(wù)。

基于此，本文通過分析當前創(chuàng)客教育所面臨的問題，挖掘虛擬實驗在學校創(chuàng)客教育應(yīng)用中的可能性和價值潛能，并探索其開展路徑，以期為創(chuàng)客教育在學校的推行提供某種思路，以推進創(chuàng)客教育在學校中更好地應(yīng)用和發(fā)展。需要指出的是，虛擬實驗的作用主要是為創(chuàng)客提供真正創(chuàng)造前的準備練習，而不是要取代真實的創(chuàng)客空間[2]。

2 創(chuàng)客教育面臨的問題

創(chuàng)客教育是以信息技術(shù)的融合為基礎(chǔ)，傳承了體驗式教育、項目學習、創(chuàng)新教育、DIY理念等思想的一種教育方式[3]。對于創(chuàng)客教育，可以從兩個角度去理解：一種是“創(chuàng)客的教育”，即為創(chuàng)客人才的培養(yǎng)所開展的教育，學校一般通過建立創(chuàng)客空間、開設(shè)創(chuàng)客培訓課程并配備有經(jīng)驗的指導教師來實現(xiàn);另一種是“創(chuàng)客式教育”，即將創(chuàng)客運動提倡的“開放創(chuàng)新、動手實踐”的理念融入教育教學的過程中，開展基于創(chuàng)造的學習。實際上，這兩個角度的最終落腳點是一致的，即創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[4]。

創(chuàng)客教育的實踐場? 眾多中小學、高校是創(chuàng)客空間較為活躍和集中的區(qū)域。一方面由于學校內(nèi)部創(chuàng)新人才濟濟，很多校內(nèi)的創(chuàng)客群最初是由學生社團發(fā)展起來的，在發(fā)展中逐漸得到學校內(nèi)部的重視，校內(nèi)的創(chuàng)客空間隨即建立，而學校是創(chuàng)新實踐的土壤，培養(yǎng)學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力是學校教育的目標。另一方面，創(chuàng)客教育的核心理念是學生基于創(chuàng)造的學習，學校和社會要為這一過程提供各種支持服務(wù)。而近年來各學校紛紛開展機器人、計算機編程等課程，學校在弘揚創(chuàng)新實踐活動的過程中積累了豐富的資源和經(jīng)驗，一些發(fā)達地區(qū)的學校能夠為校內(nèi)的創(chuàng)客空間提供創(chuàng)客空間所需的場地、開源硬件、元器件、設(shè)備和材料等實體資源，還提供校園網(wǎng)支持下的數(shù)字化模型制作所需的平臺、開源軟件、設(shè)計工具、模型素材、在線知識庫、網(wǎng)絡(luò)素材資源庫、創(chuàng)客社區(qū)和創(chuàng)客比賽等網(wǎng)絡(luò)在線資源，并配備有一系列的創(chuàng)客課程和有經(jīng)驗的創(chuàng)客指導教師，為學生提供支持和指導服務(wù)，使學生的各種創(chuàng)意創(chuàng)想生根發(fā)芽并使之變?yōu)楝F(xiàn)實[5]。如教育部聯(lián)合清華大學和新奧集團共同舉辦了中美青年創(chuàng)客大賽，浙江溫州中學創(chuàng)立創(chuàng)客空間等。

創(chuàng)客教育面臨的問題? 目前，創(chuàng)客教育在推行中存在的下面一些困難和問題。

1）經(jīng)費和資金缺乏。創(chuàng)客教育的開展需要大量經(jīng)費的支持，需要建立創(chuàng)客空間，配備各種開源軟硬件、加工設(shè)備、資源和工具，這些工具的采購都需要學校資金的投入。雖然現(xiàn)在的技術(shù)產(chǎn)品和工具的成本下降了，但對于很多學校來說仍較難承受，即使學校開設(shè)了創(chuàng)客空間，各種設(shè)備的持續(xù)更新和維護以及所需材料和資源源源不斷地供給，仍是一筆不小的開銷。因此，在學校范圍內(nèi)進行創(chuàng)客教育大范圍的推廣仍存在較大困難。

2）專業(yè)指導教師匱乏。學生的創(chuàng)客教育需要教師的有效指導，而創(chuàng)客教育在學校內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步，創(chuàng)客教育對于很多一線教師仍是一個新名詞，有經(jīng)驗的、有技術(shù)的指導教師并不多。因此，創(chuàng)客教育中對教師群體的培訓也是一個新的課題[3]。

3）資源浪費現(xiàn)象嚴重。學生要將自己的創(chuàng)意點子轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實的產(chǎn)品，需要進行多次嘗試和反復試驗，對不同材料進行不同形式的組合，不可避免地會造成資源的重復浪費。這是創(chuàng)客在創(chuàng)造過程中會必然遇到的，無法消除，只能尋找有效措施盡量減少。

4）創(chuàng)造過程中的安全隱患。學生在加工創(chuàng)作過程中的各種誤操作和錯誤嘗試，可能會對人身財產(chǎn)帶來難以彌補的危險和傷害，專業(yè)教師的指導是必須的，如何減少和避免種種危險必須慎重考慮和妥善解決。

3 虛擬實驗

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出要“建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境，建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程和實驗系統(tǒng)、虛擬實驗室”，實現(xiàn)“虛擬仿真實訓教學軟件、實訓基地與國家重點產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的對接”，“信息化支撐科研成果轉(zhuǎn)化”。近年來，虛擬實驗在教育領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟，已成為數(shù)字化學習環(huán)境的重要組成部分。

虛擬實驗概述? 虛擬實驗是相對于實際實驗而言的一種實驗形式[6]，是基于多媒體技術(shù)、模擬仿真以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)而構(gòu)建和營造一種真實實驗所需的操作環(huán)境[7]，實驗者能夠獲得和真實的實驗等價甚至優(yōu)于真實實驗的效果和體驗的一種實驗?zāi)Ｊ絒8]。相對于實際實驗中的真實的實驗工具和實驗對象，虛擬實驗的虛擬儀器、實驗工具和實驗對象是以虛擬的形態(tài)而存在的。虛擬實驗通常借助于虛擬實驗室進行。

虛擬實驗的特征? 虛擬實驗是信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，具有以下特征。

1）交互性。虛擬實驗具有較強的交互性，可以實現(xiàn)實驗者與虛擬世界的自然交互。在虛擬實驗中，用戶可以與虛擬的實驗環(huán)境以及環(huán)境中的對象實現(xiàn)自然地和實時地交互，這一交互過程通過計算機鍵盤、鼠標或者頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備來實現(xiàn)。

2）沉浸性，虛擬實驗系統(tǒng)利用計算機模擬、仿真實驗和虛擬現(xiàn)實等新科技，能夠營造一個與真實物理世界高度類似的虛擬環(huán)境，實驗者能夠有一種身臨其境的感覺。在虛擬實驗系統(tǒng)中，實驗者能夠獲得真實的感官體驗，仿佛置身于真實的實驗場景中并能夠進行直接操作。

3）真實性。虛擬實驗?zāi)軌蛘鎸嵉啬M和再現(xiàn)實驗現(xiàn)象。虛擬實驗可以是現(xiàn)實實驗的真實呈現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的模擬顯現(xiàn)，能夠給予人們真實的自然感官體驗。

4 虛擬實驗應(yīng)用于創(chuàng)客教育的價值潛能及路徑分析

學校是創(chuàng)客教育實施的主要陣地，虛擬實驗也是學校教學中的重要輔助工具，它的某些功能和特性能夠為創(chuàng)客教育在學校的開展提供支持和服務(wù)?；诖?，本文將探討虛擬實驗在創(chuàng)客教育中的實踐和應(yīng)用價值，實現(xiàn)創(chuàng)客空間、創(chuàng)客社區(qū)和虛擬實驗的良性連接和協(xié)作，并探索其開展路徑，以期為創(chuàng)客教育在學校的推行提供某種思路，以推進創(chuàng)客教育在學校中更好地應(yīng)用和發(fā)展。需要指出的是，虛擬實驗的作用主要是為創(chuàng)客提供真正創(chuàng)造前的準備練習，而不是要取代真實的創(chuàng)客空間[2]，學生在前期完成數(shù)字化建模后，可以先通過虛擬實驗進行虛擬創(chuàng)造，經(jīng)過反復地實驗、測試和調(diào)試，待各種參數(shù)調(diào)試和材料組合完善后，再在創(chuàng)客空間中進行實際的動手加工操作，同時能減少不斷嘗試中所造成的資源浪費和重復操作，避免誤操作可能帶來的危險。

虛擬實驗應(yīng)用于創(chuàng)客教育的價值潛能

1）虛擬實驗技術(shù)能夠支持創(chuàng)客教育。虛擬實驗起源于20世紀末，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新。隨著虛擬實驗的提出，關(guān)于虛擬實驗室的建立和相關(guān)實踐及研究也隨之出現(xiàn)，直至現(xiàn)在，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室不斷開發(fā)出來，學生通過使用特殊頭盔和數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備能夠獲得和真實實驗等價甚至更優(yōu)的效果和感官體驗，仿佛置身于真實的實驗場景中并能夠進行直接操作。因此，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)能夠勝任創(chuàng)客教育的開展。

2）彌補場地、設(shè)備、加工材料和資源等的不足。創(chuàng)客教育需要大量的資源供學生進行各種嘗試試驗，而很多學校由于經(jīng)濟條件有限，甚至無法為學生開設(shè)創(chuàng)客空間，即使開設(shè)有創(chuàng)客空間，設(shè)備的不斷更新和創(chuàng)造過程中所需的材料和資源等源源不斷地供給，仍是一筆不小的開銷。虛擬實驗的使用能夠彌補因設(shè)備、場地、教學經(jīng)費投入不夠等原因而無法開設(shè)創(chuàng)客教育和創(chuàng)客空間的不足，學生在虛擬實驗中同樣可以進行各種加工創(chuàng)作，并且能夠有身臨其境的感覺，獲得與真實實驗一樣的感官體驗。同時，對于已經(jīng)開設(shè)有創(chuàng)客空間的學校，虛擬實驗可以作為在創(chuàng)客空間實際加工制作前的練習，學生在虛擬實驗中經(jīng)過反復試驗和測試，確保技術(shù)成熟以后，再在創(chuàng)客空間實際動手操作，減少資源浪費。

3）避免真實實驗或操作造成的潛在危險。傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中所進行的各種實驗和嘗試，如果操作不當，可能會產(chǎn)生危險和破壞，造成人員、財產(chǎn)和設(shè)備的損失等。開展虛擬實驗則可以消除這種顧慮，學生可以大膽地進行各種嘗試，待技術(shù)成熟后再到實體的創(chuàng)客空間進行實際的加工創(chuàng)造[9]。

4）克服了時空限制。由于時間和地點的分散，創(chuàng)客空間是分散在各地的，以往的創(chuàng)客是在創(chuàng)客空間里進行各種制作，而在創(chuàng)客社區(qū)進行交流討論，比較分散。而協(xié)作式虛擬實驗室能為不同地區(qū)的創(chuàng)客提供交流平臺和實驗平臺，突破地域的限制，彌補傳統(tǒng)實體創(chuàng)客空間的不足，滿足不同地點、不同學科的創(chuàng)客協(xié)作研究的需求，為世界各地的創(chuàng)客提供共同從事一個創(chuàng)客項目的分布式問題解決環(huán)境，實現(xiàn)不同地區(qū)的研究者協(xié)同實驗的目標，在遠程中相互協(xié)作，完成創(chuàng)造研究[10]。

5）減少了資源的浪費，發(fā)展綠色生態(tài)教育。虛擬實驗的作用主要是為創(chuàng)客提供真正實驗前的準備練習，而不是要取代真實的物理實驗室[2]。創(chuàng)客在虛擬實驗室中經(jīng)過反復試驗和測試后，確保技術(shù)成熟，再在創(chuàng)客空間實際動手操作。因此，創(chuàng)客可以不受資源、設(shè)備和安全的限制，并且有更多的創(chuàng)造機會，也減少了因操作失誤造成的資源浪費。同時，在創(chuàng)客的反復測試過程中，系統(tǒng)能夠記錄實驗數(shù)據(jù)和實驗過程，實驗者可以對這些數(shù)據(jù)進行分析，以改善實驗，加深對“產(chǎn)品”的理解和思考，可能在試驗過程中迸發(fā)出新的創(chuàng)意。

6）提高實驗效率，增強實驗效果。在虛擬創(chuàng)客實驗室中，學生可以根據(jù)需要進行各種嘗試，通過改變各種參數(shù)分析不同的實驗結(jié)果，從而獲得在真實創(chuàng)客空間場景中較難獲取甚至無法得到的實驗信息，有效地提高實驗效率，減少不必要的重復操作和嘗試。同時，創(chuàng)客在反復測試過程中不斷驗證理論，記錄實驗數(shù)據(jù)和實驗過程，可以對這些數(shù)據(jù)進行分析，以改善實驗過程，增強實驗效果，也為后期在創(chuàng)客空間的加工制造增加成功的砝碼。

虛擬實驗應(yīng)用于創(chuàng)客教育的路徑? 虛擬實驗主要提供情境模擬和仿真訓練練習。

1）情境模擬。虛擬實驗?zāi)軌蛘鎸嵉啬M和再現(xiàn)實驗現(xiàn)象。虛擬實驗可以是現(xiàn)實實驗的真實呈現(xiàn)，也可以是虛擬構(gòu)想的模擬顯現(xiàn)，能夠給予人們真實的自然感官體驗。虛擬實驗的開展要依托于虛擬實驗室，而虛擬實驗室的開發(fā)和建設(shè)也需要較高的資金投入。但不同于創(chuàng)客空間的持續(xù)投資，虛擬實驗室的開發(fā)基本上屬于一次建設(shè)長久受益的工程，開發(fā)完成后只需定期更新相關(guān)系統(tǒng)組件即可，不需要過多的后期開發(fā)和維護費用。因此，要推廣學校中的創(chuàng)客教育，虛擬實驗室的投資是有一定的價值和功用的。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)建立虛擬創(chuàng)客實驗室，營造一個與真實的物理世界高度類似的虛擬環(huán)境，學生通過使用特殊頭盔和數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備能夠獲得和真實實驗等價甚至更優(yōu)的效果和感官體驗，仿佛置身于真實的實驗場景中，能夠有一種身臨其境的感覺。

2）仿真訓練。傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中所進行的各種實驗和嘗試，如果操作不當，可能會產(chǎn)生危險和破壞，造成人員、財產(chǎn)和設(shè)備的損失等。開展虛擬實驗則可以消除這種顧慮，學生可以大膽地進行各種嘗試，待技術(shù)成熟后再到實體的創(chuàng)客空間進行實際的加工創(chuàng)造[9]，避免各種危險。

另外，虛擬實驗的使用能夠彌補因設(shè)備、場地、教學經(jīng)費投入不夠等原因而無法開設(shè)創(chuàng)客教育和創(chuàng)客空間的不足，學生在虛擬實驗中同樣可以進行各種加工創(chuàng)作，獲得與真實實驗一樣的感官體驗。同時，對于已經(jīng)開設(shè)有創(chuàng)客空間的學校，虛擬實驗可以作為在創(chuàng)客空間實際加工制作前的練習，學生在虛擬實驗中經(jīng)過反復試驗和測試，確保技術(shù)成熟以后，再在創(chuàng)客空間實際動手操作。因此，創(chuàng)客可以不受資源、設(shè)備和安全的限制，并且有更多的創(chuàng)造機會，也減少了因操作失誤造成的資源浪費。

5 結(jié)語

本文通過分析當前創(chuàng)客教育所面臨的問題，探討虛擬實驗在創(chuàng)客教育中的實踐和應(yīng)用價值，實現(xiàn)創(chuàng)客空間、創(chuàng)客社區(qū)和虛擬實驗的良性連接和協(xié)作，并探索其開展路徑，以期為創(chuàng)客教育在學校的推行提供某種思路，以推進創(chuàng)客教育在學校中更好地應(yīng)用和發(fā)展。同時，虛擬實驗應(yīng)用于創(chuàng)客教育也面臨一些問題，如虛擬實驗室和各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不是一蹴而就的，部分學校可能存在資金不足的困難。但不同于創(chuàng)客空間的持續(xù)投資，虛擬實驗室的開發(fā)基本上屬于一次建設(shè)長久受益的工程，因此，從長遠利益來講，要推廣學校中的創(chuàng)客教育，虛擬實驗室的投資是有一定的價值和功用的。另外，本研究僅是理論層面的剖析，而虛擬實驗是否能推進學校創(chuàng)客教育的開展還需要大量實踐的檢驗，創(chuàng)客教育仍有很長的路要走。

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作者：楊麗，中國海關(guān)管理干部學院，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)與遠程教育、成人教育（066000）。