虚拟实验在学校创客教育中的价值潜能及路径探索

    摘? 要 当前创客运动风起云涌并跻身众多领域，其与教育的结合催生了创客教育。学校是创新实践的土壤，是创客教育实施的主要阵地，而虚拟实验是学校教学中的重要辅助工具，它的某些功能和特性能够为创客教育在学校的开展提供支持和服务。旨在挖掘虚拟实验在学校创客教育应用中的价值潜能，并探索其开展路径，以期为创客教育在学校的推行提供某种思路。

    关键词 创客运动;创客教育;虚拟实验;学校教育;数字化学习

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：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

    《新媒体联盟地平线报告：2015基础教育版》中提出“从学生作为消费者到学生作为创造者的转变”，并将“创客”技术作为未来两到三年内必将影响教育的技术手段[1]。而当前创客运动风起云涌，已在众多领域实现跨越式发展，其与教育的结合催生了创客教育。当前教育领域对创客运动的研究还不多，创客理念在学校教育中的应用仍处于理论探索阶段，实践领域有待进一步发展。学校是创新实践的土壤，是创客教育实施的主要阵地。而当前虚拟实验是学校教学中的重要辅助工具，是数字化学习环境的重要组成部分，其在学校教育中的应用已趋于成熟，某些功能和特性能够为创客教育在学校的开展提供支持和服务。

    基于此，本文通过分析当前创客教育所面临的问题，挖掘虚拟实验在学校创客教育应用中的可能性和价值潜能，并探索其开展路径，以期为创客教育在学校的推行提供某种思路，以推进创客教育在学校中更好地应用和发展。需要指出的是，虚拟实验的作用主要是为创客提供真正创造前的准备练习，而不是要取代真实的创客空间[2]。

    2 创客教育面临的问题

    创客教育是以信息技术的融合为基础，传承了体验式教育、项目学习、创新教育、DIY理念等思想的一种教育方式[3]。对于创客教育，可以从两个角度去理解：一种是“创客的教育”，即为创客人才的培养所开展的教育，学校一般通过建立创客空间、开设创客培训课程并配备有经验的指导教师来实现;另一种是“创客式教育”，即将创客运动提倡的“开放创新、动手实践”的理念融入教育教学的过程中，开展基于创造的学习。实际上，这两个角度的最终落脚点是一致的，即创新型人才的培养[4]。

    创客教育的实践场? 众多中小学、高校是创客空间较为活跃和集中的区域。一方面由于学校内部创新人才济济，很多校内的创客群最初是由学生社团发展起来的，在发展中逐渐得到学校内部的重视，校内的创客空间随即建立，而学校是创新实践的土壤，培养学生的动手实践能力和创新能力是学校教育的目标。另一方面，创客教育的核心理念是学生基于创造的学习，学校和社会要为这一过程提供各种支持服务。而近年来各学校纷纷开展机器人、計算机编程等课程，学校在弘扬创新实践活动的过程中积累了丰富的资源和经验，一些发达地区的学校能够为校内的创客空间提供创客空间所需的场地、开源硬件、元器件、设备和材料等实体资源，还提供校园网支持下的数字化模型制作所需的平台、开源软件、设计工具、模型素材、在线知识库、网络素材资源库、创客社区和创客比赛等网络在线资源，并配备有一系列的创客课程和有经验的创客指导教师，为学生提供支持和指导服务，使学生的各种创意创想生根发芽并使之变为现实[5]。如教育部联合清华大学和新奥集团共同举办了中美青年创客大赛，浙江温州中学创立创客空间等。

    创客教育面临的问题? 目前，创客教育在推行中存在的下面一些困难和问题。

    1）经费和资金缺乏。创客教育的开展需要大量经费的支持，需要建立创客空间，配备各种开源软硬件、加工设备、资源和工具，这些工具的采购都需要学校资金的投入。虽然现在的技术产品和工具的成本下降了，但对于很多学校来说仍较难承受，即使学校开设了创客空间，各种设备的持续更新和维护以及所需材料和资源源源不断地供给，仍是一笔不小的开销。因此，在学校范围内进行创客教育大范围的推广仍存在较大困难。

    2）专业指导教师匮乏。学生的创客教育需要教师的有效指导，而创客教育在学校内的发展才刚刚起步，创客教育对于很多一线教师仍是一个新名词，有经验的、有技术的指导教师并不多。因此，创客教育中对教师群体的培训也是一个新的课题[3]。

    3）资源浪费现象严重。学生要将自己的创意点子转化成现实的产品，需要进行多次尝试和反复试验，对不同材料进行不同形式的组合，不可避免地会造成资源的重复浪费。这是创客在创造过程中会必然遇到的，无法消除，只能寻找有效措施尽量减少。

    4）创造过程中的安全隐患。学生在加工创作过程中的各种误操作和错误尝试，可能会对人身财产带来难以弥补的危险和伤害，专业教师的指导是必须的，如何减少和避免种种危险必须慎重考虑和妥善解决。

    3 虚拟实验

    《教育信息化十年发展规划纲要（2010—2020年）》提出要“建立优质数字教育资源和共建共享环境，建设优质网络课程和实验系统、虚拟实验室”，实现“虚拟仿真实训教学软件、实训基地与国家重点产业和战略性新兴产业的对接”，“信息化支撑科研成果转化”。近年来，虚拟实验在教育领域的应用已趋于成熟，已成为数字化学习环境的重要组成部分。

    虚拟实验概述? 虚拟实验是相对于实际实验而言的一种实验形式[6]，是基于多媒体技术、模拟仿真以及虚拟现实等技术而构建和营造一种真实实验所需的操作环境[7]，实验者能够获得和真实的实验等价甚至优于真实实验的效果和体验的一种实验模式[8]。相对于实际实验中的真实的实验工具和实验对象，虚拟实验的虚拟仪器、实验工具和实验对象是以虚拟的形态而存在的。虚拟实验通常借助于虚拟实验室进行。

    虚拟实验的特征? 虚拟实验是信息技术在教育领域的应用创新，具有以下特征。

    1）交互性。虚拟实验具有较强的交互性，可以实现实验者与虚拟世界的自然交互。在虚拟实验中，用户可以与虚拟的实验环境以及环境中的对象实现自然地和实时地交互，这一交互过程通过计算机键盘、鼠标或者头盔显示器和数据手套等传感设备来实现。

    2）沉浸性，虚拟实验系统利用计算机模拟、仿真实验和虚拟现实等新科技，能够营造一个与真实物理世界高度类似的虚拟环境，实验者能够有一种身临其境的感觉。在虚拟实验系统中，实验者能够获得真实的感官体验，仿佛置身于真实的实验场景中并能够进行直接操作。

    3）真实性。虚拟实验能够真实地模拟和再现实验现象。虚拟实验可以是现实实验的真实呈现，也可以是虚拟构想的模拟显现，能够给予人们真实的自然感官体验。

    4 虚拟实验应用于创客教育的价值潜能及路径分析

    学校是创客教育实施的主要阵地，虚拟实验也是学校教学中的重要辅助工具，它的某些功能和特性能够为创客教育在学校的开展提供支持和服务。基于此，本文将探讨虚拟实验在创客教育中的实践和应用价值，实现创客空间、创客社区和虚拟实验的良性连接和协作，并探索其开展路径，以期为创客教育在学校的推行提供某种思路，以推进创客教育在学校中更好地应用和发展。需要指出的是，虚拟实验的作用主要是为创客提供真正创造前的准备练习，而不是要取代真实的创客空间[2]，学生在前期完成数字化建模后，可以先通过虚拟实验进行虚拟创造，经过反复地实验、测试和调试，待各种参数调试和材料组合完善后，再在创客空间中进行实际的动手加工操作，同时能减少不断尝试中所造成的资源浪费和重复操作，避免误操作可能带来的危险。

    虚拟实验应用于创客教育的价值潜能

    1）虚拟实验技术能够支持创客教育。虚拟实验起源于20世纪末，是虚拟现实技术在教育领域的应用创新。随着虚拟实验的提出，关于虚拟实验室的建立和相关实践及研究也随之出现，直至现在，基于虚拟现实技术、3D技术和增强现实技术的虚拟实验室不断开发出来，学生通过使用特殊头盔和数据手套等传感设备能够获得和真实实验等价甚至更优的效果和感官体验，仿佛置身于真实的实验场景中并能够进行直接操作。因此，技术发展已经能够胜任创客教育的开展。

    2）弥补场地、设备、加工材料和资源等的不足。创客教育需要大量的资源供学生进行各种尝试试验，而很多学校由于经济条件有限，甚至无法为学生开设创客空间，即使开设有创客空间，设备的不断更新和创造过程中所需的材料和资源等源源不断地供给，仍是一笔不小的开销。虚拟实验的使用能够弥补因设备、场地、教学经费投入不够等原因而无法开设创客教育和创客空间的不足，学生在虚拟实验中同样可以进行各种加工创作，并且能够有身临其境的感觉，获得与真实实验一样的感官体验。同时，对于已经开设有创客空间的学校，虚拟实验可以作为在创客空间实际加工制作前的练习，学生在虚拟实验中经过反复试验和测试，确保技术成熟以后，再在创客空間实际动手操作，减少资源浪费。

    3）避免真实实验或操作造成的潜在危险。传统创客空间中所进行的各种实验和尝试，如果操作不当，可能会产生危险和破坏，造成人员、财产和设备的损失等。开展虚拟实验则可以消除这种顾虑，学生可以大胆地进行各种尝试，待技术成熟后再到实体的创客空间进行实际的加工创造[9]。

    4）克服了时空限制。由于时间和地点的分散，创客空间是分散在各地的，以往的创客是在创客空间里进行各种制作，而在创客社区进行交流讨论，比较分散。而协作式虚拟实验室能为不同地区的创客提供交流平台和实验平台，突破地域的限制，弥补传统实体创客空间的不足，满足不同地点、不同学科的创客协作研究的需求，为世界各地的创客提供共同从事一个创客项目的分布式问题解决环境，实现不同地区的研究者协同实验的目标，在远程中相互协作，完成创造研究[10]。

    5）减少了资源的浪费，发展绿色生态教育。虚拟实验的作用主要是为创客提供真正实验前的准备练习，而不是要取代真实的物理实验室[2]。创客在虚拟实验室中经过反复试验和测试后，确保技术成熟，再在创客空间实际动手操作。因此，创客可以不受资源、设备和安全的限制，并且有更多的创造机会，也减少了因操作失误造成的资源浪费。同时，在创客的反复测试过程中，系统能够记录实验数据和实验过程，实验者可以对这些数据进行分析，以改善实验，加深对“产品”的理解和思考，可能在试验过程中迸发出新的创意。

    6）提高实验效率，增强实验效果。在虚拟创客实验室中，学生可以根据需要进行各种尝试，通过改变各种参数分析不同的实验结果，从而获得在真实创客空间场景中较难获取甚至无法得到的实验信息，有效地提高实验效率，减少不必要的重复操作和尝试。同时，创客在反复测试过程中不断验证理论，记录实验数据和实验过程，可以对这些数据进行分析，以改善实验过程，增强实验效果，也为后期在创客空间的加工制造增加成功的砝码。

    虚拟实验应用于创客教育的路径? 虚拟实验主要提供情境模拟和仿真训练练习。

    1）情境模拟。虚拟实验能够真实地模拟和再现实验现象。虚拟实验可以是现实实验的真实呈现，也可以是虚拟构想的模拟显现，能够给予人们真实的自然感官体验。虚拟实验的开展要依托于虚拟实验室，而虚拟实验室的开发和建设也需要较高的资金投入。但不同于创客空间的持续投资，虚拟实验室的开发基本上属于一次建设长久受益的工程，开发完成后只需定期更新相关系统组件即可，不需要过多的后期开发和维护费用。因此，要推广学校中的创客教育，虚拟实验室的投资是有一定的价值和功用的。

    基于虚拟现实技术、3D技术和增强现实技术建立虚拟创客实验室，营造一个与真实的物理世界高度类似的虚拟环境，学生通过使用特殊头盔和数据手套等传感设备能够获得和真实实验等价甚至更优的效果和感官体验，仿佛置身于真实的实验场景中，能够有一种身临其境的感觉。

    2）仿真训练。传统创客空间中所进行的各种实验和尝试，如果操作不当，可能会产生危险和破坏，造成人员、财产和设备的损失等。开展虚拟实验则可以消除这种顾虑，学生可以大胆地进行各种尝试，待技术成熟后再到实体的创客空间进行实际的加工创造[9]，避免各种危险。

    另外，虚拟实验的使用能够弥补因设备、场地、教学经费投入不够等原因而无法开设创客教育和创客空間的不足，学生在虚拟实验中同样可以进行各种加工创作，获得与真实实验一样的感官体验。同时，对于已经开设有创客空间的学校，虚拟实验可以作为在创客空间实际加工制作前的练习，学生在虚拟实验中经过反复试验和测试，确保技术成熟以后，再在创客空间实际动手操作。因此，创客可以不受资源、设备和安全的限制，并且有更多的创造机会，也减少了因操作失误造成的资源浪费。

    5 结语

    本文通过分析当前创客教育所面临的问题，探讨虚拟实验在创客教育中的实践和应用价值，实现创客空间、创客社区和虚拟实验的良性连接和协作，并探索其开展路径，以期为创客教育在学校的推行提供某种思路，以推进创客教育在学校中更好地应用和发展。同时，虚拟实验应用于创客教育也面临一些问题，如虚拟实验室和各种基础设施的建设不是一蹴而就的，部分学校可能存在资金不足的困难。但不同于创客空间的持续投资，虚拟实验室的开发基本上属于一次建设长久受益的工程，因此，从长远利益来讲，要推广学校中的创客教育，虚拟实验室的投资是有一定的价值和功用的。另外，本研究仅是理论层面的剖析，而虚拟实验是否能推进学校创客教育的开展还需要大量实践的检验，创客教育仍有很长的路要走。

    参考文献

    [1]钟柏昌.学校创客空间如何从理想走进现实：基于W中学创客空间的个案研究[J].电化教育研究，2015（6）：73-79，86.

    [2]单美贤.虚拟实验室的发展方向[J].开放教育研究，2002（2）：44-46.

    [3]祝智庭，孙妍妍.创客教育：信息技术使能的创新教育实践场[J].中国电化教育，2015（1）：14-21.

    [4]杨现民，李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（2）：23-34.

    [5]王德宇，杨建新，李双寿.国内创客空间运行模式浅析[J].现代教育技术，2015，25（5）：33-39.

    [6]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报：自然科学版，2010，29（4）：390-393.

    [7]黄荣怀，郑兰琴，程薇.虚拟实验及其学习者可信度认知[J].开放教育研究，2012，18（6）：9-15.

    [8]瞿曌.网上虚拟实验中学生综合素质的培养[J].实验室研究与探索，2005，24（1）：7-9.

    [9]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学，2000，22（2）：33-35，39.

    [10]刘筱兰，张薇，程惠华，等.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究，2004（11）：8-10.

    作者：杨丽，中国海关管理干部学院，主要研究方向为网络与远程教育、成人教育（066000）。