MOOC環境下開放共享的實驗教學研究

孫 青，艾明晶，曹慶華

(1.北京航空航天大學 計算機學院，北京 100191； 2.北京航空航天大學 教務處，北京 100191)

1 MOOC概述

大規模開放在線課程(massive online open course，MOOC)產生于以開放、共享為理念的MIT(Massachusetts Institute of Technology，麻省理工學院)開放課程(OCW)運動。教育界開放共享的概念始于2002年，MIT把自己大量的課程放在網上供人們免費學習。MOOC這一術主語由加拿大愛德華王子島大學(University of Prince Edward Island)的戴夫·科米爾(Dave Cormier)和加拿大國家人文教育技術應用研究院高級研究院的布賴恩·亞歷山大(Bryan Alexander)根據網絡課程的教學創新實踐提出[1]。自2012年開始，MOOC被廣為傳播，2012年甚至被譽為MOOC年。

MOOC旨在進行大規模學生交互參與和基于網絡的開放式資源獲取的在線課程。與傳統網絡課程不同的是，MOOC除了提供視頻資源、文本材料和在線答疑外，還為學習者提供各種用戶交互性社區，建立交互參與機制。MOOC的核心理念是開放共享知識，在這一理念的指導下，成功、高效地實現優質教育資源的全球共享，是學習方式和方法的突破性創新。目前，各國教育機構也紛紛投入到大規模網絡開放課程當中，國外多所大學分別加入了一些主流的MOOC開放課程項目，如Coursera、edX、Udacity等，建設了一批數量可觀的優秀的MOOC課程[2-4]，如表1所示(統計數據截至2013年12月)。

表1 國外三大主流MOOC項目建設情況

我國高校在繼國家精品課程、大學網絡公開課之后，也密切關注MOOC的發展。北京大學于2013年9月份在edX平臺上開放4門MOOC課程注冊之后，又在Coursera平臺上新發布3門課程，在2013年秋季學期共有7門課程對全球開放。清華大學已于2013年10月正式推出“學堂在線”(www.xuetangX.com) MOOC平臺，面向全球提供在線課程，“電路原理”、“中國建筑史”等5門課程作為第一批上線課程在平臺開放選課。上海高校課程聯盟也初步實現了上海高校間優質資源共享，并可獲得學校認可學分。

2 實驗教學MOOC化的意義

MOOC引發了全球教育界對于傳統教育模式的反思，也帶來了傳統的學習模式的變革。目前，高校的實驗教學界也開始思考MOOC浪潮中實驗教學的變革與創新之路。實驗教學是培養學生深化知識理解、掌握實踐技能、形成工程素養、實踐科學思維、培養創新能力、錘煉探索精神的重要手段。實驗教學與理論教學不同，受設備、場地、人員、制度等多方面的制約，其MOOC化面臨著特殊的問題，例如，實踐技巧必須通過經驗獲得，需要從親自動手和解決問題的傳統實驗課、實地考察、實習，甚至在實驗室里進行的課題研究中去領會學習。

但是，開放式的大學不僅應當為學生提供優質的理論課程資源，毫無疑問也應當提供高品質的實驗資源。如若不探討MOOC環境下傳統實驗室的應對方法，一方面不利于實驗教學本身在新環境下的發展，另一方面也會影響到理論教學在MOOC環境中的開展。例如，經過對MOOC上的學生學習行為進行跟蹤，研究者發現在MOOC上學習計算機課程和文科類課程都比較容易，但是對于物理、生物、工程等學科，由于有實驗訓練的環節，若只提供線上理論課程教學，學生往往很容易放棄，只有一部分學習習慣非常好的學生才能夠堅持。這將導致學生的大量流失，與“共享”知識的初衷背道而馳。由此可見，研究MOOC環境下開放共享的實驗教學的解決方法，不僅對于實驗教學本身在教育模式變革中的發展有重要的意義，對于輔助線上理論課程的教學也有著非常重要的作用。

3 MOOC理念下開放共享的實驗教學

事實上，近年來實驗教學界一直在以“開放、共享”的理念為指導，探索實驗教學的新模式、新方法。實驗教學的開放共享已經是學術界和教學實踐中重要的研究課題[5-7]。開放共享的概念起源于人們對于密切交流和合作研究形式的需求。教學實驗室的開放共享能夠給學生提供更為優質的實驗教學資源，是培養優秀人才中不可或缺的一部分。科研實驗室的開放共享模式促使有共同興趣和共同需求的科研人員走到一起，彼此之間產生有意義的溝通，從而加快信息的流通，帶動科研的進步和發展。而MOOC環境中線上的開放共享在具備以上意義的同時，能使更多的人群受益。

國內外實驗教學開放共享已經非常普遍，并取得了很多成功的經驗。美國、日本等發達國家的大學很早就提出開放式課程教學的理念，以開放式實驗教學的方式培養不同學科、不同專業和不同層次的大學生和研究生。在實驗教學開放共享探索的過程中，計算機技術發揮了重要的作用。美國大學中有許多為教學服務的CAI(computer aided instruction，計算機輔助教學)軟件，質量很高，學生可以隨時提前進行實驗預習、設計實驗方案，并通過網絡平臺傳給教師審核，從而有效提高課堂教學效果，引領學生自主學習，充分利用了網絡資源引導學生自主學習，培養學生獲取信息以及對信息進行分析、加工和綜合概括的能力。學生在實驗學習中還可以利用計算機進行實驗儀器設備的控制、數據采集和處理等工作。實驗報告也基本上是在計算機上完成[8]。

但是，這一層面的開放與共享，仍然停留在物理實體層面的開放，即試圖以計算機技術來解決傳統實驗教學中，如設備共享、人員共享等問題，例如通過Web預約等方式解決儀器設備在更大物理范圍內的開放共用及以計算機方式來完成實驗過程中的輔助環節等，與MOOC理念的核心，即廣義的共享有所不同。

3.1 實驗課程內容的MOOC化

MOOC推動了教學內容改革，其理念也引發了實驗教學內容改革。實驗課程內容的重新設計及MOOC化是實驗教學資源開放共享的新舉措。以我校實驗課程的建設現狀為例。目前，我校擁有67個本科生和研究生教學實驗室、61個科研實驗室。在科研實驗室中，包括8個國家重點實驗室、4個國家級工程研究中心、42個省部級重點實驗室；實驗教學中心又擁有4個國家級實驗教學示范中心，10個部、市級實驗教學示范中心以及19個人才培養基地。建立了沙河校區六大實驗平臺，具備了高水平的實踐教學環境，是我校實踐教學環節的重要基礎。根據2012—2013年開課目錄統計，這些實驗室承擔了全校的實驗課程1 025門，年實驗學時數達234萬學時，同時還支持大學生創新創業計劃(2013年共106項)、SRTP計劃(2013年共218項)、各類競賽(2012年，參賽26項，參加人數4 305人)。根據我們的初步調查統計，全校可以MOOC化的實驗課程預計能夠達到58門。許多課程已經為實驗內容的MOOC化做了實驗內容創新的嘗試。例如，截止到本文撰寫之時，北航計算機學院已經將手機游戲、算法的可視化平臺等多種具有創意的實驗方法融入到各類計算機實驗課程當中。

通過開放的、統一的實驗課程平臺建設，將已有的各類優質實驗課程建設成為MOOC課，實現實驗課程的在線學習，是實現MOOC環境下實驗教學創新的基礎。以演示型實驗內容為主的實驗課程，其MOOC化技術實現相對容易操作。在實驗視頻的制作過程中，先進的多媒體制作技術能夠使學生獲得比較好的演示體驗，此外，智能手機、沉浸式游戲軟件以及其他新技術也啟發實驗的開課教師能夠將問題導向學習方法做得更好，在實驗內容本身的設計上推陳出新。而操作型為主的實驗，則可以結合實驗環節的部分或全部虛擬化來進行。

3.2 實驗環節的虛擬化

虛擬實驗技術也是MOOC的研究與實踐者近期最為關注的課題之一。虛擬實驗技術可以通過仿真實驗的一部分環節解決一些突出的問題。例如，通過虛擬訓練高危險性、高耗能的實驗，通過虛擬實驗室進行虛擬環節的操作、虛擬遠程控制實驗設備等。以我校的特色專業航空科學實驗課程群為例，由于航空裝備體積大、造價高，且試飛實驗費用高、危險性大，高校在實驗教學中無法大量使用真機，更不可能用實際制造和試飛的方式驗證學生提出的創新性航空器設計方案。因此，對部分或全部的實驗環節進行虛擬仿真的教學實驗已經成為我校航空科學技術教學中不可或缺的關鍵手段。

虛擬實驗室最早在1989年由美國弗吉尼亞大學(University of Virginia，U.Va.或UVA)的William Wulf教授提出，用來描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境。自該概念提出以來，各國均在大力開發，并已經取得了很大的進展[9]。虛擬實驗室利用計算機上的各種模擬、仿真軟件來完成傳統實驗室中的工作，并且能夠實現傳統實驗室不可能做到的事情。這些軟件不是簡單的“課件”，而是一個智能化的學習平臺。需要把研究的對象，用數學模型、物理模型以多媒體的手段表現出來。從軟件平臺開發的角度來看，是更高層次的開發，各部分的算法及模型把數、理、電結合起來，軟件、硬件相結合。在虛擬實驗的過程中，學生能夠自始至終保持著濃厚的學習(研究)興趣，不再把學習看作負擔，增強了學習的信心，享受著學習的樂趣。學生自己動手操作，使實踐能力、觀察能力及歸納能力等都得到很好的鍛煉。在這種新的學習環境里，學生親身參與體驗充滿豐富生動概念或思想活動的探索過程，而不是單純吸收課本上的或教師敘述的現成的結論。

由于計算機技術在近年來迅速發展，虛擬實驗室變得更加普遍，如表2所示。

表2 國外部分大學開放共享、虛擬實驗資源舉例

虛擬實驗室能夠使學生和科研人員通過計算機設計執行某些實驗課題，而完全不需要準備實際樣品和設備。這種虛擬方式更加經濟、快速和安全。例如，MIT研發的Microelectronic Weblab 微電子虛擬實驗室，已經實現了新加坡到MIT的遠程實驗。美國斯坦福大學轉化性學習技術實驗室Paulo Blikstein教授則與斯坦福大學生物工程師Ingmar Riedel-Kruse共同研發了新一代數字實驗室課程，研究人員能夠使用一個集中生物學實驗室里的遠程控制儀器進行研究工作。而位于英國米爾頓凱恩斯開放大學的開放科學實驗室里，幾乎所有的實驗室儀器都在線可用。學生通過遠程遙控用于識別元素和同位素的γ射線分光儀、西班牙馬略卡島0.43 m望遠鏡等設備，就能收集到真實數據，并能夠利用模擬顯微鏡等設備分析這些數據[10]。

目前，國內已有部分高校初步建立了虛擬實驗室，如清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統、華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示供遠程教育使用，復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校，也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研。

但是，從目前統計來看，相關系統并沒有得到大規模的普及，其最大障礙之一是目前許多一次性實驗無法與MOOC或其他技術相聯系，也沒有得到整合和統一的展示。而edX平臺已經嘗試去解決這一問題，開設虛擬實驗室，供學生在平臺上開展模擬實驗。例如，使用一款名為Websim的軟件虛擬科學實驗的全過程，當學生在上“電路與電子學”時，只要用鼠標將電阻和電源連接到一起，就立刻會有虛擬的電流被模擬出來。edX利用這套軟件建立了虛擬實驗室，再通過人工智能軟件或學生之間相互評分對學生的學習效果進行測評[2]。edX平臺已經取得的初步成果啟發我們，建立統一的開放共享平臺將相關的虛擬實驗資源和平臺進行整合，是實驗教學MOOC化中未來重要的研究方向之一。

3.3 實驗教學支撐平臺的網絡化

虛擬實驗能夠解決跨多校、跨地區的實驗共享問題，使得更多的學生能夠接觸到優質的實驗資源。依據MOOC的理念，虛擬實驗將得到廣泛普及，但以實驗本身的特質，虛擬實驗不能完全取代實際操作，線上線下的結合是一種更為可行的操作方法，因此建立網絡化的虛實結合的實驗教學支撐平臺，是開放式實驗教學日常運行和管理的保障。MOOC環境下開放式網絡化的實驗教學支撐平臺，至少應包括以下功能：

(1) 實驗共享。統一發布承載的實驗課程內容，實驗者依據個人需要選擇課程，通過門戶網站申請虛擬機資源。校內、校外人員均可遠程登錄個人的實驗虛擬機參與實驗，實現個性化的自主實驗空間。

(2) 規范管理。構建統一的服務門戶入口，承載所有實驗的參與者，方便校外人員訪問。同時，實驗物理資源統一管理，仿真計算資源統一分配。實驗環境通過模板一次性定制，統一生成虛擬機鏡像，方便管理、易于維護。

(3) 學生實驗進度跟蹤。查看學生的實驗進度，可以使用學生代碼或模塊化、階段化的輸出結果(包括數據等)在實際的設備上運行。

(4) 師生互動交流。提供在線聊天室平臺，方便交流討論，包括群聊、私聊、討論組等。能提供社交網絡相關接口，便于師生在實驗結束前后、實驗進行過程中隨時進行交流。

(5) 課件教學。提供內置流媒體接口，學生可以收看以往的或者實時的教師教學視頻和同步PPT。

4 以云計算為支撐開放式實驗教學平臺

信息技術的發展，一直推動著整個產業革命的進步。目前，云計算的發展已經成為多個行業進步的重要支撐，由Goolge、IBM等大型IT企業構建起的計算機存儲、運算中心已經得到了廣泛的推廣，用戶可以通過個人客戶端來訪問這些云存儲和應用服務中心。在國內，云存儲和云計算的應用發展也非常迅速，比如阿里巴巴建立的云存儲研究所、360殺毒軟件推出的云殺毒以及搜狗拼音輸入法推出的云計算輸入等。這些產品的開發、推廣以及使用都體現了云計算的魅力[11-12]。而云計算在教育教學中的應用，是當前教育的一大變革，與MOOC一樣，將給我國教育、教學領域，尤其是實驗教學領域帶來重大的變革。

國家科研和教育部門已經著手開始推動，中國教育技術協會從2009年就開始在全國范圍內開展“云計算輔助教學(CCAI)”案例評選活動；同年5月，我國政府部門又成功召開了“中國云計算大會”，確定了云計算的發展方向以及應用領域；之后，中國教育技術協會在上海舉辦了首屆“云計算輔助教學”高級培訓班，為云計算輔助教學的推廣應用奠定了基礎。此外，浙江、廣州等全國多個地方相繼開展了云計算輔助教學的相關培訓工作。國家科技部、教育部在《關于充分發揮高等學校科技創新作用的若干意見》中明確提出：“建立虛擬實驗室，利用先進的科技手段建立重大儀器設備的遠程操控平臺；推動一批科學實驗基地面向學生開放”。經國務院批準，科技部和教育部已經會同有關部門開始了這方面的試點工作。

對于從事實驗教學工作的計算機專業人員而言，開發和建設以云計算為支撐的虛實融合的實驗教學平臺，通過建立服務器池及桌面虛擬機環境，在同一系統上同時運行多臺虛擬機，快速部署操作系統和應用軟件，構建靈活可靠的虛擬實驗教學環境，為地區，甚至全國范圍內的師生提供遠程實驗教學資源，是我們未來的努力方向，也是實驗MOOC化的具體途徑。

5 結束語

MOOC教學模式已經成為當前極具吸引力的大規模教學模式，這使得讓教學資源不發達地區的學生也能享受到優質教學資源成為可能，對于提升一個地區乃至一個國家的人才培養水平具有重要作用。

MOOC發展到今天，伴隨著在線課程數量的急劇擴張，許多教育界實踐和理論人士亦針對其成效及其可持續性提出了質疑。其中質疑最多的問題是目前MOOC課所提供的教學視頻和發布的內容的傳承方式仍然維系傳統的講課模式。MOOC模式是否能夠在熱烈的追捧之后走遠，取決于MOOC的提出者所倡導的“開放、共享、互通”這一核心理念是否能夠真正地體現和融入到教學活動中。

實驗教學本身就具有典型的互動特征，因此，探索MOOC環境下如何開展新型的開放式實驗教學，穩步推進實驗教學的改革與創新，是抓住MOOC機遇、實現優質學習資源的全面開放共享的基礎，也是應對MOOC對教育大環境沖擊的理性抉擇。

[1] 王穎，張金磊，張寶輝.大規模網絡開放課程(MOOC)典型項目特征分析及啟示[J].遠程教育雜志，2013(8)：67-75.

[2] edX[EB/OL].[2013-12-01].http://www.edxonline.org/.

[3] Coursera[EB/OL].[2013-12-01].http://www.coursera.org/ .

[4] Udacity[EB/OL].[2013-12-01].https://www.udacity.com/ .

[5] 高忠華，鄭方燕，陳錫侯，等.開放共享科研基地資源 促進實驗教學發展[J].教育教學論壇,2013(23): 240-241.

[6] 周勇義,凌輝,張黎偉.勞倫斯伯克利實驗室科研平臺的啟示[J].實驗室研究與探索,2013，32(7):139-143.

[7] 肖紅霞,陳美蓮,陳惠卿.改革“傳統”實驗模式 開放與共享實驗室資源的研究[J].實驗室研究與探索,2012,29(8):401-404.

[8] 朱敏.虛擬實驗與教學應用研究[D].上海：華東師范大學，2006.

[9] 朱文忠.基于Web的虛擬實驗室的設計與實現[D].重慶：重慶大學，2007.

[10] 實驗室也虛擬:大規模在線課程將引爆高等教育革命[EB/OL].[2013-12-02].http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2013/7/275661.shtm?id=275661.

[11] 蔣寧，李文，李鴻彬.基于Hadoop的云計算輔助教學平臺研究[J].中國遠程教育，2012(9)：79-82.

[12] 曹軍委.基于云計算的教學資源共享體系的研究與實現[D].合肥：安徽理工大學，2007.