仿真在教育中的应用初探.pdf

Exploration on Application of Simulation in Education

YunwuWANG, Lin CHEN

College of Information and Communication, Xuzhou Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China

Email: jiaoyujishuxue@yeah.net

    Abstract: The application of simulation in education has broad prospects, with the gradual maturity of system simulation and modeling technology in recent years, system simulation technology which is gaining the attention of educational researchers to be one of the key technologies in the field of education. The article analyses the concepts of simulation(modeling and simulation technology), subject of simulation, simulation in education, reviews the development process of subject of simulation and simulation in education, summarizes the research status about simulation in education at home and abroad, and proposes promising prospects for the future research of simulation in education.
    Keywords:simulation; simulation in education; system simulation

仿真在教育中的应用初探

王运武，陈琳

徐州师范大学信息传播学院，江苏徐州，中国，221009

Email: jiaoyujishuxue@yeah.net

    摘  要: 仿真在教育中的应用具有广阔的前景，近年来随着系统仿真与建模技术的逐渐成熟，系统仿真技术逐渐引起了教育研究者的注意，成为教育领域中亟待应用的一项关键技术。文章在分析仿真（建模与仿真技术）、仿真学、教育仿真概念的基础上，回顾了仿真学科与教育仿真发展的历程，归纳了国内外教育仿真的研究现状，对教育仿真的未来研究进行了展望。
    关键词:仿真；教育仿真；系统仿真


    1 引言
    在人类发展史上，很早就有对仿真的应用。国际兵棋届认为孙子发明了世界上最早的兵棋“Wei Hai”——围棋的古代原形，很好地表现了孙子“不战而屈人之兵”的军事思想，产生了围棋这样高超的战争仿真模式。秦朝、汉朝的兵马俑，唐朝的唐三彩等都是古代仿真的应用。进入20世纪，随着建模与仿真技术的逐渐成熟，它已经被成功地运用到航空、航天、电力、化工等工程技术领域，而且日益广泛应用于社会、经济、生物、军事等领域，如交通控制、城市规划、环境污染防治、市场预测等。仿真在教育中的应用，尤其是职业教育、教育系统仿真中的应用，有着广阔的前景。
    2教育仿真的相关概念
    2.1仿真（建模与仿真技术）
    关于仿真，国内外有不少界定。李伯虎院士认为“现代建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，根据用户的项目需求，利用系统模型对已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废活动的一门多学科的综合性技术”。^[1]
    仿真是为了理解系统行为，或者为系统的运作而评估各种策略（在一定的标准或系列准则下），而设计一个真实系统模型并在模型上进行试验的一个过程(Robert E. Shannonl, 1975)。^[2]
    仿真通常是指在计算机上应用适当的软件模拟真实系统行为的各种方法和应用(Kelton, Sadowski & Sadowski, 1998)。^[3]
    仿真是为了理解系统的行为，或者为系统的运作评估各种策略（在一定的标准或系列准则下），而设计实际动态系统的动态模型的过程(Ricki G Ingalls, 2002)。^[4]
    2.4系统仿真
    随着计算机技术的发展，现代建模和仿真技术在各个领域得到广泛应用，逐步形成了特定的研究对象、相对独立的理论体现和研究方法。仿真正在从潜学科逐渐成为一门显学科，仿真的学科化趋势越来明显。
    1989年，文传源认为：“系统仿真是一门建立在相似理论、控制理论和计算机技术基础上的综合性和实验型学科”。^[5]
    系统仿真是运用计算机模拟或仿真各种各样的真实世界设施或过程运作的一系列技术(Law 2007)。计算机用于生成现实中的数值模型，以描述系统组件复杂的相互作用。系统的复杂性随着事件的概率及其性质、要素相互作用的规则、随着时间的推移整个系统行为感知到的难度的变化的而变化。^[6]
    2.5仿真学
    与仿真学相近的一个词汇是仿生学。仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学把生物的功能或建造技术移植到工程技术之中，改善原有的功能或创造新的技术。仿生学成为人们设计思想和创造发明的源泉。一般认为仿真学是现代仿真学、系统仿真学、动物仿真学等概念的上位概念。仿真学的研究对象和研究内容与系统仿真学相比，比较宽泛。系统仿真学强调运用现代建模和仿真技术研究实际或假设的动态系统。
    2.6教育仿真
    教育仿真是建模与仿真技术在教育领域的具体应用。教育仿真研究主要包含两方面：仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用；教育系统的仿真。前者主要是指运用仿真理论和技术开发仿真学习环境、仿真实验室等教育教学中运用的环境或工具。教育系统仿真是指对复杂的教育系统进行建模，运用仿真技术再现复杂的教育系统演变过程，从而可以发现教育系统发展过程中的问题，为教育决策者制定政策提供依据。
    3仿真学科与教育仿真的发展
    3.1仿真学科的发展
    一般认为仿真学科的发展，有以下几个重要的阶段，形成了一定时期的主导技术及学科方向。1945年～1975年，模拟计算(包括混合计算)及类比(相似)仿真方法与技术；1975年～1985年，数字计算及数值仿真方法与技术；1985年～1995年，网络计算及分布交互仿真方法与技术；1995年至今，一般建模与仿真理论及方法论。^[7]如果把古代仿真考虑在内，1945年之间则为古代仿真期。进入21世纪随着计算机技术和网络技术的快速发展，仿真呈现了“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”的特点。
    我国开展仿真系统的研究与应用较早，如北京航空航天大学于1958年研制无人驾驶飞机时，就曾进行了地面仿真试验，随后开始研制一、三自由度转台，空一空弹仿真试验系统。其后，国内不少单位研制了模拟计算机、数字计算机、仿真数字计算机、仿真软件，建立大型仿真试验室，研制各类训练仿真系统，如：飞行模拟器，舰船模拟器，电站模拟器、汽车模拟器等。在理论上我国首先提出了系统仿真学科的专门基础理论——相似理论的初步体系。^[8] 1988年11月，中国系统仿真学会成立，建立了仿真技术应用专业委员会、虚拟技术及应用专业委员会、数字娱乐仿真专业委员会等12个分支专业委员会。
    此外，《系统仿真学报》、《系统仿真技术》、《计算机仿真》、《指挥控制与仿真》等一些学术期刊，有力推动了我国的仿真研究。随着对仿真研究的深入，仿真的应用领域越来越广泛，并且取得了较好的应用效果。仿真技术是推动高科技发展、建设创新型国家的关键技术之一。仿真产业正在蓬勃发展，正成为推动国家创新的重要新型产业。鉴于以上原因，国内有学者呼吁仿真成为一级学科。
    仿真学科发展史上主要有以下标志性事件。1952年，J. H. Mcleod倡议成立了世界第一个仿真学会。1963年，更名为国际计算机仿真学会(SCSI)。2000年，更名为国际建模和仿真学会。1956年，成立国际模拟计算机联合会(AICA)。1976年，更名为仿真中的数学和计算机联合会(IMACS)。1972年，五个新兴学科(IMACS、IFAC、IMEKO、IFORS、IFIP)得到联合国教科文组织(UNESCO)的支持，成立了五个新兴学科学会国际协调委员会(FIACC)。1989，欧洲各国仿真学会联合成立了欧洲仿真学会联合会EUROSIM(Federation for ENROPEAN Simulation Society)。一般认为1952年SCSI成立和和1956年AICA的成立，是仿真学科诞生的标志。
    3.2教育仿真的发展
    仿真在教育中的应用具有悠久的历史。中国是算盘的故乡，算盘起源于汉代，后来被世界各国用作计算工具和教学工具。我国学者段海滨认为算盘就是一个原始的“仿真机”，它部分模拟了人的计算智能。^[9]我国北宋、明、清时期，针灸教学中经常用“针灸铜人”作为教具。针灸铜人是用古代教学中应用的一种典型仿真教具。针灸铜人是用青铜浇铸而成的人体经络腧穴模型。其高度与正常成年人相近，胸背前后两面可以开合，体内雕有脏腑器官，铜人表面镂有穴位，穴旁刻题穴名。同时以黄蜡封涂铜人外表的孔穴，其内注水。如取穴准确，针入而水流出；取穴不准，针不能刺入。
    1989年，陈舜明、金仲根在《农业系统科学与综合研究》发表《教育发展动态仿真》，运用系统动态学原理及方法，设立了合川县教育发展动态仿真模型，提出了六套教育发展备选方案。^[10]这是我国最早对仿真在教育中的应用进行探讨的论文。
    2008年8月11日－13日，全国教育仿真技术培训班在大连举办。这次培训班由中国教育技术协会主办，大连海事大学协办，大连市人工智能与计算机辅助教育学会承办。主要培训内容有：虚拟现实技术与仿真模拟技术；以就业为导向的职业教育与仿真模拟软件、虚拟现实软件开发工具及应用；仿真实训软件开发及应用实践；仿真实训软件示范基地建设等。
    2008年12月，中国教育技术协会仿真技术专业委员会成立。仿真委员会的成立是我国教育仿真技术发展的一个新的里程碑。
国外早期仿真在医学中的应用始于18世纪法国助产士古德雷夫人的分娩机。一个世纪后，出现了另外一种重要的模型，用来帮助练习掌握生命救护技能，如心肺复苏操作等。同时，首次全面病人仿真器正在开发，但是只有少数有特权的学员使用。直到1990年，类似的这种仿真器终于成功商业化。由于价格的原因，这些复杂的交互式培训模型的应用推广比较缓慢。到2007年，据估计有4500多个高逼真度病人仿真器已销往世界各地，其中英国大约占10%。^[11]
    早在20世纪初，国外就开始利用仿真设施培训飞行员。20世纪初，为了实现载人飞行的梦想，培训重要性被释放出来。尤其是第一次世界大战和第二次世界大战的爆发，需要培训大量的飞行员，这种需求更加旺盛。各种各样的培训准飞行员的仿真设施应运而生，在培训飞行员过程中发挥了重要作用。综合飞行训练设备、运动系统训练器、空气发生训练器、飞行仿真设备、数字仿真器等一些仿真设备成功应用于飞行员培训中。^[12]在航天员的培训中，仿真设备或仿真环境的应用发挥了卓越的功能。航天员可以借助仿真的设备或仿真环境获得与太空中接近的体验，可以仿真操作各种设备或处理各种故障。仿真器中所实现的训练为航天员进入太空提供了足够的经验，仿真功能能够满足航天员的训练要求。
    通过以上分析可以发现教育仿真的发展历史大体可以分为三个阶段：20世纪以前为古代教育仿真阶段；20世纪初至20世纪90年代末为现代教育仿真阶段；21世纪初至今为教育系统仿真阶段。20世纪以前，主要是简单的仿真工具在教育中的应用。20世纪，随着计算机和网络技术的迅速发展，现代化的仿真工具或环境在教育中得到应用，是现代教育仿真阶段。任何技术在教育中的应用都具有滞后性，现代系统建模与仿真技术在教育中的应用，同样具有滞后性的特点。进入20世纪80年代，随着网络计算及分布交互仿真方法与技术的快速发展，建模与仿真理论及方法论逐渐成熟。仿真的应用领域逐步由自然科学扩展到社会科学。教育是一个复杂系统，教育的发生和发展规律很难被人们深刻认识。认识教育系统的复杂性，需要除理论和试验之外的第三种方法。系统仿真，作为认识事物的第三种方法，在教育中的应用将会由广阔的前景。进入21世纪，开始有人初步探讨教育系统仿真，系统仿真在教育中得到进一步应用。
    4教育仿真的研究现状
    4.1国外对教育仿真的研究
    国外关于仿真的知名学术期刊有10多种，其中最关注教育仿真的期刊是Training & Simulation Journal, 该期刊2000年创刊，为双月刊，主要关注培训和仿真领域中的新问题、新技术和新产品。^[13]
    关于教育仿真的学术会议有：International Conference on Simulation in Education(ICSiE); ABSEL(Association for Business Simulation and Experiential Learning) National Conference；SAGSET(The Society for the Advancement of Games and Simulations in Education and Training) Conference；Training, Education & Simulation International(TESI)；Interservice/ Industry Training, Simulation & Education Conference。
    国外有关教育仿真的代表性著作或论文集有：《仿真和学习的未来：e-Learning创新的方法》(Aldrich, C. 2003)，《高等教育中使用仿真促进学习介绍》(Hertel, J.P. & B.J. Mills, 2002)，《通过仿真学习：商业和教育中的仿真设计与运用指南》(Fripp, J. 1993)，《教育和培训中的仿真游戏》(Cookall, D. 1988)，《仿真：教师和培训员手册》(Jones, K. 1987, 1995)，《国际仿真与游戏年鉴：教育中的仿真研究》(Saunders, D. 1997)，《仿真和游戏年鉴：教育培训中的游戏与仿真促进会年鉴》(Percival, F. & D. Saunders, 1993)等。^[14]近年来，国外教育仿真研究的关注点有：仿真或游戏软件的设计与开发、教育中应用的仿真教具的设计与开发、职业教育中的游戏与仿真、仿真对学生积极学习的影响、培训中的仿真应用等。
    4.1国内对教育仿真的研究
    国内对仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用进行了一些研究。从CNKI检索来看（“教育仿真”或“教学仿真”为检索词，截至2010年5月11日），关于仿真在教育中应用的硕士学位论文约有40篇（尚未有博士学位论文），期刊学术论文约1256篇，会议论文约54篇，报纸论文约19篇。国内有关教育仿真的期刊学术论文年度分布如图1，1989-2000年发表学术论文约80篇，2001-2005年发表学术论文约252篇，2006-2009年发表学术论文862篇。2000年以后，我国对仿真在教育中的应用研究逐渐增多，尤其是2005年以后研究论文显著增多。
   

               Figure 1. Annual distribution of journal articles about education simulation in China

图1国内有关教育仿真的期刊论文年度分布

    目前研究关注的内容有仿真实训教学系统、教学试验仿真系统、仿真教学培训系统、教学试验仿真技术、教学仿真实验室、教育仿真软件、仿真教学资源、教育中的动画仿真技术、仿真教学模式、三维仿真数控教学系统、教学试验视景仿真系统、虚拟仿真技术与职业教育、教育投入状况分析与仿真预测、模拟与仿真教育技术等。
    到2009年为止，我国对教育系统仿真的研究还相当少，尤其缺乏代表性研究成果。2003年，蒋忠良和黄荣怀在论文《基于Oracle和MGL的WebGIS教育仿真系统设计》中，分析了采用Oracle Spatial作为空间数据库，GML作为传输数据格式开发WebGIS远程教育仿真系统的技术特点和设计关键内容，提出了实现一个教育WebGIS系统的开发的设计思想。^[15] 2009年，贺争平、周洪涛等在论文《广西经济－教育－科技协调发展系统的仿真研究》中，依托传统的区域经济理论和复杂社会经济系统的有关理论和方法，构筑了广西经济－教育－科技协调发展系统的动力学模型，深入剖析了广西经济－教育－科技协调发展系统内各要素之间复杂的相互作用关系，通过计算机仿真初步模拟了系统运行过程，预测了未来10年广西经济—教育—科技协调发展的变化趋势。^[16]
    目前我国对教育仿真的研究主要集中于仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用，而对教育系统仿真的研究相当匮乏。之所以会出现这种现象，主要有以下四方面的原因。第一，教育是一个复杂问题，教育系统是一个独特的复杂系统，具有开放性、不可还原性、非线性与非均衡性等特征。国内外学者对教育复杂性的研究多局限于对传统教育思想和理论的反思，对适用于复杂性教育系统的管理与控制方法缺乏科学而深入的研究，用定性分析开展描述性研究多，用数学、计算机模拟等方法开展定量研究少，缺乏专门组织从事教育复杂性研究，许多研究工作是学者个人兴趣所至，研究内容不成体系。^[17]教育系统自身的复杂性制约了系统仿真技术的运用。第二，教育系统仿真涉及到教育学、仿真学、运筹学、复杂性科学（包括老三论“控制论、信息论和系统论”和新三论“耗散结构论、突变论、协同论”，以及混沌理论、超循环理论等其他学科理论）、计算机科学、虚拟现实技术等多门学科或技术。从事教育系统仿真研究需要具有多学科的背景知识，并且具有很强的跨学科研究的能力。第三，系统仿真技术在教育中应用的优势还没有充分显现出来，目前尚无运用系统仿真技术支持教育发展的成功案例。第四，需求是推动科学研究的的根本动力，目前教育领域中尚未出现运用系统仿真技术解决教育问题的迫切需求。与此不同，仿真工具、技术、软件、方法等在教育中确得到广泛应用，且取得了良好的效果，获得了较多研究者的关注。
    5教育仿真的研究展望
    仿真在职业教育具有广阔的应用前景。2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确提出：“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。中国教育技术协会仿真技术专业委员会秘书长于双和提出仿真实训在职业教育实训教学中发展前景如下：①实现仿真实训环境与仿真实训操作对象统一成一体，如仿真实训工地、车间、工厂等；②计算机仿真实训，向质量检验标准化，使用操作程序化，设计（教学）、编写（脚本）规范化，制作合成专业化方向发展；③计算机仿真实训，将纳入职业院校实训教学方案、实训基地建设方案及教育教学改革方案之中；④有实物介入式计算机仿真系统将成为职业教育仿真实训教学中的又一个亮点。随着实训仿真技术的发展，实训内容、实训手段、实训设备将发生变革，传统的校内、外实训基地模式将向着校内、外实训基地与虚拟实验实训相结合的教育实践模式。^[18]职业教育对仿真技术的需求异常迫切，这必将会带动一批人加入到仿真在职业教育中的应用研究队伍之中。
    除了职业教育之外，仿真在学历教育中也有广泛应用。仿真教具、仿真化学实验室、仿真物理实验室、仿真教学环境（如Second Life 中的前沿虚拟课堂等）等都被用于教育教学中。数控加工仿真软件、单片机仿真软件、电路仿真软件、工厂仿真软件、路径规划仿真软件、城市仿真建模工具、军事仿真软件都成为教学中的得力助手。围绕教育用仿真软件或仿真环境展开的研究将会成为教育仿真研究的重要内容。
    教育系统仿真技术是教育技术学领域中的一项关键技术。^[19]如果能够恰当地将系统仿真技术应用于教育领域，必将会成为推动教育发展的利器。从系统仿真在教育中的应用范畴看，有三方面的具体应用：宏观教育系统仿真、中观教育系统仿真和微观教育系统仿真。比如，国家教育信息化发展模型与仿真、国家教育系统发展演化的仿真则属于宏观教育系统仿真的应用；区域教育投资决策模型与仿真、区域教育信息化发展模型与仿真则属于中观教育系统仿真的应用；学校教育资源共享模型与仿真、学生个体学习行为的改变与演化仿真则属于微观教育系统仿真的应用。对教育系统进行仿真的主要目的是通过再现教育系统的发展演变过程，分析教育现象与教育过程，发现教育发展中存在的问题，以便为教育决策者制定合理的决策提供有效支持，或对教学进行正面干预以促进学生的发展。对教育系统仿真进行研究有着广阔的空间，但是由于教育系统极其复杂，而系统仿真又涉及多门学科或技术，这就需要研究者具有多学科的背景知识和跨学科研究的能力。
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本文发表于System Simulation Technology & Application(Volume 13)
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