不用赴德也能沉浸式实验！施特拉尔松德应用科学大学跨边界混合式工程实验室来袭
最新学术范式，正快速发展

    自12至13世纪现代大学诞生以来，学术界仅经历过为数不多的几次真正意义上的范式变革，每一次都重新定义了知识的创造、共享与体验方式。15世纪50年代的印刷术打破了修道院对知识的垄断，让学习得以普及，开启了知识广泛传播的序幕（Eisenstein,1980）。17至19世纪的科学方法与实验室革命将实验引入教育领域，为探究式学习奠定了基础（Shapin,1996）。1809年的Humboldtian模式融合了研究与教学，塑造了现代研究型大学的根基（Ash,2006）。后来，20 世纪末的个人计算机改变了学术生活的方方面面，拓展了知识获取、创造与传播的途径（Papert,1980）。

    如今，我们正见证又一次变革（范式转变）：即混合式学习时代。这一模式于2010年代兴起，2020年后加速发展，能够实现模拟与现实的无缝切换，在保持高保真度的同时，将学习场景延伸至校园之外。正如众多学者所指出的，这种转变是高等教育领域具有决定性意义的变革，它将数字环境与物理环境融合，打造出一体化的学习体验（Garrison & Vaughan,2008;Hodges et al.,2020）。

     这一变革有数据可证。2022年秋季，美国超过53%的学生至少选修了一门在线课程（美国国家教育统计中心IPEDS数据）。在2024年《CHLOE 9》报告中，美国高校表示会优先推进校内课程（69%）和学位项目（65%）的在线化。混合式在线学习选项正逐渐成为常态。
    Quanser公司早早洞察到这一变革趋势，为此研发了QLabs数字孪生系统——这是Quanser实验室系统的高保真虚拟产品，旨在延伸真实的实验室体验。过去五年间，QLabs已成为Quanser生态系统中不可或缺的一部分，助力各高校加速数字化转型，推动实验室教育向可扩展、灵活化、普惠化方向发展。
    这一全球性变革促使众多高校重新思考：在混合式学习时代，实验室教育该如何演进？德国施特拉尔松德应用科学大学便是典范之一，其DistLab项目为数字实验与物理实验的协同共存提供了标杆模式。

挑战：拓展实践学习的覆盖范围

    “实验室课程是工程教育的核心组成部分，它连接理论与应用，培养学生在实际工程领域所需的实践认知，”Jan-Christian Kuhr教授表示。通过真实设备开展实操，对于培养技术能力和职业信心至关重要。

    新冠疫情的爆发成为一个导火索，暴露了实验室教育长期存在的问题：设备数量有限、学生群体庞大、实验课时较短，这些因素共同限制了学习的可及性与深度。这些瓶颈在疫情之前就已存在，但在校园活动受限的背景下，变得愈发明显（德国施特拉尔松德应用科学大学Jan-Christian Kuhr教授,2025年网络研讨会）。
    为解决这些问题，施特拉尔松德应用科学大学启动了跨院系现代化项目DistLab。该项目旨在保障实验室教育完整性的同时，提升其灵活性与可及性。DistLab标志着一种结构性转变：从传统的、受时间安排限制的实验课程模式，转向能够同时支持虚拟实验与物理实验的混合式实验室架构（IEEE,2022;MATLAB 博览会,2022）。
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图 1. 校外场景中，每位学生通过硬件的高保真数字孪生系统进行实操练习；而校内团队则使用真实设备开展实验。这两种环境可完全互操作，为混合式学习提供无缝衔接体验（IEEE,2022）
    该项目需要一个稳定、集中且可扩展的环境。这个环境需满足三个核心需求：一是为学生和教师提供安全访问权限，二是能与MATLAB/Simulink实现无缝集成，三是可提供高保真虚拟体验，并能与真实硬件实现互操作（IEEE,2022）。
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图 2. 施特拉尔松德应用科学大学的 DistLab 项目是一项跨学科举措，汇集了来自多个学术专业的教师力量
    基于对稳定、真实混合式实验室环境的需求，施特拉尔松德应用科学大学在设计DistLab框架时，秉持着一个核心理念：真实硬件必须是工程教育的核心，而虚拟孪生系统则作为强有力的补充（Jan-Christian Kuhr教授语）。这一思路体现了该校对 “真实混合式学习” 的愿景——虚拟实验室可扩大学习的可及性、增加预习机会，但绝不会取代培养真正工程能力所必需的、有触感的实操体验。
    该项目的一项关键要求是 “互操作性”，即学生能够在模拟环境中设计并测试控制系统，随后无需过多操作，就能将同一模型直接部署到真实硬件上。这需要一个能与MATLAB/Simulink无缝集成的平台，而MATLAB/Simulink已是该校各专业普遍使用的行业标准环境。这种集成不仅简化了项目落地流程，还加强了教育与行业的衔接，确保毕业生能接触到专业工程师实际使用的工具与工作流程（MATLAB博览会,2022;IEEE,2022）。
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图 3. Quanser 数字孪生与实体系统的互操作性。二者对相同模型和输入的响应完全一致，可实现虚拟系统与实体系统间的无缝切换（IEEE,2022）
    在评估多个方案后，该校最终选择了Quanser生态系统。该系统专为学术领域打造，能够精准满足上述各项需求（IEEE,2022）。Quanser的高保真数字孪生系统与物理实验室设备组合——包括球杆系统、QUBE伺服系统、耦合水罐系统及飞控系统——为虚拟实验与实操实验提供了统一的高保真平台。重要的是，该系统还具备未来可扩展性，QArm机械臂、QBot移动机器人等设备可支持即将开设的机器人技术、自主控制系统及智能系统相关课程，充分体现出这一混合式架构在跨学科场景下的适应性（MATLAB 博览会,2022）。

    除硬件与数字孪生系统外，该系统还包含完善的学术资源——涵盖课件、实验指南及教师教学材料——确保虚拟与实体两种学习模式在教学层面保持连贯性。这使得DistLab框架不仅在技术层面具备优势，还能在学术教学中保持一致性，且易于融入现有教学体系。

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图4. Quanser 数字孪生与物理系统实验室课件，已与MATLAB 及教学教材实现集成
    为实现这一混合式模式的可扩展性与便捷访问，该校采用了集中式虚拟机（VM）部署QLabs与MATLAB/Simulink。学生无需在本地安装，即可通过任意设备或操作系统登录，确保获得统一且稳定的使用体验。这一架构使教师每学期能够覆盖更多学生，减少技术障碍，并维持标准化的混合式实验室环境。
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图5. QLabs 集中式虚拟部署架构
    通过这种整合式方案，DistLab项目为工程教育构建了一个灵活、高保真且可持续的模式—为混合式实验室教学树立了新标杆：可及性强、贴合行业需求且具备可扩展性（IEEE,2022）。

成果：数据为证，事实自明

    在教育领域，观点能带来启发，但数据更具说服力。

    施特拉尔松德应用科学大学的 DistLab 项目产出了具有研究级别的数据，证实了以硬件为核心的混合式实验室生态系统能显著提升学习效果与运营效率。来自4个不同专业的75名学生参与了一项交叉研究设计：学期被分为两个阶段，学生在硬件实验与数字孪生实验之间交替进行（IEEE,2023）。通过采用Quanser物理系统及Quanser互动实验室（QLabs）——并通过集中式虚拟机环境部署——该校量化分析了虚拟实验与实体实验真正协同运作时所产生的效果。

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图 6.交叉设计（IEEE，2023）

量化亮点

  • 参与度：可访问 QLabs 的学生在实验材料上投入的时间增加了 146%（6.41 小时 vs 2.61 小时）。具有极高显著性（p < 0.001→99.96% 置信度）→ 这表明时间的增加是真实且可靠的，并非随机现象。虚拟访问显然将有意义的学习延伸到了课堂之外。
  • 准备情况：就绪度提升约 31%（从 5/9 提升至 7/9）。具有统计学意义（p≈0.05→约 95% 置信度）→ 使用实验前模拟的学生表现得更自信，且准备更充分。
  • 教师辅助：学生需要的干预次数减少约 11%（每 9 次减少 1 次）。呈现积极趋势→ 实验开展更顺畅，学生表现出更强的自主性和效率。
  • 考核表现：分数提升了 1.56 个百分点，但这一变化不具有统计学显著性。→ 表明初步呈现积极势头，意味着长期接触混合式实验可能会加深对概念的理解。
  • 感知难度与满意度：感知难度保持稳定（≈61%），满意度维持积极水平（≈59%）。→ 学生重视时间灵活性（87%）和地点灵活性（72%），且未觉得实验难度有所增加。
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    这些指标共同表明，一个紧密衔接、以学术为核心的生态系统能为所有相关方带来可量化的收益：
  • 学生：参与度更深、准备更充分，且能灵活访问实验资源。
  • 教师：监督需求减少，实验室运营效率更高。
  • 院校：流程效率提升，招生规模不再受基础设施限制；师生满意度提高，毕业生更符合行业用人需求。
    数据也解释了为何疫情过后，施特拉尔松德应用技术大学仍持续使用 QLabs。量化结果显示，混合式模式不仅维持了教育质量，更实现了质量提升 —— 将灵活性、互操作性与真实性转化为持久的学术价值和运营价值。

结论：可扩展的实验室生态系统，已具备集成条件

    DistLab的实践表明，当数据、设计与教学法在同一生态系统中深度融合时，能够创造出显著成效。依托 Quanser 生态系统和QLabs构建的混合式实验室，在学生参与度、准备度和学习效率方面均实现了可量化的提升，正在重新定义高校工程教育的实施方式。其成果是一个具备可扩展性、真实性且面向未来的模式。

    如果您所在的院校已准备好推进工程实验室的数字化与现代化转型，欢迎联系Quanser了解探讨解决方案，或体验QLabs互动实验室，感受可量化的混合式学习效果。

Morteza Mohammadi

产品营销工程师
Morteza是Quanser公司的产品营销工程师，拥有航空航天工程硕士学位及工程创新与创业硕士学位。他热衷于与Quanser的客户交流，了解他们使用公司实验室解决方案的体验，并分享这些富有启发性的故事。
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