跨越校園邊界：隨時隨地建構高真實度的混合式工程實驗室 | 德國施特拉爾松德應用科學大學(Stralsund University)

錫昌科教
2025年12月31日
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已更新：1月6日

跨越校園邊界：隨時隨地建構高真實度的混合式工程實驗室 | 德國施特拉爾松德應用科學大學(Stralsund University)

加速發展中的學術新典範

自 12 與 13 世紀現代大學誕生以來，學術界僅經歷了少數幾次真正的「典範轉移」，每一次都重新定義了知識創造、分享與體驗的方式。1450 年代的印刷術讓學習走出修道院，開啟了知識普及的新紀元；17 至 19 世紀的科學方法與實驗室革命將實驗導入教育，奠定了探究式學習的基礎；1809 年的洪堡模式 (Humboldtian model) 則融合了研究與教學，型塑了現代研究型大學的根基。到了 20 世紀末，個人電腦的普及徹底改變了學術生活的各個面向，擴張了獲取、創造與傳遞知識的途徑。

如今，我們正見證另一個轉折點：混合式學習 (Hybrid Learning) 時代。此模式興起於 2010 年代並在 2020 年後加速發展，使學習者能無縫穿梭於虛擬模擬與真實世界之間，在維持高真實度的同時，將學習場域延伸至校園之外。這項轉變被許多學者視為高等教育的定義性轉型，將數位與物理環境融合為統一的學習體驗。 (Garrison & Vaughan, 2008; Hodges et al., 2020)

這項改變有跡可循。2022 年秋季，超過 53% 的美國學生至少修習了一門線上課程 (IPEDS/NCES)。而在 CHLOE 9 (2024) 報告中，美國學院表示，他們優先開發校內課程（69%）和學位課程（65%）的線上版本。混合與線上教學正逐漸成為教育的新常態。

Quanser 很早就預見了這項轉型。我們的 QLabs 數位孿生 (Digital Twins) 是 Quanser 實驗系統的高擬真虛擬複製品，旨在擴展真實的實驗室體驗。在過去五年中，QLabs 已成為 Quanser 生態系統不可或缺的一部分，協助全球大學加速數位轉型，實現具備擴展性、靈活性且包容性的實驗教育。

這種全球性的轉變激發了許多大學重新思考混合時代下實驗教育的演進。德國施特拉爾松德應用科學大學 (Stralsund University of Applied Sciences) 的 DistLab專案便是一個數位與實體實驗共存的典範。

面臨挑戰：擴展實踐學習的範圍

「實驗課程是工程教育不可或缺的一環，它連結了理論與應用，並培養現實工程環境所需的實作理解，」Jan-Christian Kuhr 教授提到。操作真實設備的動手實作經驗，對於建立技術能力與職業自信至關重要。

疫情的爆發成為一個觸媒，暴露了實驗室教育長期面臨的挑戰：設備有限、學生人數眾多以及實驗時數過短，這些因素限制了學生的參與機會和學習深度。這些瓶頸在疫情前就已存在，但在校園受限的情況下變得更加明顯 (Webinar by Prof. Jan-Christian Kuhr from Stralsund University of Applied Sciences, Germany, 2025)。

為了改善這些問題，施特拉爾松德應用科學大學啟動了 DistLab，這是一項跨院系的現代化計畫，旨在增加學習靈活性與近便性的同時，維持實驗教育的完整性。DistLab 代表了從傳統固定時程到「混合式實驗基礎設施」的結構性轉變，能同時支援虛擬與實體實驗 (IEEE, 2022; MATLAB Expo, 2022)。

圖1. 在校外，每位學生使用硬體的高擬真數位孿生模型進行練習，而校內團隊則使用真實系統。這兩個環境完全相容，可實現無縫的混合式學習（IEEE，2022）。 — ***圖1.*** 在校外，每位學生使用硬體的高擬真數位孿生模型進行練習，而校內團隊則使用真實系統。這兩個環境完全相容，可實現無縫的混合式學習（IEEE，2022）。

該專案需要一個強大、集中且具擴展性的環境，為學生與講師提供安全訪問，並能與 MATLAB/Simulink 無縫整合，提供可與真實硬體互通的高擬真虛擬體驗。

圖 2. 施特拉爾松德應用科技大學的 DistLab 是一項多學科計劃，匯集了來自各個學術計畫的教師。 — ***圖 2.*** *施特拉爾松德應用科技大學的 DistLab 是一項多學科計劃，匯集了來自各個學術計畫的教師。*

解決方案：以硬體為中心的混合式實驗室框架

基於對真實混合實驗環境的需求，施特拉爾松德大學設計了以「實體硬體為核心」，並將數位孿生視為強而有力的補充的 DistLab 框架。這種方法反映了該校對實際混合學習的願景：虛擬實驗室用於擴展學習機會與課前準備，但絕不取代對培養真正工程能力至關重要的實務經驗。

其核心需求在於互通性 (Interoperability)：學生在模擬環境中設計並測試控制系統，隨後能以簡單的方式將相同模型直接部署到真實硬體上。這需要一個能與 MATLAB/Simulink（是許多學校課程中已廣泛使用的產業標準環境）無縫整合的平台。這種整合不僅簡化了實施過程，還強化了與產業的接軌，確保畢業生能熟練使用專業工程師所需的工具(MATLAB Expo, 2022; IEEE, 2022)。

圖 3. Quanser 數位孿生與真實設備的互通性。兩者對同一模型和輸入均做出相同回應，從而實現虛擬系統與實體系統之間的無縫交換（IEEE，2022）。 — ***圖 3.*** *Quanser 數位孿生與真實設備的互通性。兩者對同一模型和輸入均做出相同回應，從而實現虛擬系統與實體系統之間的無縫交換（IEEE，2022）。*

在評估多種方案後，該校選擇了專為學術界設計的 Quanser 生態系統(IEEE, 2022)。Quanser 的數位孿生與實體實驗系統（包括 Ball and Beam、QUBE-Servo、Coupled Tank 與 Aero）為虛擬與實際實驗提供了統一的平台。此外，該系統具備未來擴展性，如 QArm 與 QBot 已準備好支援即將開設的機器人、自主系統與智慧系統等新課程，展現了混合基礎設施跨學科的適應力(MATLAB Expo, 2022)。

除了硬體與數位孿生，該方案還包含完整的學術資源（課程、實驗手冊與教學素材），確保了虛擬與實體學習模式間的教學連續性。這使得 DistLab框架不僅技術強大，而且學術嚴謹，易於整合。

圖 4. Quanser Lab 數位孿生和真實設備課程，整合了 MATLAB 和學術教材 — ***圖 4.*** *Quanser Lab 數位孿生和真實設備課程，整合了 MATLAB 和學術教材*

為了實現混合模式的規模化，學校透過中央虛擬機器 (VM) 部署 QLabs 與 MATLAB/Simulink。學生可以從任何設備或作業系統登入，無需在本機端安裝，確保了統一且可靠的體驗。這項設施讓教師能每學期支援更多學生，降低技術門檻，並維持標準化的混合實驗環境。

圖 5. QLabs 集中式虛擬機器部署架構 — ***圖 5.*** *QLabs 集中式虛擬機器部署架構*

最終成果：數據會說話

在教育領域，觀點能啟發人心，但數據才能說服人。DistLab 計畫產出的研究級證據顯示，以硬體為中心的混合實驗生態系統能顯著提升學習成效與運作效率。

有來自四個不同專業的75名學生參與了交叉學習設計 (Cross-over study) ，共分兩個階段，交替使用硬體與數位孿生(IEEE, 2023)。透過使用Quanser生態系統和 Quanser互動式虛擬實驗室（QLabs）(部署在集中式虛擬機器環境中），該大學量化了虛擬實驗和實體實驗真正融合時所產生的效果。

圖 6. 交叉學習設計（IEEE，2023） — ***圖 6.*** *交叉學習設計（IEEE，2023）*

量化亮點

參與度提升： 擁有 QLabs 使用權的學生在實驗教材上花費的時間增加了 146%（6.41 小時對比 2.61 小時）。差異具有高度統計意義 (p < 0.001 → 99.96% 可信度)，確保時間增加是真實可靠的，代表數位孿生確實將學習延伸到了課堂之外。
準備程度提高： 預習程度提升了約 31%(從 5/9到o 7/9)。具有統計意義 (p ≈0.05 →約 95% 可信度)，使用課前模擬的學生展現出更高的自信與操作準備。
教師協助： 學生需要的講師協助減少了約 11%。(9人僅1人需要協助)。呈現正向趨勢，實驗運作更順利，學生展現出更高的獨立性。
評估表現：分數提高了1.56個百分點，但這項變化不具統計意義。這顯示早期呈現正向勢頭，提示混合式學習方式可能隨著時間的推移增強概念理解。
感知難度與滿意度： 雖然感知難度維持穩定(約61%)，但 59% 的學生對混合教學模式的滿意度高於純線下模式。學生重視時間 (87%) 與地點 (72%) 的靈活，並沒有覺得實驗課變得更難。