虚拟实验对本科生科学实践能力提升的探究

任山章 杨清 夏豪颖 徐逸 陈晓丹 陈静怡

摘  要：因新冠肺炎疫情影响，凸显线上教学的重要性。而对于以实验为基础的學科，如何应对这个挑战，以及虚拟实验能否达到设计的教学效果？运用自创工具调查学生对此问题的反应，结果显示，学生的整体评价较为肯定：虚拟实验能够胜任传统实验的大部分教学目标，但在“提出问题和明确需要解决的难题”维度上，虚拟实验的教学效果仍然劣于传统实验教学（p<0.001）。建议生物虚拟实验教学中注意虚实结合，促进学生对理论知识和传统实验技能的把握;改进虚拟教学系统设计，优化教学过程，保证虚拟实验教学的可持续发展。

关键词：虚拟实验;生物实验;教学效果评价;问卷调查

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）23-0169-04

Abstract： Because of the influence of the COVID-19 epidemic situation， highlight the importance of online teaching. For the subject based on experiment， how to deal with this challenge， can virtual experiment achieve the teaching effect of design？ Using self-created tools to investigate students' reactions to this problem， the results show that students' overall evaluation is more positive： virtual experiment can be qualified for most of the teaching objectives of traditional experiment. However， the teaching effect of virtual experiment is still inferior to that of traditional experiment teaching （p<0.001）. It is suggested that we should pay attention to the combination of virtual reality in biological virtual experiment teaching， promote students' grasp of theoretical knowledge and traditional experimental skills， improve the design of virtual teaching system， optimize the teaching process， and ensure the sustainable development of virtual experiment teaching.

Keywords： virtual experiment; biological experiment; teaching effect evaluation; questionnaire survey

生物实验教学，作为生物学科最基本的教学方法之一，能够让学生将书本上的知识和实际的操作经验联系起来，在培养学生的实践能力和创新能力上起着重要作用。同时，生物实验能提高学生的学习兴趣，让学生体会并形成持久而稳定的学习兴趣，实验教学可谓是提高生物教学质量不可缺少的条件。然而，传统的生物实验教学模式存在诸多的困境，例如：有些实验周期长、实验成本高，不适合重复实验;实验教学整体信息化程度不高;少数实验还存在生物安全风险等[1]。特别是受疫情的影响，凸显线上教学的重要性。作为实验教学领域的一次重要尝试，虚拟实验教学依托虚拟现实、数据库、人机交互等技术，通过构建高度仿真的虚拟实验环境的方式，为上述问题的解决提供了一条新思路。不仅如此，虚拟实验教学还打破了传统实验在空间和时间上的限制，进一步降低了实验教学的教学成本，提高了生物教学的效率和质量。

一、虚拟实验的研究现状

最早的虚拟实验软件由美国军方在上世纪60年代中期开发出来，主要服务于美军的军事仿真训练。在近60年的时代变迁中，虚拟实验从刚开始的平面模拟实验，发展到多维度的高仿真模拟实验。1988年，麻省理工学院开发出WEBLAB虚拟仿真实验系统并在同年投入使用。WEBLAB系统主要运用于显微镜原理的教学中。在实验过程中，学生如果遇到任何操作上的困难，都可以通过教师指导系统得到帮助，学生在实验结束后对此反映良好[2]。美国伊利诺伊大学香槟分校2001年就开始使用美国麻省理工学院构建的远程网络实验室（iLabs）教育系统为大学低年级和高年级的学生开设两种级别的生物学虚拟实验课[3]。在虚拟实验室研究上，相比美国这几所高校，我国对于虚拟仿真实验的研究起步晚一些，但我们对此一直抱有积极态度，且成长迅速。据了解，目前国内多数高校已经根据自身的教学教研需求建立了各类虚拟仿真实验室，比较典型的有：1. 在2003年，第一军医大学完成了国内第一例女虚拟人的信息收集系统。在虚拟实验系统中，学生能够为虚拟病人进行模拟手术，并且能够使用网络远程在线控制机器人来实现远程手术。2. 浙江大学基于Web架构的模式，采用Java语言并结合VRML基础开发了一套化学虚拟教学实验管理系统，并且在近两年逐渐投入使用。该虚拟实验室可以解决一些高危难操作实验，比如大部分需使用易燃易爆物的化学实验。3. NOBOOK虚拟仿真实验室（简称NB实验）：采用HTML5前沿技术，支持跨平台访问。主要目的是为在校初高中学生提供课程所需要的实验。NOBOOK对于物理实验室的建设尤为突出，可以随意更改实验参数，从而使得实验过程更加地灵活和逼真[4]。