虚拟实验在大学生物实验中的应用分析#

赵焕瑛 李遂焰 张帼威

（西南交通大学生命科学与工程学院，四川 成都 610031）

随着疫情爆发，大大影响了大学的教育教学。大学生在居家隔离不能到校上课期间，如何能不耽误学习，并收到较好的学习效果，引起不少教育工作者的关注和思考。在疫情严重期间理论课程大部分以网课形式得以开展，但是不少实验课程就很难进行。以我校生物实验为例，疫情期间没有开展教学，在学生返校后以补实验形式开展。不仅造成实验教学任务积压，实验室及工作人员都超负荷运转，而实际教学效果也不理想。目前疫情常态化，不得不引起我们的反思，传统的实验教学需要改革，是必须的也是必要的。

实验是获得感性知识和材料的基本途径，也是形成、发展和检验自然科学的基础[1]。生物学科是实验学科，实验是不可缺少的一个重要环节。疫情前，学校基本都是传统的线下实验教学模式，学生缺乏积极性，主动性，以及有效师生的交流。疫情发生后，在线实验教学的重要性和必要性凸显，因此实验教学方法改革势在必行。“互联网+”时代的混合式教学模式融合了传统教学和网络教学的优势，已成为高等教育教学发展的重要趋势之一[2]。

《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》指出推动我国教育信息化发展，需要建设、开发虚拟仿真实验教学项目。虚拟仿真实验是网络信息化教育中的一种重要实验教学方式，它是随着计算机技术发展起来的一项实验模拟技术，在一些方面具有线下实验不具备的优势。

1 虚拟实验的特点

1.1 打破传统教学受时间，空间，安全影响的局限性

学生可以在任何时间，地点通过网络进入虚拟实验的平台，这样在一定程度上每个学生都可以更加自由合理的安排自己的学习课程，同时也缓解了实验室紧张，实验时间有限等的问题，特别是在当前疫情大背景下，学生即使在隔离也能不受影响进行线上实验课程的学习，不影响教学进度。新冠疫情爆发后，美国密歇根大学封校，开放虚拟实验室，利用学校在线教学平台教学。他们线上教学系统和成熟的教学方法，教学经验，是值得国内高校借鉴的。

生物类实验使用的动植物鲜活材料，它们可能会受季节，地域的影响，不能随时获取，而虚拟实验恰好能避免这些问题。同时，一些存在生物安全隐患的实验（比如病原微生物），利用虚拟实验既可规避风险又能让学生掌握知识。

1.2 节约教学成本，资源可共享

线上实验是对资源的节约和共享，特别是对实验动物福利提倡的 3R 原则（Reduction，Replacement，Refinement）来说，虚拟仿真实验是很好的一种支持。动物解剖观察这类基础验证型实验，可以通过虚拟仿真技术来丰富真实线下实验的内容和形式，既达到更好的实验教学的效果，又减少了实验动物的数量，避免不必要的浪费。减少化学试剂的使用浪费也符合环保的理念，降低了环境污染物的排放。

1.3 教学更加生动直观

虚拟化的教学环境不仅具有模拟性，且可生动直观地展示原来无法直接展示的东西，摆脱了传统的、被动的注入式的教学方式[3]，通过文本、图像、动画、声音、影像等各种形式的组合来表现，从而使知识内容鲜活丰富。在显微镜观察实验中，教师可以课前通过虚拟实验让学生在线上预习熟悉显微镜的操作，并清楚所要观察的组织结构的图像，以便在线下手工实验中准确到观察部位，大大提高了实验的效率。

刘清堂等利用元分析方法对 30 项虚拟实验的实证研究结果进行定量综合分析，得出虚拟实验对学生学习效果具有中等程度的积极影响作用[4]。

1.4 具有中止实验和复现的能力

虚拟实验技术最大的优势之一就是具有中止和复现能力，传统的实验操作往往不能够中止实验进程，特别是一些反应性的实验[5]。在虚拟实验中，实验者可以实现随时中止实验和重复实验，更便利的获得实验数据，实验过程操控性和观测性也更强。

但是虚拟实验也有其缺点，并不能完全取代真实的实验操作，实验的动手能力也需要在手工的实验操作中才能得到提高。倪慧文[6]，李宝敏[7]等人研究同样指出虚拟实验干预持续时间不宜过长，否则学生难以一直保持新奇感和学习热情，从而导致学习结果未能达。虚拟实验在 1-10 周的实验时长内效果最好，对于一次课也具有一定的积极影响，但是对于长期实验来说，虚拟实验的影响效果不显著。

2 虚拟实验将推动实验教学改革，提高教学质量

2.1 改革实验教学模式

线下生物实验和虚拟仿真实验混合式教学模式为引入学科前沿与重塑课堂生态提供了良好契机[8]，在生物实验中，可以通过在网上虚拟仿真实验进行预习，让学生了解实验的流程和方法，熟悉操作，这将大大提高线下真实实验的效率。有些经典但又太简单的实验，可以放入虚拟实验的部分进行，让学生在线上学习。

2.2 提高综合设计实验的比重

根据高校目前的培养需要，要求加大综合，设计型实验比例，目前的生物实验中是验证型实验为主，综合设计型实验少，主要是综合设计型类实验往往所需时间长，而且进行实验的时间不规律。线上实验可以解决时间，空间，耗材，仪器的问题。根据学生的兴趣，让学生参与实验的设计，试剂配制，材料准备，调动学生的主观能动性，实现实验教学的目的。

2.3 熟悉了解先进仪器设备

基于大型精密仪器的台套数限制和学生操作大型精密仪器偏少的实验教学现状，先让学生先通过虚拟仿真实验去了解体验，避免在实际的使用过程中操作不当造成安全问题和仪器的损坏，又使得学生有机会接触先进高科技设备，满足学生的求知欲，在实际的操作仪器时能更快的适应和掌握。

2.4 促进跨学科学习与协同教学的融合

生物学教学中跨学科知识渗透有利于教学联系多维化的学科观点、有利于学生建构系统化的知识结构、有利于师生体悟综合化的思维品质[10]。

我们可以借鉴密歇根大学的实验教育改革，给国内高校教育改革提供新思路。该校认为多学科间的融合不仅是科学研究的需要和趋势，也是大学教育改革的重点[11]。协同教学离不开多学科的教师组成实验团队，通过学术和教学交流，进行实验的设计，分析实验数据及评价实验结果，这也对高校实验教师提出了更高的要求。

2.5 完善评价实验考核机制

传统的实验课成绩多为实验报告和实验过程中表现的综合成绩。实际中存在抄袭报告，使用他人实验数据等情况，老师也不一定能掌握每个同学的实验表现。结合线下实验，通过线上实验，可以增加多种考核项目，比如实验预习的完成度，学生完成实验后的自评，互评，与教师交流提出的有效问题等。这样可以是完善实验课程的考核机制，使其更加合理和公平，公开。

疫情给我们造成了危机，但是带来了生物实验教学的改革契机，过去我们忽视了线上实验教学，现在应该看到其重要性，加大线上实验教学的投入，参考国内外高校的先进经验，采用混合式实验教学，让学生从虚拟体验→实际动手操作→自行设计方案三个方面得到训练。

同时也要加大实验教师的相关培训和提高，促进不同学科教师的交流。线上实验教学不仅是对全日制大学生教育的改革，同时也是对国家远程教育的推动，从一定程度上解决了远程教育中难以开展实验，学生体验差的问题。