小議虛擬實驗與真實實驗的利弊

吉筱蓉

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)在生物教學(xué)中是不可或缺的重要組成部分。《義務(wù)教育生物課課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》提倡實驗設(shè)計多樣化，建議“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進行虛擬實驗”。 虛擬實驗的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育模式，使教與學(xué)的方式發(fā)生了革命性的變化。

一、什么是虛擬實驗

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實（又稱 VR）等技術(shù)在計算機 上營造可輔助、 部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán) 境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環(huán)境（平臺仿真）之上， 而注重的是實驗操作 的交互性和實驗結(jié)果的仿真性。 虛擬實驗的實現(xiàn)將有效緩解很多高校在經(jīng)費、場 地、 器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬實驗教學(xué)能夠突破傳 統(tǒng)實驗對“時、空”的限制，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由、無顧慮地隨時 隨地上網(wǎng)進入虛擬實驗室，操作儀器， 進行各種實驗， 有助于提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

二、虛擬實驗的優(yōu)勢

初中生物教學(xué)中，虛擬實驗可以在教學(xué)中發(fā)揮獨特的作用。

1、在傳統(tǒng)生物實驗室，開設(shè)驗證性實驗時往往都是先由教師在講臺上演示實驗過程，介紹實驗中應(yīng)注意的各個問題，然后由學(xué)生來操作。但是由于受實驗儀器小、學(xué)生多等限制。教師在演示過程中不可能面面俱到，總會有一部分學(xué)生不能清楚地看到實驗過程和聽清楚實驗過程中的關(guān)鍵事項。例如在顯微鏡的使用實驗中：一般教師先講解、示范顯微鏡的使用，可等學(xué)生自己獨立實驗時，有相當(dāng)一部分學(xué)生不能正確掌握操作的要領(lǐng)，就會出現(xiàn)一些不規(guī)范操作，致使實驗效果不佳。如果利用多媒體仿真虛擬實驗室來“練習(xí)使用顯微鏡”，不僅可以避免上述情況，而且在學(xué)生單獨實驗時，學(xué)生某一步驟搞不清楚，可以反復(fù)播放操作指引，根據(jù)提示練習(xí)操作技巧，直到掌握為止。這樣兼顧個體差異的實驗課堂，真正做到了面向全體學(xué)生，提高生物科學(xué)素養(yǎng)。

2、為了提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，初中生物實驗內(nèi)容明顯增多，造成教學(xué)課時的不足，教師在開展真實實驗前，可以通過展示虛擬實驗來講解實驗原理、實驗方法、實驗步驟，讓學(xué)生能充分了解實驗的進程，就可以增加學(xué)生對實驗的了解，以保證學(xué)生有較多的操作時間。如果學(xué)生能夠在開展真實實驗前，親手操作虛擬實驗課件，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞儀器，甚至發(fā)生事故，在正式實驗時就能熟悉操作過程，減少操作失誤，從而更加激發(fā)學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)興趣。

3、與真實實驗不同，驗證性虛擬實驗是利用計算機并結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完成真實環(huán)境中的各種驗證性實驗，除了其實驗效果與真實實驗效果完全一致外，還具有虛擬實驗特有的實時性、可控性、安全性、仁愛性和重復(fù)性等特點。

演示實驗是中學(xué)生物教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可以很好地輔助教學(xué)，使生物學(xué)原理和規(guī)律更為直觀地展現(xiàn)。然而客觀條件的限制又往往導(dǎo)致一些演示實驗無法完成或效果不佳。如人教版初中生物學(xué)八年級上冊探究“鳥適于飛行的特點”，學(xué)生提出“胸肌為鳥的飛行提供了動力，發(fā)達(dá)的胸肌是鳥類適于飛行的特征”假設(shè)時，解剖一種會飛的鳥，觀察鳥的胸肌附著的方式和位置；用電流刺激使胸肌收縮，看其是否能牽引翼產(chǎn)生與飛行有關(guān)的運動來驗證胸肌是否與飛行有關(guān)就顯得非常重要了。這不僅能幫助學(xué)生深入理解知識，而且是培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度的重要契機。然而，解剖動物的實驗與課標(biāo)保護生命愛護小鳥的教育教學(xué)理念相抵觸。利用多媒體虛擬仿真平臺不僅能夠在虛擬情況下完成解剖家鴿觀察胸肌附著位置和驗證胸肌為鳥類的飛行提供動力，而且能夠在利用計算機虛擬現(xiàn)實的功能創(chuàng)建胸肌與飛行關(guān)系的立體模型，完成實驗報告。

虛擬實驗是對真實實驗的模擬或再現(xiàn)，能開展真實實驗的還是要開展真實實驗，只有通過真實實驗，才能逐步提高學(xué)生的動手操作能力。而在有條件的學(xué)校，也要提倡充分開發(fā)虛擬實驗，使其成為教學(xué)的重要組成部分。因為，即使是交互性不強的虛擬實驗，也形象、生動、直觀，在展現(xiàn)實驗現(xiàn)象時具有強大的表現(xiàn)力。

三、虛擬實驗的弊端

虛擬實驗不能完全代替真實實驗，雖說虛擬實驗有上述諸多優(yōu)點，但 學(xué)校以此就將實驗室的重心轉(zhuǎn)移到虛擬實驗室上來，僅僅只做一兩次實驗，這是不可取的。

首先因為實驗是一個動手操作的過程，需要學(xué)生有一定的實驗技術(shù)和 動手操作能力，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合所學(xué)的理論知識，這樣知識才能融會貫通。真實實驗對學(xué)生的動手能力的培養(yǎng)是不可缺少的。

其次做實驗的過程可以說是一次探索發(fā)現(xiàn)，過程中可能出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，事故也好，驚喜也罷，學(xué)生都能從 中獲取經(jīng)驗，并且學(xué)會分析和解決問題，這是一種能力的培養(yǎng)。

最后，真實實驗中干擾因素較多， 實驗容易出現(xiàn)誤差， 有些因素在人為的情況下， 可以減少或避免。而虛擬實驗，不會受這些因素影響，學(xué)生感受不到，學(xué)不到這方面的知識，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

總之，虛擬實驗和真實實驗都是實驗中的重要組成部分，各有利弊，這就要求我們在教學(xué)中處理好兩者的關(guān)系，在學(xué)校實驗條件允許的情況下，按照教學(xué)計劃開展實驗，選擇合適的實驗教學(xué)方式，不要因為虛擬實驗簡單，就忽視了真實實驗。兩者都應(yīng)該為教學(xué)服務(wù)。