虛擬實驗在大學生物實驗中的應用分析#

趙煥瑛 李遂焰 張幗威

（西南交通大學生命科學與工程學院，四川 成都 610031）

隨著疫情爆發，大大影響了大學的教育教學。大學生在居家隔離不能到校上課期間，如何能不耽誤學習，并收到較好的學習效果，引起不少教育工作者的關注和思考。在疫情嚴重期間理論課程大部分以網課形式得以開展，但是不少實驗課程就很難進行。以我校生物實驗為例，疫情期間沒有開展教學，在學生返校后以補實驗形式開展。不僅造成實驗教學任務積壓，實驗室及工作人員都超負荷運轉，而實際教學效果也不理想。目前疫情常態化，不得不引起我們的反思，傳統的實驗教學需要改革，是必須的也是必要的。

實驗是獲得感性知識和材料的基本途徑，也是形成、發展和檢驗自然科學的基礎[1]。生物學科是實驗學科，實驗是不可缺少的一個重要環節。疫情前，學校基本都是傳統的線下實驗教學模式，學生缺乏積極性，主動性，以及有效師生的交流。疫情發生后，在線實驗教學的重要性和必要性凸顯，因此實驗教學方法改革勢在必行。“互聯網+”時代的混合式教學模式融合了傳統教學和網絡教學的優勢，已成為高等教育教學發展的重要趨勢之一[2]。

《加快推進教育現代化實施方案（2018-2022年）》指出推動我國教育信息化發展，需要建設、開發虛擬仿真實驗教學項目。虛擬仿真實驗是網絡信息化教育中的一種重要實驗教學方式，它是隨著計算機技術發展起來的一項實驗模擬技術，在一些方面具有線下實驗不具備的優勢。

1 虛擬實驗的特點

1.1 打破傳統教學受時間，空間，安全影響的局限性

學生可以在任何時間，地點通過網絡進入虛擬實驗的平臺，這樣在一定程度上每個學生都可以更加自由合理的安排自己的學習課程，同時也緩解了實驗室緊張，實驗時間有限等的問題，特別是在當前疫情大背景下，學生即使在隔離也能不受影響進行線上實驗課程的學習，不影響教學進度。新冠疫情爆發后，美國密歇根大學封校，開放虛擬實驗室，利用學校在線教學平臺教學。他們線上教學系統和成熟的教學方法，教學經驗，是值得國內高校借鑒的。

生物類實驗使用的動植物鮮活材料，它們可能會受季節，地域的影響，不能隨時獲取，而虛擬實驗恰好能避免這些問題。同時，一些存在生物安全隱患的實驗（比如病原微生物），利用虛擬實驗既可規避風險又能讓學生掌握知識。

1.2 節約教學成本，資源可共享

線上實驗是對資源的節約和共享，特別是對實驗動物福利提倡的 3R 原則（Reduction，Replacement，Refinement）來說，虛擬仿真實驗是很好的一種支持。動物解剖觀察這類基礎驗證型實驗，可以通過虛擬仿真技術來豐富真實線下實驗的內容和形式，既達到更好的實驗教學的效果，又減少了實驗動物的數量，避免不必要的浪費。減少化學試劑的使用浪費也符合環保的理念，降低了環境污染物的排放。

1.3 教學更加生動直觀

虛擬化的教學環境不僅具有模擬性，且可生動直觀地展示原來無法直接展示的東西，擺脫了傳統的、被動的注入式的教學方式[3]，通過文本、圖像、動畫、聲音、影像等各種形式的組合來表現，從而使知識內容鮮活豐富。在顯微鏡觀察實驗中，教師可以課前通過虛擬實驗讓學生在線上預習熟悉顯微鏡的操作，并清楚所要觀察的組織結構的圖像，以便在線下手工實驗中準確到觀察部位，大大提高了實驗的效率。

劉清堂等利用元分析方法對 30 項虛擬實驗的實證研究結果進行定量綜合分析，得出虛擬實驗對學生學習效果具有中等程度的積極影響作用[4]。

1.4 具有中止實驗和復現的能力

虛擬實驗技術最大的優勢之一就是具有中止和復現能力，傳統的實驗操作往往不能夠中止實驗進程，特別是一些反應性的實驗[5]。在虛擬實驗中，實驗者可以實現隨時中止實驗和重復實驗，更便利的獲得實驗數據，實驗過程操控性和觀測性也更強。

但是虛擬實驗也有其缺點，并不能完全取代真實的實驗操作，實驗的動手能力也需要在手工的實驗操作中才能得到提高。倪慧文[6]，李寶敏[7]等人研究同樣指出虛擬實驗干預持續時間不宜過長，否則學生難以一直保持新奇感和學習熱情，從而導致學習結果未能達。虛擬實驗在 1-10 周的實驗時長內效果最好，對于一次課也具有一定的積極影響，但是對于長期實驗來說，虛擬實驗的影響效果不顯著。

2 虛擬實驗將推動實驗教學改革，提高教學質量

2.1 改革實驗教學模式

線下生物實驗和虛擬仿真實驗混合式教學模式為引入學科前沿與重塑課堂生態提供了良好契機[8]，在生物實驗中，可以通過在網上虛擬仿真實驗進行預習，讓學生了解實驗的流程和方法，熟悉操作，這將大大提高線下真實實驗的效率。有些經典但又太簡單的實驗，可以放入虛擬實驗的部分進行，讓學生在線上學習。

2.2 提高綜合設計實驗的比重

根據高校目前的培養需要，要求加大綜合，設計型實驗比例，目前的生物實驗中是驗證型實驗為主，綜合設計型實驗少，主要是綜合設計型類實驗往往所需時間長，而且進行實驗的時間不規律。線上實驗可以解決時間，空間，耗材，儀器的問題。根據學生的興趣，讓學生參與實驗的設計，試劑配制，材料準備，調動學生的主觀能動性，實現實驗教學的目的。

2.3 熟悉了解先進儀器設備

基于大型精密儀器的臺套數限制和學生操作大型精密儀器偏少的實驗教學現狀，先讓學生先通過虛擬仿真實驗去了解體驗，避免在實際的使用過程中操作不當造成安全問題和儀器的損壞，又使得學生有機會接觸先進高科技設備，滿足學生的求知欲，在實際的操作儀器時能更快的適應和掌握。

2.4 促進跨學科學習與協同教學的融合

生物學教學中跨學科知識滲透有利于教學聯系多維化的學科觀點、有利于學生建構系統化的知識結構、有利于師生體悟綜合化的思維品質[10]。

我們可以借鑒密歇根大學的實驗教育改革，給國內高校教育改革提供新思路。該校認為多學科間的融合不僅是科學研究的需要和趨勢，也是大學教育改革的重點[11]。協同教學離不開多學科的教師組成實驗團隊，通過學術和教學交流，進行實驗的設計，分析實驗數據及評價實驗結果，這也對高校實驗教師提出了更高的要求。

2.5 完善評價實驗考核機制

傳統的實驗課成績多為實驗報告和實驗過程中表現的綜合成績。實際中存在抄襲報告，使用他人實驗數據等情況，老師也不一定能掌握每個同學的實驗表現。結合線下實驗，通過線上實驗，可以增加多種考核項目，比如實驗預習的完成度，學生完成實驗后的自評，互評，與教師交流提出的有效問題等。這樣可以是完善實驗課程的考核機制，使其更加合理和公平，公開。

疫情給我們造成了危機，但是帶來了生物實驗教學的改革契機，過去我們忽視了線上實驗教學，現在應該看到其重要性，加大線上實驗教學的投入，參考國內外高校的先進經驗，采用混合式實驗教學，讓學生從虛擬體驗→實際動手操作→自行設計方案三個方面得到訓練。

同時也要加大實驗教師的相關培訓和提高，促進不同學科教師的交流。線上實驗教學不僅是對全日制大學生教育的改革，同時也是對國家遠程教育的推動，從一定程度上解決了遠程教育中難以開展實驗，學生體驗差的問題。