虛擬實驗對本科生科學實踐能力提升的探究

任山章 楊清 夏豪穎 徐逸 陳曉丹 陳靜怡

摘? 要：因新冠肺炎疫情影響，凸顯線上教學的重要性。而對于以實驗為基礎的學科，如何應對這個挑戰，以及虛擬實驗能否達到設計的教學效果？運用自創工具調查學生對此問題的反應，結果顯示，學生的整體評價較為肯定：虛擬實驗能夠勝任傳統實驗的大部分教學目標，但在“提出問題和明確需要解決的難題”維度上，虛擬實驗的教學效果仍然劣于傳統實驗教學（p<0.001）。建議生物虛擬實驗教學中注意虛實結合，促進學生對理論知識和傳統實驗技能的把握;改進虛擬教學系統設計，優化教學過程，保證虛擬實驗教學的可持續發展。

關鍵詞：虛擬實驗;生物實驗;教學效果評價;問卷調查

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

生物實驗教學，作為生物學科最基本的教學方法之一，能夠讓學生將書本上的知識和實際的操作經驗聯系起來，在培養學生的實踐能力和創新能力上起著重要作用。同時，生物實驗能提高學生的學習興趣，讓學生體會并形成持久而穩定的學習興趣，實驗教學可謂是提高生物教學質量不可缺少的條件。然而，傳統的生物實驗教學模式存在諸多的困境，例如：有些實驗周期長、實驗成本高，不適合重復實驗;實驗教學整體信息化程度不高;少數實驗還存在生物安全風險等[1]。特別是受疫情的影響，凸顯線上教學的重要性。作為實驗教學領域的一次重要嘗試，虛擬實驗教學依托虛擬現實、數據庫、人機交互等技術，通過構建高度仿真的虛擬實驗環境的方式，為上述問題的解決提供了一條新思路。不僅如此，虛擬實驗教學還打破了傳統實驗在空間和時間上的限制，進一步降低了實驗教學的教學成本，提高了生物教學的效率和質量。

一、虛擬實驗的研究現狀

最早的虛擬實驗軟件由美國軍方在上世紀60年代中期開發出來，主要服務于美軍的軍事仿真訓練。在近60年的時代變遷中，虛擬實驗從剛開始的平面模擬實驗，發展到多維度的高仿真模擬實驗。1988年，麻省理工學院開發出WEBLAB虛擬仿真實驗系統并在同年投入使用。WEBLAB系統主要運用于顯微鏡原理的教學中。在實驗過程中，學生如果遇到任何操作上的困難，都可以通過教師指導系統得到幫助，學生在實驗結束后對此反映良好[2]。美國伊利諾伊大學香檳分校2001年就開始使用美國麻省理工學院構建的遠程網絡實驗室（iLabs）教育系統為大學低年級和高年級的學生開設兩種級別的生物學虛擬實驗課[3]。在虛擬實驗室研究上，相比美國這幾所高校，我國對于虛擬仿真實驗的研究起步晚一些，但我們對此一直抱有積極態度，且成長迅速。據了解，目前國內多數高校已經根據自身的教學教研需求建立了各類虛擬仿真實驗室，比較典型的有：1. 在2003年，第一軍醫大學完成了國內第一例女虛擬人的信息收集系統。在虛擬實驗系統中，學生能夠為虛擬病人進行模擬手術，并且能夠使用網絡遠程在線控制機器人來實現遠程手術。2. 浙江大學基于Web架構的模式，采用Java語言并結合VRML基礎開發了一套化學虛擬教學實驗管理系統，并且在近兩年逐漸投入使用。該虛擬實驗室可以解決一些高危難操作實驗，比如大部分需使用易燃易爆物的化學實驗。3. NOBOOK虛擬仿真實驗室（簡稱NB實驗）：采用HTML5前沿技術，支持跨平臺訪問。主要目的是為在校初高中學生提供課程所需要的實驗。NOBOOK對于物理實驗室的建設尤為突出，可以隨意更改實驗參數，從而使得實驗過程更加地靈活和逼真[4]。