虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)本科生科學(xué)實(shí)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(xué)的重要性。而對(duì)于以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，如何應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，以及虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到設(shè)計(jì)的教學(xué)效果？運(yùn)用自創(chuàng)工具調(diào)查學(xué)生對(duì)此問題的反應(yīng)，結(jié)果顯示，學(xué)生的整體評(píng)價(jià)較為肯定：虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騽偃蝹鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的大部分教學(xué)目標(biāo)，但在“提出問題和明確需要解決的難題”維度上，虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果仍然劣于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)（p<0.001）。建議生物虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注意虛實(shí)結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能的把握;改進(jìn)虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)過程，保證虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn);生物實(shí)驗(yàn);教學(xué)效果評(píng)價(jià);問卷調(diào)查

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)教學(xué)，作為生物學(xué)科最基本的教學(xué)方法之一，能夠讓學(xué)生將書本上的知識(shí)和實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力上起著重要作用。同時(shí)，生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生體會(huì)并形成持久而穩(wěn)定的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可謂是提高生物教學(xué)質(zhì)量不可缺少的條件。然而，傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多的困境，例如：有些實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高，不適合重復(fù)實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體信息化程度不高;少數(shù)實(shí)驗(yàn)還存在生物安全風(fēng)險(xiǎn)等[1]。特別是受疫情的影響，凸顯線上教學(xué)的重要性。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的一次重要嘗試，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)交互等技術(shù)，通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)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(shí)驗(yàn)教學(xué)還打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制，進(jìn)一步降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)成本，提高了生物教學(xué)的效率和質(zhì)量。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

最早的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件由美國(guó)軍方在上世紀(jì)60年代中期開發(fā)出來(lái)，主要服務(wù)于美軍的軍事仿真訓(xùn)練。在近60年的時(shí)代變遷中，虛擬實(shí)驗(yàn)從剛開始的平面模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)展到多維度的高仿真模擬實(shí)驗(yàn)。1988年，麻省理工學(xué)院開發(fā)出WEBLAB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并在同年投入使用。WEBLAB系統(tǒng)主要運(yùn)用于顯微鏡原理的教學(xué)中。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生如果遇到任何操作上的困難，都可以通過教師指導(dǎo)系統(tǒng)得到幫助，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)此反映良好[2]。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校2001年就開始使用美國(guó)麻省理工學(xué)院構(gòu)建的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（iLabs）教育系統(tǒng)為大學(xué)低年級(jí)和高年級(jí)的學(xué)生開設(shè)兩種級(jí)別的生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)課[3]。在虛擬實(shí)驗(yàn)室研究上，相比美國(guó)這幾所高校，我國(guó)對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究起步晚一些，但我們對(duì)此一直抱有積極態(tài)度，且成長(zhǎng)迅速。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)高校已經(jīng)根據(jù)自身的教學(xué)教研需求建立了各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，比較典型的有：1. 在2003年，第一軍醫(yī)大學(xué)完成了國(guó)內(nèi)第一例女虛擬人的信息收集系統(tǒng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)生能夠?yàn)樘摂M病人進(jìn)行模擬手術(shù)，并且能夠使用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線控制機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)。2. 浙江大學(xué)基于Web架構(gòu)的模式，采用Java語(yǔ)言并結(jié)合VRML基礎(chǔ)開發(fā)了一套化學(xué)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，并且在近兩年逐漸投入使用。該虛擬實(shí)驗(yàn)室可以解決一些高危難操作實(shí)驗(yàn)，比如大部分需使用易燃易爆物的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。3. NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱NB實(shí)驗(yàn)）：采用HTML5前沿技術(shù)，支持跨平臺(tái)訪問。主要目的是為在校初高中學(xué)生提供課程所需要的實(shí)驗(yàn)。NOBOOK對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)尤為突出，可以隨意更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而使得實(shí)驗(yàn)過程更加地靈活和逼真[4]。