虛擬實(shí)驗(yàn)在大學(xué)生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用分析#

趙煥瑛 李遂焰 張幗威

（西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

隨著疫情爆發(fā)，大大影響了大學(xué)的教育教學(xué)。大學(xué)生在居家隔離不能到校上課期間，如何能不耽誤學(xué)習(xí)，并收到較好的學(xué)習(xí)效果，引起不少教育工作者的關(guān)注和思考。在疫情嚴(yán)重期間理論課程大部分以網(wǎng)課形式得以開展，但是不少實(shí)驗(yàn)課程就很難進(jìn)行。以我校生物實(shí)驗(yàn)為例，疫情期間沒有開展教學(xué)，在學(xué)生返校后以補(bǔ)實(shí)驗(yàn)形式開展。不僅造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)積壓，實(shí)驗(yàn)室及工作人員都超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而實(shí)際教學(xué)效果也不理想。目前疫情常態(tài)化，不得不引起我們的反思，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要改革，是必須的也是必要的。

實(shí)驗(yàn)是獲得感性知識(shí)和材料的基本途徑，也是形成、發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)的基礎(chǔ)[1]。生物學(xué)科是實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。疫情前，學(xué)校基本都是傳統(tǒng)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生缺乏積極性，主動(dòng)性，以及有效師生的交流。疫情發(fā)生后，在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和必要性凸顯，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革勢在必行?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時(shí)代的混合式教學(xué)模式融合了傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，已成為高等教育教學(xué)發(fā)展的重要趨勢之一[2]。

《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018-2022年）》指出推動(dòng)我國教育信息化發(fā)展，需要建設(shè)、開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是網(wǎng)絡(luò)信息化教育中的一種重要實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，它是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，在一些方面具有線下實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)勢。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.1 打破傳統(tǒng)教學(xué)受時(shí)間，空間，安全影響的局限性

學(xué)生可以在任何時(shí)間，地點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，這樣在一定程度上每個(gè)學(xué)生都可以更加自由合理的安排自己的學(xué)習(xí)課程，同時(shí)也緩解了實(shí)驗(yàn)室緊張，實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限等的問題，特別是在當(dāng)前疫情大背景下，學(xué)生即使在隔離也能不受影響進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，不影響教學(xué)進(jìn)度。新冠疫情爆發(fā)后，美國密歇根大學(xué)封校，開放虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用學(xué)校在線教學(xué)平臺(tái)教學(xué)。他們線上教學(xué)系統(tǒng)和成熟的教學(xué)方法，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，是值得國內(nèi)高校借鑒的。

生物類實(shí)驗(yàn)使用的動(dòng)植物鮮活材料，它們可能會(huì)受季節(jié)，地域的影響，不能隨時(shí)獲取，而虛擬實(shí)驗(yàn)恰好能避免這些問題。同時(shí)，一些存在生物安全隱患的實(shí)驗(yàn)（比如病原微生物），利用虛擬實(shí)驗(yàn)既可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)又能讓學(xué)生掌握知識(shí)。

1.2 節(jié)約教學(xué)成本，資源可共享

線上實(shí)驗(yàn)是對(duì)資源的節(jié)約和共享，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利提倡的 3R 原則（Reduction，Replacement，Refinement）來說，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是很好的一種支持。動(dòng)物解剖觀察這類基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，可以通過虛擬仿真技術(shù)來豐富真實(shí)線下實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和形式，既達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，又減少了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量，避免不必要的浪費(fèi)。減少化學(xué)試劑的使用浪費(fèi)也符合環(huán)保的理念，降低了環(huán)境污染物的排放。

1.3 教學(xué)更加生動(dòng)直觀

虛擬化的教學(xué)環(huán)境不僅具有模擬性，且可生動(dòng)直觀地展示原來無法直接展示的東西，擺脫了傳統(tǒng)的、被動(dòng)的注入式的教學(xué)方式[3]，通過文本、圖像、動(dòng)畫、聲音、影像等各種形式的組合來表現(xiàn)，從而使知識(shí)內(nèi)容鮮活豐富。在顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)中，教師可以課前通過虛擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在線上預(yù)習(xí)熟悉顯微鏡的操作，并清楚所要觀察的組織結(jié)構(gòu)的圖像，以便在線下手工實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確到觀察部位，大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率。

劉清堂等利用元分析方法對(duì) 30 項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)證研究結(jié)果進(jìn)行定量綜合分析，得出虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果具有中等程度的積極影響作用[4]。

1.4 具有中止實(shí)驗(yàn)和復(fù)現(xiàn)的能力

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)最大的優(yōu)勢之一就是具有中止和復(fù)現(xiàn)能力，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作往往不能夠中止實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，特別是一些反應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)[5]。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)中止實(shí)驗(yàn)和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，更便利的獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過程操控性和觀測性也更強(qiáng)。

但是虛擬實(shí)驗(yàn)也有其缺點(diǎn)，并不能完全取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力也需要在手工的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)干預(yù)持續(xù)時(shí)間不宜過長，否則學(xué)生難以一直保持新奇感和學(xué)習(xí)熱情，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)結(jié)果未能達(dá)。虛擬實(shí)驗(yàn)在 1-10 周的實(shí)驗(yàn)時(shí)長內(nèi)效果最好，對(duì)于一次課也具有一定的積極影響，但是對(duì)于長期實(shí)驗(yàn)來說，虛擬實(shí)驗(yàn)的影響效果不顯著。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)將推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量

2.1 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

線下生物實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)模式為引入學(xué)科前沿與重塑課堂生態(tài)提供了良好契機(jī)[8]，在生物實(shí)驗(yàn)中，可以通過在網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的流程和方法，熟悉操作，這將大大提高線下真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效率。有些經(jīng)典但又太簡單的實(shí)驗(yàn)，可以放入虛擬實(shí)驗(yàn)的部分進(jìn)行，讓學(xué)生在線上學(xué)習(xí)。

2.2 提高綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的比重

根據(jù)高校目前的培養(yǎng)需要，要求加大綜合，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)比例，目前的生物實(shí)驗(yàn)中是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)少，主要是綜合設(shè)計(jì)型類實(shí)驗(yàn)往往所需時(shí)間長，而且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不規(guī)律。線上實(shí)驗(yàn)可以解決時(shí)間，空間，耗材，儀器的問題。根據(jù)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，試劑配制，材料準(zhǔn)備，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

2.3 熟悉了解先進(jìn)儀器設(shè)備

基于大型精密儀器的臺(tái)套數(shù)限制和學(xué)生操作大型精密儀器偏少的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，先讓學(xué)生先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)去了解體驗(yàn)，避免在實(shí)際的使用過程中操作不當(dāng)造成安全問題和儀器的損壞，又使得學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸先進(jìn)高科技設(shè)備，滿足學(xué)生的求知欲，在實(shí)際的操作儀器時(shí)能更快的適應(yīng)和掌握。

2.4 促進(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)與協(xié)同教學(xué)的融合

生物學(xué)教學(xué)中跨學(xué)科知識(shí)滲透有利于教學(xué)聯(lián)系多維化的學(xué)科觀點(diǎn)、有利于學(xué)生建構(gòu)系統(tǒng)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)、有利于師生體悟綜合化的思維品質(zhì)[10]。

我們可以借鑒密歇根大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教育改革，給國內(nèi)高校教育改革提供新思路。該校認(rèn)為多學(xué)科間的融合不僅是科學(xué)研究的需要和趨勢，也是大學(xué)教育改革的重點(diǎn)[11]。協(xié)同教學(xué)離不開多學(xué)科的教師組成實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，通過學(xué)術(shù)和教學(xué)交流，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這也對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教師提出了更高的要求。

2.5 完善評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課成績多為實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)的綜合成績。實(shí)際中存在抄襲報(bào)告，使用他人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等情況，老師也不一定能掌握每個(gè)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)。結(jié)合線下實(shí)驗(yàn)，通過線上實(shí)驗(yàn)，可以增加多種考核項(xiàng)目，比如實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的完成度，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后的自評(píng)，互評(píng)，與教師交流提出的有效問題等。這樣可以是完善實(shí)驗(yàn)課程的考核機(jī)制，使其更加合理和公平，公開。

疫情給我們?cè)斐闪宋C(jī)，但是帶來了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革契機(jī)，過去我們忽視了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，現(xiàn)在應(yīng)該看到其重要性，加大線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入，參考國內(nèi)外高校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采用混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生從虛擬體驗(yàn)→實(shí)際動(dòng)手操作→自行設(shè)計(jì)方案三個(gè)方面得到訓(xùn)練。

同時(shí)也要加大實(shí)驗(yàn)教師的相關(guān)培訓(xùn)和提高，促進(jìn)不同學(xué)科教師的交流。線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是對(duì)全日制大學(xué)生教育的改革，同時(shí)也是對(duì)國家遠(yuǎn)程教育的推動(dòng)，從一定程度上解決了遠(yuǎn)程教育中難以開展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生體驗(yàn)差的問題。