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(xué)，在學(xué)生返校后以補實驗形式開展。不僅造成實驗教學(xué)任務(wù)積壓，實驗室及工作人員都超負荷運轉(zhuǎn)，而實際教學(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)的實驗教學(xué)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(fā)展和檢驗自然科學(xué)的基礎(chǔ)[1]。生物學(xué)科是實驗學(xué)科，實驗是不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。疫情前，學(xué)?；径际莻鹘y(tǒng)的線下實驗教學(xué)模式，學(xué)生缺乏積極性，主動性，以及有效師生的交流。疫情發(fā)生后，在線實驗教學(xué)的重要性和必要性凸顯，因此實驗教學(xué)方法改革勢在必行?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時代的混合式教學(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]。

《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018-2022年）》指出推動我國教育信息化發(fā)展，需要建設(shè)、開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)項目。虛擬仿真實驗是網(wǎng)絡(luò)信息化教育中的一種重要實驗教學(xué)方式，它是隨著計算機技術(shù)發(fā)展起來的一項實驗?zāi)M技術(shù)，在一些方面具有線下實驗不具備的優(yōu)勢。

1 虛擬實驗的特點

1.1 打破傳統(tǒng)教學(xué)受時間，空間，安全影響的局限性

學(xué)生可以在任何時間，地點通過網(wǎng)絡(luò)進入虛擬實驗的平臺，這樣在一定程度上每個學(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(xué)生即使在隔離也能不受影響進行線上實驗課程的學(xué)習(xí)，不影響教學(xué)進度。新冠疫情爆發(fā)后，美國密歇根大學(xué)封校，開放虛擬實驗室，利用學(xué)校在線教學(xué)平臺教學(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，是值得國內(nèi)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(jié)，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(guī)避風(fēng)險又能讓學(xué)生掌握知識。

1.2 節(jié)約教學(xué)成本，資源可共享

線上實驗是對資源的節(jié)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(chǔ)驗證型實驗，可以通過虛擬仿真技術(shù)來豐富真實線下實驗的內(nèi)容和形式，既達到更好的實驗教學(xué)的效果，又減少了實驗動物的數(shù)量，避免不必要的浪費。減少化學(xué)試劑的使用浪費也符合環(huán)保的理念，降低了環(huán)境污染物的排放。

1.3 教學(xué)更加生動直觀

虛擬化的教學(xué)環(huán)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(tǒng)的、被動的注入式的教學(xué)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(xiàn)，從而使知識內(nèi)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(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(jié)果進行定量綜合分析，得出虛擬實驗對學(xué)生學(xué)習(xí)效果具有中等程度的積極影響作用[4]。

1.4 具有中止實驗和復(fù)現(xiàn)的能力

虛擬實驗技術(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)的實驗操作往往不能夠中止實驗進程，特別是一些反應(yīng)性的實驗[5]。在虛擬實驗中，實驗者可以實現(xiàn)隨時中止實驗和重復(fù)實驗，更便利的獲得實驗數(shù)據(jù)，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(yù)持續(xù)時間不宜過長，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。虛擬實驗在 1-10 周的實驗時長內(nèi)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(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量

2.1 改革實驗教學(xué)模式

線下生物實驗和虛擬仿真實驗混合式教學(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[8]，在生物實驗中，可以通過在網(wǎng)上虛擬仿真實驗進行預(yù)習(xí)，讓學(xué)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(jīng)典但又太簡單的實驗，可以放入虛擬實驗的部分進行，讓學(xué)生在線上學(xué)習(xí)。

2.2 提高綜合設(shè)計實驗的比重

根據(jù)高校目前的培養(yǎng)需要，要求加大綜合，設(shè)計型實驗比例，目前的生物實驗中是驗證型實驗為主，綜合設(shè)計型實驗少，主要是綜合設(shè)計型類實驗往往所需時間長，而且進行實驗的時間不規(guī)律。線上實驗可以解決時間，空間，耗材，儀器的問題。根據(jù)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生參與實驗的設(shè)計，試劑配制，材料準備，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的。

2.3 熟悉了解先進儀器設(shè)備

基于大型精密儀器的臺套數(shù)限制和學(xué)生操作大型精密儀器偏少的實驗教學(xué)現(xiàn)狀，先讓學(xué)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(xué)生有機會接觸先進高科技設(shè)備，滿足學(xué)生的求知欲，在實際的操作儀器時能更快的適應(yīng)和掌握。

2.4 促進跨學(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)科知識滲透有利于教學(xué)聯(lián)系多維化的學(xué)科觀點、有利于學(xué)生建構(gòu)系統(tǒng)化的知識結(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)的實驗教育改革，給國內(nèi)高校教育改革提供新思路。該校認為多學(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[11]。協(xié)同教學(xué)離不開多學(xué)科的教師組成實驗團隊，通過學(xué)術(shù)和教學(xué)交流，進行實驗的設(shè)計，分析實驗數(shù)據(jù)及評價實驗結(jié)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(tǒng)的實驗課成績多為實驗報告和實驗過程中表現(xiàn)的綜合成績。實際中存在抄襲報告，使用他人實驗數(shù)據(jù)等情況，老師也不一定能掌握每個同學(xué)的實驗表現(xiàn)。結(jié)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(yù)習(xí)的完成度，學(xué)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(xué)的改革契機，過去我們忽視了線上實驗教學(xué)，現(xiàn)在應(yīng)該看到其重要性，加大線上實驗教學(xué)的投入，參考國內(nèi)外高校的先進經(jīng)驗，采用混合式實驗教學(xué)，讓學(xué)生從虛擬體驗→實際動手操作→自行設(shè)計方案三個方面得到訓(xùn)練。

同時也要加大實驗教師的相關(guān)培訓(xùn)和提高，促進不同學(xué)科教師的交流。線上實驗教學(xué)不僅是對全日制大學(xué)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(xué)生體驗差的問題。