摘 要：信息技術的迅速發(fā)展推動了教育教學變革，虛擬實驗受到越來越多的關注，成為教育信息化建設的重要命題。教育界的學者們嘗試將虛擬實驗引入真實實驗教學中，探索虛實結合的實驗教學方式。為更好的理解虛擬實驗在我國教育教學中的研究方向和發(fā)展趨勢，以中國知網2014-2023 年發(fā)表的關于虛實結合實驗教學的文獻為研究對象，分析近十年國內教育界針對虛實結合實驗教學的研究成果，并對研究中存在的問題提出改進建議，為今后虛擬實驗的進一步研究提供參考。

關鍵詞：虛擬實驗;虛實結合;實驗教學;文獻研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

近年來教育信息化日益進步，“互聯(lián)網+”教育理念不斷發(fā)展，計算機、人工智能、網絡媒體等高新技術逐步完善，一種名為“虛擬實驗”的新型實驗系統(tǒng)應運而生。虛擬實驗的出現掀起了一股研究熱潮，學者們對虛擬實驗的定義進行了不同的理解和闡述。從技術利用方面來看，虛擬實驗是以虛擬現實技術和虛擬建模語言為基礎，將各種高新技術結合運用[1] ，讓實驗者在類似于真實實驗環(huán)境中利用仿真實驗用具進行實驗操作的一種方式;從結構組成方面來看，虛擬實驗是一個由工具資料、模擬程序、實驗單元所組成，集創(chuàng)造和引導模擬實驗為一體的交互環(huán)境[2] 。綜合以上表述，可以將虛擬實驗理解為將計算機、人工智能、多媒體、網絡通信、交互flash 等各種技術綜合利用，形成相應的實驗環(huán)境、實驗過程、器材工具、信息資源，從而培養(yǎng)學生的探究能力、動手操作能力以及科學思維能力等（如圖1）。虛擬實驗技術成本低廉、安全程度高，且不受時空限制，對提高學生操作、觀察、創(chuàng)造等能力具有強大的促進作用。而虛實結合實驗可以被理解為利用虛擬現實技術、計算機網絡、多媒體、人機交互等技術手段，將虛擬教學與現實教學相結合，創(chuàng)造虛實結合的教學環(huán)境，在此教學環(huán)境中，教師根據相關課程標準，結合具體的實驗內容，開展虛擬實驗與真實實驗相結合的實驗教學方式。

一、虛實結合實驗教學研究文獻的總體情況

筆者選取中國知網（CNKI） 數據庫收錄的關于虛實結合實驗教學的文獻為樣本分析，設置關鍵詞“虛實結合”和主題“實驗教學”，檢索2014-2023 年的中文文獻，檢索結果有393 條，除去會議、報紙、成果、特色期刊等無關結果，選擇其中380 篇文獻作為分析對象，包括360 篇學術期刊和20 篇學術論文，收錄的核心期刊超過90%，說明虛實結合實驗教學一直深受學者關注，具備一定的研究價值。

（ 一） 發(fā)文數量分析

虛實結合實驗教學相關文獻最早于2006年出現，學者們將研究基本聚焦于虛擬實驗上，對于虛擬實驗與真實實驗的結合理論關注度較低。從2014 年開始，學者們逐漸將研究視線向虛實結合實驗教學轉移。2016 年之后，虛實結合實驗教學的相關文獻研究呈快速增長趨勢。如圖2 所示，整體來看，從2014 年至2023 年期間，虛實結合實驗教學文獻研究數量呈逐步增長趨勢，說明互聯(lián)網時代和信息技術的不斷發(fā)展推動了教育研究和教學改革，促進了教學理念的更新，對于虛實結合實驗教學的研究也愈加完善。

（ 二） 關鍵詞分析

利用Vosviewer 可視化分析軟件對382 篇文獻研究內容涉及的關鍵詞進行分析可知，針對虛實結合實驗教學研究的關鍵詞有近30 個，主要包括虛擬仿真、教學模式、教學改革、教學體系等。同時，關于“虛擬仿真實驗” “教學改革”“線上線下” 等詞條出現頻率非常多，很多研究將虛實結合應用于理工科教學中，例如物理學、土木工程、化工業(yè)等領域?？梢妼W界對于借助虛擬仿真平臺探索新的實驗教學模式和體系的研究較為關注（如圖3 所示）。

（ 三） 涉及學科分析

通過中國知網提供的虛實結合實驗教學在各學科中的研究分布，從表1 統(tǒng)計結果來看，虛實結合實驗教學的研究學科主要涉及教育教學、計算機技術、電力工業(yè)技術及設備、電子學與電信技術、自動化技術、物理與機械等六個學科領域。從宏觀角度看，在這十年間虛實結合實驗教學研究相關學科的發(fā)文量均呈上升趨勢。而虛實結合實驗教學在教育教學領域應用最為廣泛，相關文獻高達307 篇，占比接近總發(fā)文量一半。其次，計算機技術也是虛實結合實驗教學的另一重點研究方向，大多數研究圍繞虛擬實驗平臺和系統(tǒng)的開發(fā)展開?？傮w來講，虛實結合實驗教學的應用偏重于操作型和實踐型學科，而在理論型和知識型學科中的應用頻率較低，如表1 和圖4。

二、虛實結合實驗教學研究文獻的內容情況

通過對380 篇學術期刊和論文進行系統(tǒng)整理與分析，可將研究內容概括為教學模式的研究、教學體系的構建、虛擬實驗平臺的設計、仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)等四個方面。

（ 一） 教學模式的研究

網絡空間技術的飛速發(fā)展，尤其是虛擬實驗平臺的出現，許多不同學科領域虛實結合的教學模式不斷涌現，為教師開展實驗教學注入了新動能。魯明波[3] 等人根據傳統(tǒng)發(fā)酵實驗的存在問題，設計了由三個模塊組成的虛擬仿真實驗教學軟件，從不同方面對實驗教學模式進行了系統(tǒng)改革，加強了虛擬和實體實驗的有機結合;劉樹峰[4] 等人結合發(fā)動機拆裝教學的實際需要，分析了發(fā)動機虛擬平臺的目標和具體內容，設計了虛實結合的發(fā)動機拆裝教學模式;張瑋[5] 等人以提高電動與拖動課程教學效果為目標，構建了由三個環(huán)節(jié)組成的線上線下虛實結合實驗教學模式。

任何教學模式的構建都離不開教學理念的指導。徐艷芳[6] 等人依據工程教育認證理念，利用網絡信息教學平臺開展虛實結合實驗教學，證明了虛實結合實驗教學模式對提高學生學習能力的有效性;徐婷婷[7] 等人在“互聯(lián)網+”理念的背景下，根據虛擬實驗的突出特點，分析了在藥學實驗教學中應用虛實結合實驗教學的可行性與重要性。還有學者為解決航海專業(yè)中存在的教學問題，以“三合” 理念為中心，構建了虛擬實驗教學系統(tǒng)，并將虛實結合實驗教學模式引入實際教學中，提高了實驗教學質量和效果[8] 。百學和朱榮福[9] 以新工科教育理念為背景，闡述了虛擬實驗在實際教學中的應用現狀與必要性，提出虛實結合實驗教學模式的新形態(tài)。

將教學模式進行實踐是驗證其教學效果的重要方式，一些學者通過問卷調查、對比實驗、考核測評等形式，證明虛實結合實驗教學模式的有效性。陳曉軍[10] 等人以《人體寄生蟲學》課程中的血吸蟲綜合實驗為例，將虛實結合實驗教學模式應用于其中，通過考試測驗和調查問卷的方式探究虛實結合實驗教學效果，闡述了此教學過程的教學理念、教學方法、實驗內容和考核方式;浦益瓊[11] 等人將中藥綜合性實體實驗與虛擬實驗串聯(lián)起來，構建了虛實結合的教學實踐模式，根據對學生進行成績考核和問卷測試結果，分析了此教學模式的實踐過程、實施原則、應用要點和未來建設等方面的情況;王正東[12] 等人隨機選取系統(tǒng)解剖學專業(yè)中不同年級、不同班級、相同專業(yè)的學生，將其分為對照組和實驗組，通過對兩組采取不同的教學方式，證明了虛實結合教學模式對提高學生學習興趣和學習能力的有效性。

（ 二） 教學體系的構建

關于教學體系的研究，大多文獻聚焦于某一學科課程，利用虛擬實驗與現實實驗的優(yōu)勢，構建虛實結合的實驗教學體系。如戴朝卿[13]等人構建了以物理學為核心的“大物理” 實驗教學體系，實現了基于“互聯(lián)網+” 的虛實結合實驗教學;鐘凌云[14] 等人基于在中藥炮制學實驗教學中應用虛擬實驗的作用與價值，構建了虛實結合的層次化中藥炮制學實驗教學體系;姜艷紅[15] 等人基于電路實驗課程體系，以直流線性網絡課程為教學案例，將虛擬仿真技術、遠程實驗和現場實驗有機結合，分析了虛實結合實驗教學體系的整體框架;李存玉[16] 等人基于開放性虛擬仿真實驗平臺，構建了多維度的中藥制藥化學虛實結合實驗教學體系，以加快傳統(tǒng)實驗教學的改革;姜姍[17] 等人則在具體分析當前虛擬實驗技術的應用現狀和實際教學現狀的基礎上，搭建了虛實結合的實驗教學體系，并取得了一定的教學成果。

除針對學科課程構建教學體系外，有學者在分析某一專業(yè)領域教學現狀的基礎上，以培養(yǎng)優(yōu)秀專業(yè)人才為目標，整合虛實結合教學資源，以構建綜合實驗教學體系。如許少倫[18] 等人基于電氣工程類虛擬實驗教學理念，構建了包含基礎訓練、基本素質、綜合設計能力、研創(chuàng)能力等四個培養(yǎng)層次的虛實結合實驗教學體系，通過實踐驗證了該教學體系對培養(yǎng)高素質、創(chuàng)新型人才具有積極作用;黃宇琪[19] 等人分析了制藥工程專業(yè)實驗教學現狀和虛擬仿真實驗教學的特征，構建了虛實結合制藥工程實驗教學體系;明仲[20] 等人基于國家級虛擬仿真實驗平臺，將虛實結合實驗教學與科教融合、課程與開放實驗有機融合，形成一個新的計算機實驗教學體系;陳建方[21] 等人針對影像專業(yè)實驗教學的現存問題，構建了包含不同實驗系統(tǒng)的虛實結合實驗教學體系。

（ 三） 虛擬實驗平臺的設計

虛擬實驗平臺是教師開展虛實結合實驗教學的必需工具，不同學科的教學目標、教學內容、實驗過程等都有所不同，因此如何打造針對性強、操作性高、內容豐富的虛擬實驗平臺至關重要。張洋洋[22] 等人為解決海洋油氣工程、石油工程等專業(yè)實踐效果不夠突出的問題，開發(fā)了海洋油氣工程仿真實驗平臺，提出了教學實施過程，以滿足學生的實踐需求;夏定元[23] 等人針對電子電工類專業(yè)，搭建了虛實結合實驗教學平臺，分析了此專業(yè)實驗教學的改革思路;李波[24] 等人分析了工業(yè)機器人教學現狀，將VR 技術與工業(yè)機器人教學相結合，建立了虛實結合實驗教學平臺;王莉[25] 等人結合虛擬仿真實驗教學平臺和實際實驗教學資源現狀，構建了土建類虛實結合實踐教學平臺。

信息技術快速發(fā)展的同時，很多工具軟件如Unity3D 引擎技術、Multisim 軟件、MATLAB數字軟件、LabVIEW 開發(fā)環(huán)境等不斷出現在研究者的視野中。虛擬實驗是一種以系統(tǒng)操作為主的實驗方式，在某種程度上與這些軟件工具相契合。因此，這些開發(fā)工具成為很多學者設計虛擬實驗平臺的基礎。如王帥[26] 等人基于MatLab 搭建了六自由度機械臂實驗教學平臺，分析了該教學平臺的實施過程;周蘇娟[27] 等人以Android 移動實驗系統(tǒng)為基礎，開發(fā)了虛實結合實驗教學平臺，并將其用于中藥炮制學課程教學中;蘇宇等人[28] 等人利用RobotStudio、Visual Studio、SolidWorks 等三種軟件，設計了由三大模塊組成的工業(yè)機器人虛擬實驗平臺;梁西昌和辛倩倩[29] 以PLC 自動化技術為基礎，構建了虛實結合實驗教學平臺，設計了基礎實驗課程、綜合實驗課程和創(chuàng)新實驗課程，以提高學生綜合實踐能力。

（ 四） 仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)

在虛擬仿真系統(tǒng)與技術的開發(fā)方面，主要是運用仿真技術，結合課程特點與實驗內容，開發(fā)相應的虛擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過模擬真實的實驗環(huán)境、資源材料、人物道具等，讓學生利用計算機網絡技術完成各種實驗操作。比如李志軍[30] 等人利用LabVIEW 軟件技術，同時結合光伏電池的特性，開發(fā)了虛擬光伏實驗教學系統(tǒng);薛小榮[31] 等人基于Unity3D 開發(fā)平臺，創(chuàng)建了可在微波暗室環(huán)境中進行天線測量的虛擬實驗系統(tǒng);劉婉妮[32] 針對信號與系統(tǒng)課程教學的特點，以MATLAB 的信號處理能力為基礎，開發(fā)了“信號與系統(tǒng)”虛擬實驗教學輔助系統(tǒng);李沁[33] 等人在電力拖動課程教學中運用Matlab/ Simulink 和LabVIEW 仿真技術，構建了虛實結合的電機實驗系統(tǒng);呂昌遠[34] 設計了擁有虛擬實驗和實物實驗兩個部分的電子遠程實驗系統(tǒng)，闡述了該實驗系統(tǒng)的設計方式、架構方式和技術方案，證明了電子遠程實驗系統(tǒng)的實用性;彭文竹[35] 等人在虛實結合實驗技術的基礎上將三門課程實驗的設備相整合，構建了電子電路三合一實驗箱，滿足學生自主設計實驗的需求;徐玉飛[36] 等人基于HTML5 +X3DOM技術，研發(fā)了工業(yè)機器人虛擬樣機，通過實例驗證了此虛擬技術具有準確度和實用性。

三、虛實結合實驗教學研究的思考

近十年以來，研究者重點對虛實結合實驗教學模式、教學體系的構建、虛擬實驗平臺設計和仿真系統(tǒng)開發(fā)等方面進行廣泛研究，并在實際應用過程中取得了良好的教學效果，但在研究層面和實踐過程中仍存在一些亟待思考與解決的問題。因此，筆者根據以上的文獻梳理與分析，提出以下建議，期望為虛擬實驗與真實實驗有機結合后更好的應用于教育教學實踐中提供參考。

（ 一） 創(chuàng)新虛實結合實驗教學模式

針對虛實結合實驗教學模式的研究，大多數學者在針對不同的學科領域設計不同的教學模式，并將其應用于實際教學當中。然而，大多數教學模式只是聚焦于某個課程展開，對于其它課程或學科的實驗教學較少涉獵，導致教學模式的延伸性不足。同時，多數虛實結合實驗教學模式是將虛擬實驗引入實際教學過程中，學生通過虛擬實驗平臺進行實驗。雖然學生能夠順利完成各項實驗內容，但只是機械化的按照虛擬平臺的提示進行實驗操作，不利于學生科學思維和探究能力的發(fā)展。所以，研究者應根據教育教學目的，以促進學生能力發(fā)展為目標，結合不同課程或學科內容，構建應用廣泛的虛實結合實驗教學模式。比如，陳真等人依附虛實結合實踐學習平臺，在OBE 理念的指導下，提出了以提升學生創(chuàng)新能力為目標的實驗教學模式，以培養(yǎng)創(chuàng)新型工程實踐人才[37] 。

（ 二） 完善虛實結合實驗教學評價體系

教學質量的優(yōu)劣要依靠完善的評價體系來檢驗，正確的評價能真實的反射出教學和學習情況，為教師后續(xù)開展教學提供依據。從目前文獻研究來看，關于構建虛實結合的教學體系的研究較多，針對評價體系的系統(tǒng)研究非常少，有些研究是以調查、訪談、對照實驗等方式驗證教學效果，比如陳夢等人基于病理實驗教學的發(fā)展變化，以問卷調查的形式探究使用數字化平臺進行實驗教學的滿意度和支持度[38] 。實驗教學是一門實踐性強的教學，在培養(yǎng)學生綜合素質、創(chuàng)新技能、合作能力等過程中扮演重要角色。教學評價對于實驗教學過程起到非常重要的作用，所以應加強虛實結合實驗教學評價體系研究，針對不同專業(yè)建立健全的評價標準，構建集促進教學、評價、研究一體化教學模式。

（ 三） 拓寬虛擬仿真實驗系統(tǒng)應用領域

目前，有關虛實結合的實踐應用類研究頗多，研究內容涵蓋了多個學科領域，尤其是教育教學領域中的虛實結合實驗教學研究最為廣泛，包括高等教育、醫(yī)學教育、職業(yè)教育等學科領域，研究者針對不同的學科開發(fā)了不同類型的仿真實驗系統(tǒng)。但多數研究內容只集中于物理學、計算機、機械技術等操作性強的學科，對于化學、生物學等中等教育領域學科的研究較為淺顯，研究視野狹隘，研究廣度有限。因此，研究者應進一步加大虛實結合實驗教學的實踐研究，分析國內外不同領域中應用虛實結合實驗教學的內容與特點、優(yōu)勢與劣勢，深層剖析研究過程中的典型案例，以完備的知識理論為依據，通過不斷的數據調查和實踐效果評估，建立適用于各領域的優(yōu)質虛實結合實驗教學框架。

（ 四） 加強虛實結合實驗教學理論研究深度

每種教學模式的構建都需以專業(yè)理論作為支撐。從現有的研究成果來看，學界已經建立了虛擬實驗設計與應用的理論依據，但關于虛實結合實驗教學研究的文章較少，涉及的學科只集中在計算機技術、醫(yī)學教育、高等教育等領域，研究的延展度較低。此外，大部分文章偏向實踐研究，理論研究淺顯，并未深入探求虛實結合實驗教學的最終目標和內在價值。因此，需加強對虛實結合實驗教學的理論研究，系統(tǒng)梳理虛擬實驗的研究基礎，為虛實結合實驗教學設計提供理論框架。

四、結語

如今，教育界越來越關注教學模式的革新，經過多年的研究與實踐，虛擬實驗技術的研發(fā)設計逐漸完善，應用領域不斷拓展，虛擬實驗得到了飛速發(fā)展。然而，針對虛實結合式實驗教學的研究較為欠缺，還需要進一步探討，要加強對現階段薄弱環(huán)節(jié)的研究，促進虛擬實驗與真實實驗的有效整合，使虛實結合實驗教學在未來得到更廣泛的應用，為教育教學的改革提供更為強大的推動力。

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（ 責任編輯：加順花）