張保石，賈曉梅，苗曉燕

（保定學(xué)院 生物化工與環(huán)境工程學(xué)院，河北 保定 071000）

虛擬實(shí)驗(yàn)具有開放性、交互性、便捷性、利用率高、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)中可以代替高成本、高危、高復(fù)雜程度的實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)異地使用和資源共享［1］，且注重學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域，特別是高校中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，成為強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的重要發(fā)展方向。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出，推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合。建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具，利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，鼓勵(lì)發(fā)展性評(píng)價(jià)，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多高校根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。2017年，教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》［3］，對(duì)高等教育中應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了良好的推動(dòng)作用［4］。

生物學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在專業(yè)培養(yǎng)方案中，生物實(shí)驗(yàn)是極其重要的一部分。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、觀察和探究等環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生掌握生物學(xué)知識(shí)、科學(xué)探究方法和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要的作用。高校生物專業(yè)的實(shí)驗(yàn)類型有驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容包含操作技能、創(chuàng)新思維、科研能力的培養(yǎng)。有的內(nèi)容可通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)滿足，但是有的內(nèi)容由于危險(xiǎn)系數(shù)過(guò)高、課堂時(shí)間有限、環(huán)境條件制約、設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力不足等原因，使得學(xué)生難以進(jìn)行多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)難以達(dá)到理想的效果，因此學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效提升受到了一定的制約。而利用虛擬實(shí)驗(yàn)可以解決常規(guī)方法難以解決的疑難問(wèn)題，學(xué)生能夠模擬操作一些真實(shí)環(huán)境中難以實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、選擇實(shí)驗(yàn)用具、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、改進(jìn)升華、總結(jié)分析和得出結(jié)論等實(shí)踐環(huán)節(jié)中，在實(shí)踐過(guò)程中逐步培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

近年來(lái)，線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式進(jìn)一步推動(dòng)了虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用，因此在生物實(shí)驗(yàn)中根據(jù)“虛實(shí)混合”的原則，將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，初步探討其應(yīng)用效果。

一、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對(duì)象

選取保定學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)三年級(jí)學(xué)生共81人作為研究對(duì)象，調(diào)查學(xué)生和授課教師進(jìn)行虛實(shí)混合式學(xué)習(xí)與教學(xué)的開展情況。

（二）研究方法

教學(xué)效果評(píng)價(jià)是反映教學(xué)模式質(zhì)量的關(guān)鍵要素，為了客觀地體現(xiàn)虛實(shí)混合的教學(xué)效果，應(yīng)用和評(píng)價(jià)設(shè)定來(lái)自學(xué)業(yè)成績(jī)、過(guò)程表現(xiàn)、效能感知和情感體驗(yàn)等四個(gè)方面，學(xué)業(yè)成績(jī)和過(guò)程表現(xiàn)由進(jìn)行虛實(shí)混合教學(xué)的主講教師提供，計(jì)算平均成績(jī)；效能感知、情感體驗(yàn)和過(guò)程表現(xiàn)通過(guò)學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查、訪談和教師課堂觀察獲得。

1.問(wèn)卷調(diào)查法。針對(duì)學(xué)生的效能認(rèn)知和情感體驗(yàn)評(píng)價(jià)設(shè)置了調(diào)查問(wèn)卷。效能認(rèn)知分為協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新性思維能力、獲取處理信息能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、歸納分析能力等六個(gè)維度；情感體驗(yàn)主要考查學(xué)生的滿意度和興趣。在虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)開始前和結(jié)束后分別對(duì)參與混合式教學(xué)模式的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，以評(píng)價(jià)虛實(shí)混合教學(xué)模式對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能和學(xué)習(xí)興趣的影響。

2.訪談法。為了解教師對(duì)虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的看法、虛實(shí)混合教學(xué)實(shí)施情況、教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題和學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程中的表現(xiàn)等問(wèn)題，需與實(shí)驗(yàn)任課教師依據(jù)訪談提綱進(jìn)行訪談?wù){(diào)查。

3.課堂觀察法。為了解學(xué)生在課堂教學(xué)過(guò)程中的表現(xiàn)情況、判斷學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展情況，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)探究、討論總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)學(xué)生的行為進(jìn)行觀察，并依據(jù)觀察結(jié)果對(duì)學(xué)生表現(xiàn)與指標(biāo)的符合程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，分為非常符合、基本符合、一般、不符合、非常不符合等五項(xiàng)。

二、結(jié)果與分析

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)的開展情況

學(xué)生專業(yè)實(shí)踐場(chǎng)所包括專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。受現(xiàn)實(shí)情況影響，2020—2022年應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)頻率增加，主要集中于高年級(jí)的專業(yè)模塊課程和拓展課程，如“現(xiàn)代生物技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)”“發(fā)酵工程和現(xiàn)代生物儀器分析”等，而在2019年之前僅設(shè)立3個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，數(shù)量上差別明顯（見表1）。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)施安排表

虛實(shí)混合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)借助已有的軟件或公司的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選定部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。例如：現(xiàn)代生物技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括前后連續(xù)的六個(gè)實(shí)驗(yàn)：PCR法制備目的DNA、質(zhì)粒載體的制備、限制性內(nèi)切酶酶切實(shí)驗(yàn)、目的DNA與載體連接、重組質(zhì)粒DNA的轉(zhuǎn)化、瓊脂糖凝膠電泳的檢測(cè)。

虛實(shí)混合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要包括線上自主學(xué)習(xí)、模擬操作、現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等四個(gè)環(huán)節(jié)。教師將需要學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)要點(diǎn)文檔、操作要點(diǎn)視頻、PPT和教學(xué)大綱等資料在授課前一周上傳至學(xué)習(xí)通平臺(tái)或提供相應(yīng)的鏈接，督促學(xué)生在線預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、?nèi)容和步驟，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬操作，虛擬實(shí)驗(yàn)可以多次反復(fù)進(jìn)行，直至出現(xiàn)正確結(jié)果，再在線下完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求內(nèi)容完整，著重分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果。

（二）成績(jī)分析

學(xué)習(xí)成績(jī)是評(píng)價(jià)學(xué)生知識(shí)掌握情況的核心指標(biāo)，分為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和過(guò)程性評(píng)價(jià)：實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作（10%）、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄（10%）、實(shí)驗(yàn)操作（30%）、實(shí)驗(yàn)分析和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（50%）。虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)課程的平均分為80.04～85.87，優(yōu)良率（≥80 分）為76.04%～79.23%，及格率為100%，課程指標(biāo)達(dá)成度均在70%以上，反映出學(xué)生較好地掌握了實(shí)踐技能，而且進(jìn)一步開展了設(shè)計(jì)、操作、分析、歸納等高階思維操作環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐內(nèi)容與創(chuàng)新思維的有機(jī)融合，為科研能力的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（三）課堂觀察

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生表現(xiàn)積極主動(dòng)，能夠根據(jù)教師的要求預(yù)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可隨時(shí)利用移動(dòng)終端的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力不斷提升。在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在學(xué)期初提出的假設(shè)和制訂的實(shí)驗(yàn)方案有所欠缺，到學(xué)期末，大部分學(xué)生能夠通過(guò)合作和小組交流，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提出猜想和假設(shè)制訂較為完整的實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)期初和學(xué)期末學(xué)生回答問(wèn)題的積極性與參與度均較高，差異不明顯。學(xué)生在學(xué)期初存在實(shí)驗(yàn)儀器操作不規(guī)范、不熟練的現(xiàn)象，到學(xué)期末有85%以上的學(xué)生能夠熟練、規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)儀器并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，特別是使用過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，通過(guò)反復(fù)多次觀看和演練實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，其操作能力顯著提高。在互動(dòng)環(huán)節(jié)，學(xué)期初學(xué)生小組成員之間能夠進(jìn)行交流合作，到學(xué)期末進(jìn)一步加強(qiáng)了合作能力。在歸納總結(jié)階段，學(xué)期初大部分學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)報(bào)告描述出結(jié)果即可，較少對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思和改進(jìn)，在學(xué)期末學(xué)生強(qiáng)化了反思意識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、結(jié)果、成敗原因進(jìn)行了反思并嘗試改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)課堂觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)過(guò)一學(xué)期的學(xué)習(xí)，在科學(xué)探究能力等方面有了明顯提高。隨著虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推進(jìn)，學(xué)生逐漸主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)探究，提高了科研探索的興趣。

（四）效能感知

前測(cè)和后測(cè)各發(fā)放問(wèn)卷81份，收回有效前測(cè)和后測(cè)問(wèn)卷均為75份。由學(xué)生前測(cè)和后測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，6個(gè)子能力的后測(cè)值與前測(cè)值相比均有所提高，并且學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、假設(shè)能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制訂方案能力、歸納分析能力的前測(cè)與后測(cè)數(shù)據(jù)之間存在顯著差異；獲取、處理信息能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力差異不顯著。大部分學(xué)生認(rèn)為虛實(shí)混合的教學(xué)模式明顯提高了發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力，對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科研有啟發(fā)作用。在交流反饋階段，通過(guò)教師對(duì)學(xué)生優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的點(diǎn)評(píng)和其他學(xué)生的建議，引導(dǎo)對(duì)科研感興趣的學(xué)生修改完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并鼓勵(lì)他們參與教師的科研課題，鍛煉科研思維能力。鼓勵(lì)和幫助學(xué)生展示成果、積極申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021—2022年該專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目獲得國(guó)家級(jí)立項(xiàng)3項(xiàng)、省級(jí)立項(xiàng)5項(xiàng)，15次獲得大創(chuàng)比賽獲獎(jiǎng)，實(shí)踐能力得到了有效提升。

（五）情感分析

調(diào)查問(wèn)卷涉及滿意度和興趣兩個(gè)方面，共10道題。從參與虛實(shí)混合教學(xué)模式的學(xué)生反饋來(lái)看，85%以上的學(xué)生滿意這種混合式教學(xué)方式和內(nèi)容，認(rèn)為虛擬仿真和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的內(nèi)容設(shè)置合理，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)間靈活、教學(xué)效果好。學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真項(xiàng)目能夠促進(jìn)課前預(yù)習(xí)，提供更多的學(xué)習(xí)資料，可以針對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在課前、課后進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，有助于學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)技能的提升。通過(guò)線上虛擬仿真和線下實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作前完成相關(guān)理論知識(shí)和虛擬操作，大大增加了學(xué)生參與線下實(shí)驗(yàn)操作的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生開展科研實(shí)驗(yàn)的熱情。調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果顯示，90%以上的學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)感興趣，愿意開展虛實(shí)混合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式?？梢?，虛實(shí)混合符合大部分學(xué)生的內(nèi)在需求，獲得了多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可，帶來(lái)了良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)生提出虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和操作方式還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

三、結(jié)論與建議

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利于學(xué)生深度參與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐技能、創(chuàng)新能力及科研素質(zhì)等方面起到了非常重要的作用。教師將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在課前通過(guò)學(xué)習(xí)通等學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)放給學(xué)生并隨機(jī)分組進(jìn)行討論，學(xué)生在課前能夠深入了解實(shí)驗(yàn)課的主要內(nèi)容，帶著疑問(wèn)自主搜索相關(guān)信息，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并解決問(wèn)題。通過(guò)虛擬仿真項(xiàng)目，課前模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容，初步掌握實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)原理。課上以小組為單位進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)探究，并結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行生生、師生探討，升華實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完善實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果，有效增強(qiáng)學(xué)生的成就感，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，開闊科研視野，也有助于教師提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間的利用效率。

（二）虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效地培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維和動(dòng)手能力

大部分學(xué)生對(duì)混合式教學(xué)表示滿意，認(rèn)為課程設(shè)置合理，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，理論知識(shí)內(nèi)化效果好，實(shí)驗(yàn)操作能力有明顯提高，加深了課堂教學(xué)參與度，學(xué)習(xí)后有收獲，能夠掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和科研技能，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力明顯提高，對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科研有啟發(fā)作用。實(shí)驗(yàn)操作主要顯示了學(xué)生的動(dòng)手能力、理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用。從調(diào)查結(jié)果來(lái)看，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)優(yōu)良率高，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的把握、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的熟悉度均表現(xiàn)良好，可見課前的線上學(xué)習(xí)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作十分必要。

（三）虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于提高學(xué)生的協(xié)作和溝通表達(dá)能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)提倡探究發(fā)現(xiàn)式教學(xué)方法，不僅著重于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和科研思維能力的提升，也有效鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力、溝通能力、邏輯思維能力，而且教師組織并推動(dòng)學(xué)生針對(duì)預(yù)先設(shè)置的開放性問(wèn)題進(jìn)行組內(nèi)討論和組間討論，能夠較好地增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，在團(tuán)隊(duì)合作中提升自身價(jià)值。通過(guò)虛與實(shí)的結(jié)合、線上與線下的交互，學(xué)生才能更深刻地理解實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)，并且通過(guò)線下實(shí)驗(yàn)操作更好地樹立科研思維，加之師生之間面對(duì)面的討論交流，激發(fā)了學(xué)生的靈感，有利于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究、創(chuàng)新的意識(shí)，確保了人才培養(yǎng)中創(chuàng)新能力持續(xù)提升。

（四）虛實(shí)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要進(jìn)一步優(yōu)化

一是優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源需要進(jìn)一步開發(fā)。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，開展的教學(xué)活動(dòng)還不夠豐富，需要學(xué)院進(jìn)一步建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)資源。二是教師的教學(xué)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步提升。例如，如何高效地銜接虛擬和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置與時(shí)間安排，怎樣進(jìn)一步增加教學(xué)互動(dòng)、提升教學(xué)質(zhì)量等。

為了達(dá)到預(yù)想中的學(xué)習(xí)效果，在今后的教學(xué)實(shí)踐中，要完善虛實(shí)混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的評(píng)價(jià)體系并及時(shí)解決疑難問(wèn)題，督促學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)，同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分層輔導(dǎo)，對(duì)具有科研潛質(zhì)的學(xué)生加以督促，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目的。