虚实混合在生物学实验教学中的应用及效果评价

张保石，贾晓梅，苗晓燕

（保定学院 生物化工与环境工程学院，河北 保定 071000）

虚拟实验具有开放性、交互性、便捷性、利用率高、易维护等优点，在教学中可以代替高成本、高危、高复杂程度的实验，可以实现异地使用和资源共享［1］，且注重学生创新和实践能力的培养，在国内教育领域，特别是高校中的应用越来越受到重视，成为强化实验室建设、改革实验教学手段的重要发展方向。《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提出，推进信息技术与教学深度融合。建设智能化教学环境，提供优质数字教育资源和软件工具，利用信息技术开展启发式、探究式、讨论式、参与式教学，鼓励发展性评价，探索建立以学习者为中心的教学新模式［2］。近年来，国内的许多高校根据自身科研和教学的需求建立了虚拟实验室。2017年，教育部办公厅发布了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》［3］，对高等教育中应用虚拟仿真实验教学起到了良好的推动作用［4］。

生物学是以实验为基础的学科，在专业培养方案中，生物实验是极其重要的一部分。实验设计、操作、观察和探究等环节对学生掌握生物学知识、科学探究方法和培养学生实践创新能力具有重要的作用。高校生物专业的实验类型有验证性、设计性、综合性实验，其内容包含操作技能、创新思维、科研能力的培养。有的内容可通过传统的实验满足，但是有的内容由于危险系数过高、课堂时间有限、环境条件制约、设备不足、实验现象不明显、学生实验操作能力不足等原因，使得学生难以进行多次重复的实验或实验难以达到理想的效果，因此学生实践创新能力的有效提升受到了一定的制约。而利用虚拟实验可以解决常规方法难以解决的疑难问题，学生能够模拟操作一些真实环境中难以实施的实验，让学生参与到设计实验、选择实验用具、实施实验、收集数据、改进升华、总结分析和得出结论等实践环节中，在实践过程中逐步培养和提高学生的实践创新能力。

近年来，线上线下相结合的教学方式进一步推动了虚拟实验在教学中的应用，因此在生物实验中根据“虚实混合”的原则，将虚拟实验应用于教学实践，初步探讨其应用效果。

（一）研究对象

选取保定学院生物科学专业三年级学生共81人作为研究对象，调查学生和授课教师进行虚实混合式学习与教学的开展情况。

（二）研究方法

教学效果评价是反映教学模式质量的关键要素，为了客观地体现虚实混合的教学效果，应用和评价设定来自学业成绩、过程表现、效能感知和情感体验等四个方面，学业成绩和过程表现由进行虚实混合教学的主讲教师提供，计算平均成绩；
效能感知、情感体验和过程表现通过学生问卷调查、访谈和教师课堂观察获得。

1.问卷调查法。针对学生的效能认知和情感体验评价设置了调查问卷。效能认知分为协作能力、自主学习能力、创新性思维能力、获取处理信息能力、实验探究能力、归纳分析能力等六个维度；
情感体验主要考查学生的满意度和兴趣。在虚实混合实验开始前和结束后分别对参与混合式教学模式的学生进行问卷调查，以评价虚实混合教学模式对学生实践技能和学习兴趣的影响。

2.访谈法。为了解教师对虚实混合实验教学的看法、虚实混合教学实施情况、教学实践过程中存在的问题和学生在科学探究过程中的表现等问题，需与实验任课教师依据访谈提纲进行访谈调查。

3.课堂观察法。为了解学生在课堂教学过程中的表现情况、判断学生科学探究能力的发展情况，在实验预习、实验探究、讨论总结教学环节中对学生的行为进行观察，并依据观察结果对学生表现与指标的符合程度进行评价，分为非常符合、基本符合、一般、不符合、非常不符合等五项。

（一）虚拟实验的开展情况

学生专业实践场所包括专业实验室和虚拟仿真实验室。受现实情况影响，2020—2022年应用虚拟实验频率增加，主要集中于高年级的专业模块课程和拓展课程，如“现代生物技术综合实验”“发酵工程和现代生物仪器分析”等，而在2019年之前仅设立3个虚拟实验内容，数量上差别明显（见表1）。

表1 虚拟实验实施安排表

虚实混合的实验教学借助已有的软件或公司的在线虚拟仿真实验项目，选定部分实验进行虚拟实验环节设计。例如：现代生物技术综合实验的内容包括前后连续的六个实验：PCR法制备目的DNA、质粒载体的制备、限制性内切酶酶切实验、目的DNA与载体连接、重组质粒DNA的转化、琼脂糖凝胶电泳的检测。

虚实混合的实验设计主要包括线上自主学习、模拟操作、现实实验活动、完成实验报告等四个环节。教师将需要学习的实验知识要点文档、操作要点视频、PPT和教学大纲等资料在授课前一周上传至学习通平台或提供相应的链接，督促学生在线预习，熟悉实验目的、原理、内容和步骤，在此基础上进行模拟操作，虚拟实验可以多次反复进行，直至出现正确结果，再在线下完成相应实验。实验报告要求内容完整，着重分析实验现象或结果。

（二）成绩分析

学习成绩是评价学生知识掌握情况的核心指标，分为虚拟实验平台的数据分析结果和过程性评价：实验报告写作（10%）、虚拟实验平台记录（10%）、实验操作（30%）、实验分析和创新实验设计（50%）。虚实混合实验课程的平均分为80.04～85.87，优良率（≥80 分）为76.04%～79.23%，及格率为100%，课程指标达成度均在70%以上，反映出学生较好地掌握了实践技能，而且进一步开展了设计、操作、分析、归纳等高阶思维操作环节，从而实现了实践内容与创新思维的有机融合，为科研能力的进一步发展奠定了基础。

（三）课堂观察

在进行实验学习的过程中，学生表现积极主动，能够根据教师的要求预习并完成实验，学生可随时利用移动终端的虚拟实验平台进行反复学习，主动学习的意识和能力不断提升。在实验学习环节中，学生在学期初提出的假设和制订的实验方案有所欠缺，到学期末，大部分学生能够通过合作和小组交流，利用虚拟仿真实验提出猜想和假设制订较为完整的实验方案。学期初和学期末学生回答问题的积极性与参与度均较高，差异不明显。学生在学期初存在实验仪器操作不规范、不熟练的现象，到学期末有85%以上的学生能够熟练、规范操作实验仪器并获取实验数据，特别是使用过虚拟实验的学生，通过反复多次观看和演练实验操作要点，其操作能力显著提高。在互动环节，学期初学生小组成员之间能够进行交流合作，到学期末进一步加强了合作能力。在归纳总结阶段，学期初大部分学生认为实验报告描述出结果即可，较少对实验进行反思和改进，在学期末学生强化了反思意识，对实验过程、结果、成败原因进行了反思并尝试改进实验。经过课堂观察发现，学生经过一学期的学习，在科学探究能力等方面有了明显提高。随着虚实混合实验教学的推进，学生逐渐主动参与实验探究，提高了科研探索的兴趣。

（四）效能感知

前测和后测各发放问卷81份，收回有效前测和后测问卷均为75份。由学生前测和后测数据对比可知，6个子能力的后测值与前测值相比均有所提高，并且学生的自主学习能力、假设能力、设计实验和制订方案能力、归纳分析能力的前测与后测数据之间存在显著差异；
获取、处理信息能力和团结协作能力差异不显著。大部分学生认为虚实混合的教学模式明显提高了发现和解决问题的能力，对创新实验设计和科研有启发作用。在交流反馈阶段，通过教师对学生优秀实验设计的点评和其他学生的建议，引导对科研感兴趣的学生修改完善实验设计，并鼓励他们参与教师的科研课题，锻炼科研思维能力。鼓励和帮助学生展示成果、积极申报大学生创新创业训练项目，有效培养学生的创新思维和动手能力。据统计，2021—2022年该专业学生创新创业项目获得国家级立项3项、省级立项5项，15次获得大创比赛获奖，实践能力得到了有效提升。

（五）情感分析

调查问卷涉及满意度和兴趣两个方面，共10道题。从参与虚实混合教学模式的学生反馈来看，85%以上的学生满意这种混合式教学方式和内容，认为虚拟仿真和现实实验结合的内容设置合理，虚拟实验平台时间灵活、教学效果好。学生认为实验教学中应用虚拟仿真项目能够促进课前预习，提供更多的学习资料，可以针对重点和难点在课前、课后进行反复练习，有助于学生主动学习能力的培养和实验技能的提升。通过线上虚拟仿真和线下实验操作相结合，使学生在实验操作前完成相关理论知识和虚拟操作，大大增加了学生参与线下实验操作的积极性，培养了学生开展科研实验的热情。调查问卷结果显示，90%以上的学生对生物实验感兴趣，愿意开展虚实混合的实验教学方式。可见，虚实混合符合大部分学生的内在需求，获得了多数学生的认可，带来了良好的学习体验。同时，学生提出虚拟实验的内容和操作方式还需要进一步改进。

（一）虚拟仿真实验利于学生深度参与实验

实验教学是生物教学的重要组成部分，在培养大学生的实践技能、创新能力及科研素质等方面起到了非常重要的作用。教师将实验教学内容在课前通过学习通等学习平台发放给学生并随机分组进行讨论，学生在课前能够深入了解实验课的主要内容，带着疑问自主搜索相关信息，自主设计实验验证并解决问题。通过虚拟仿真项目，课前模拟实验相关内容，初步掌握实验操作及实验原理。课上以小组为单位进行实际实验探究，并结合虚拟实验和现实实验的现象，对出现的问题进行生生、师生探讨，升华实验设计，完善实验分析和结果，有效增强学生的成就感，激发学生的科研兴趣，开阔科研视野，也有助于教师提高实验教学时间的利用效率。

（二）虚实混合实验教学有效地培养了学生的科研思维和动手能力

大部分学生对混合式教学表示满意，认为课程设置合理，学习目标明确，理论知识内化效果好，实验操作能力有明显提高，加深了课堂教学参与度，学习后有收获，能够掌握基本的实验技能和科研技能，发现问题和解决问题的能力明显提高，对创新实验设计和科研有启发作用。实验操作主要显示了学生的动手能力、理论知识的掌握和应用。从调查结果来看，学生实验成绩优良率高，学生对理论知识的把握、实验过程的熟悉度均表现良好，可见课前的线上学习及虚拟仿真实验模拟操作十分必要。

（三）虚实混合实验教学有助于提高学生的协作和沟通表达能力

实验教学提倡探究发现式教学方法，不仅着重于学生实验技能和科研思维能力的提升，也有效锻炼了学生的语言表达能力、沟通能力、逻辑思维能力，而且教师组织并推动学生针对预先设置的开放性问题进行组内讨论和组间讨论，能够较好地增强学生的团队意识，在团队合作中提升自身价值。通过虚与实的结合、线上与线下的交互，学生才能更深刻地理解实验的操作要点，并且通过线下实验操作更好地树立科研思维，加之师生之间面对面的讨论交流，激发了学生的灵感，有利于进一步培养学生主动探究、创新的意识，确保了人才培养中创新能力持续提升。

（四）虚实混合实验教学需要进一步优化

一是优质学习资源需要进一步开发。目前虚拟仿真实验项目有限，开展的教学活动还不够丰富，需要学院进一步建设虚拟实验资源。二是教师的教学设计需要进一步提升。例如，如何高效地衔接虚拟和现实实验内容的设置与时间安排，怎样进一步增加教学互动、提升教学质量等。

为了达到预想中的学习效果，在今后的教学实践中，要完善虚实混合式实验教学模式的评价体系并及时解决疑难问题，督促学生更深入地学习，同时对学生进行分层辅导，对具有科研潜质的学生加以督促，达到培养创新型人才的目的。

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