一、實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)研究比較
許多針對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室與虛擬實(shí)驗(yàn)室的比較研究報(bào)告稱，兩者之間并無顯著差異。例如，相關(guān)人員對(duì)熱交換、質(zhì)量傳遞和增濕進(jìn)行了虛擬和實(shí)體比較研究，即在分別利用這兩類實(shí)驗(yàn)裝置的化學(xué)工程學(xué)生的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)他們?cè)跍y(cè)量技術(shù)和概念理解上的成績并無差異。在獲得性概念知識(shí)學(xué)習(xí)中，即在四五年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)彈簧性能的實(shí)驗(yàn)中，也未發(fā)現(xiàn)兩者之間存有差異。
研究還表明，除了學(xué)生（尤其是年幼的孩子）之外，觸覺型信息對(duì)于概念性知識(shí)和探究性技能的發(fā)展似乎并非必要條件。但之前對(duì)相關(guān)現(xiàn)象和概念沒有體驗(yàn)的年幼兒童（5歲～6歲之間）在學(xué)習(xí)平衡木原理時(shí)，從實(shí)體實(shí)驗(yàn)室獲得的知識(shí)比從虛擬實(shí)驗(yàn)室更多。許多研究顯示，與對(duì)可觀察現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)相比，虛擬的、互動(dòng)式的探究在一些難以覺察到現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中顯然更具優(yōu)勢(shì)。比如，進(jìn)行電路虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，概念性知識(shí)的獲得要比使用實(shí)體材料的學(xué)生更多。同樣，使用虛擬光學(xué)材料研究光學(xué)現(xiàn)象的學(xué)生，也比那些使用實(shí)體材料的學(xué)生的成績更好。
研究表明，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可輕易將一些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的變量分離開來，而在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中難以做到這一點(diǎn)。鑒于虛擬實(shí)驗(yàn)可產(chǎn)生更為明確的數(shù)據(jù)，其支持概念性知識(shí)獲得的觀點(diǎn)已被研究證實(shí)。比如，利用虛擬現(xiàn)實(shí)做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的中學(xué)一年級(jí)學(xué)生，在相關(guān)概念的理解上，要比用實(shí)物進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的同學(xué)更勝一籌。就互補(bǔ)性而言，兩種實(shí)驗(yàn)都有各自的優(yōu)勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行一些在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中難以察覺的現(xiàn)象和無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，比如，將觀察結(jié)果與原子行為聯(lián)系起來，或?qū)ν滑F(xiàn)象的不同描述進(jìn)行對(duì)照等。然而，當(dāng)教學(xué)目的是讓學(xué)生獲得對(duì)某個(gè)復(fù)雜學(xué)科的認(rèn)識(shí)，包括獲得某些實(shí)用技能等，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了。
二、實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)合
有研究人員發(fā)現(xiàn)，在對(duì)某個(gè)概念的測(cè)試成績上，做實(shí)體實(shí)驗(yàn)的微生物系學(xué)生，其成績不如做同樣實(shí)驗(yàn)（模擬實(shí)驗(yàn)）的學(xué)生。然而，在對(duì)熱量和溫度概念的理解上，兩者實(shí)驗(yàn)都做的學(xué)生，其成績顯然優(yōu)于單一實(shí)驗(yàn)的學(xué)生。比如，就六年級(jí)學(xué)生在電路概念性知識(shí)學(xué)習(xí)上，兩者結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比單獨(dú)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)生更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)學(xué)習(xí)錄像分析后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生可對(duì)同一現(xiàn)象的兩種不同表現(xiàn)使用抽象推理，包括在電路知識(shí)的理解方面，也是如此。兩者結(jié)合的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)也不受順序的影響。比如，在DNA凝膠電泳現(xiàn)象研究中發(fā)現(xiàn)，先虛擬后實(shí)體與先實(shí)體后虛擬相比，前者擁有很小但并無關(guān)緊要的優(yōu)勢(shì)。包括對(duì)滑輪概念理解的研究中，也證明兩者的順序在學(xué)習(xí)效果方面并無差異。
虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的結(jié)合可提供單一實(shí)驗(yàn)本身所不具備的優(yōu)勢(shì)，可滿足科學(xué)課程學(xué)習(xí)的需要，讓學(xué)生從中掌握數(shù)據(jù)收集技術(shù)、建立科學(xué)模型和驗(yàn)證科學(xué)理論等。虛擬實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生通過探索不可見現(xiàn)象，加深對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)悟，并將可觀察現(xiàn)象與不可觀察現(xiàn)象聯(lián)系起來，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，接受提供在線的、可自適應(yīng)的指導(dǎo)。除了提高概念性知識(shí)等，虛擬實(shí)驗(yàn)還具有替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)的成本效益優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行一些財(cái)力無法提供的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如網(wǎng)上氣囊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目），給予學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)或?qū)嶓w實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，比如，地球磁場(chǎng)的改變、溫室氣體的累積變化，以及對(duì)極端心率和血壓的研究等實(shí)驗(yàn)。
三、未來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
創(chuàng)建一個(gè)學(xué)習(xí)效果最大化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即針對(duì)學(xué)生個(gè)體的數(shù)據(jù)，開展適合他們理解階段的虛擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供個(gè)性化指導(dǎo)的在線環(huán)境，以達(dá)到虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)之間的平衡。就具體情況而定，虛擬與實(shí)體兩者的結(jié)合很可能是一種最優(yōu)化的選擇。在對(duì)概念的理解上，虛擬實(shí)驗(yàn)可以等同于或超越實(shí)體實(shí)驗(yàn)，但親手實(shí)驗(yàn)帶來的興奮感對(duì)學(xué)生的激勵(lì)作用也值得關(guān)注。
對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的比較研究，主要是對(duì)科學(xué)現(xiàn)象概念的理解和科學(xué)實(shí)踐的影響進(jìn)行評(píng)估，其他一些影響，如學(xué)生是否對(duì)科學(xué)學(xué)科產(chǎn)生興趣等，也值得探究。同時(shí)，對(duì)教師在虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)技能或教學(xué)方法進(jìn)行鑒別，目的在于建立一個(gè)專業(yè)的科學(xué)發(fā)展計(jì)劃，包括從學(xué)生在線作業(yè)中獲得的信息改進(jìn)教學(xué)方式。
對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的決策要細(xì)致慎重。顯然，虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)各異，設(shè)計(jì)者要充分利用這兩種實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，確保學(xué)生從中獲得最大收益。無論哪種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，都需要跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)，對(duì)課程設(shè)置反復(fù)進(jìn)行斟酌，以此優(yōu)化教學(xué)課程的設(shè)計(jì)。
在線虛擬實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)正日顯增多。例如，歐盟資助的一些研究則利用從歐洲核子中心（CERN）的粒子加速器或歐洲航天局（ESA）衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)用于學(xué)校教育。此外，一些遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的開放，讓更多人有機(jī)會(huì)在線訪問，這些都促進(jìn)了項(xiàng)目的進(jìn)展或提出新的研究課題。
作者：方陵生