这个世界需要有热衷于科学和拥有科学能力的年轻人，并立志以科学作为他们未来的事业。为此，我们要让他们有机会参与一些能够激发兴趣的科学体验。如今，学生们可以利用数据采集技术、科学模型和科学理论等工具，在实体实验室或虚拟实验室对一些科学现象进行探究。本文通过一些文献资料，对实体实验室和虚拟实验室的价值进行对照，并就两种形式的结合以加强科学学习提出一些建议。
虚拟实验可以帮助学生将难以观察到的现象与可视现象联系起来，提升其归纳总结能力
研究表明，与传统的课堂教学和演示相比较，探究性学习已显示出其明显优势，为学生通过数据采集技术、模型和理论等工具与实体物质世界直接接触提供了机会。然而，如今由计算机技术支撑的虚拟实验室，亦可对实体材料和设备进行模拟，但存有争议。我们是否应对虚拟实验室的价值给予应有的位置，将是本文探讨的主题。
实体实验室与虚拟实验室的功能
实体实验室和虚拟实验室的共性目标有，探索科学性质、开发团队工作能力、培养对科学的兴趣、促进对概念的理解，以及提升科学调研能力等，但两者也有各自的某些特定功能。
利用实体实验室装备，可培养学生掌握一些实用的实验室技能，比如设备调试、机械故障排除、较长时间观察等实验，学生们从中不仅体验到科学家在规划实验中所面临的挑战，同时还可以充分利用触觉信息，提高对理性知识的认识。
虚拟实验室可以对现实进行“改编剪辑”，设计者通过突出或强调主题信息，去除某些令人困惑的细节，以达到简化学习的目的，包括对一些模拟特征进行修改，如时间尺度，以及对某些肉眼不可见的现象进行观察，如化学反应、热力学、电学现象等（比如，学生们可以改变在光源和屏幕之间传播的光线的性质）。在虚拟实验室中，还可以培养学生们将一些难以观察到的过程与用符号表达的方程式及可观察到的现象联系起来，以此提升他们对不同现象归纳总结的能力。
虚拟实验通常实验设置时间较少，并可瞬时获得详细的实验结果，实验效率高于实体实验。与实体实验相比，花同样的时间，学生们可做更多的实验、获得更多的信息。但在两次实验的间隔中，实体实验可以激励学生精心思考下一步的实验步骤。
最后，在实体实验中，学生们可以更深刻地体验到科学实验的复杂性，学会如何处理测量误差等突发性事件。相比之下，在虚拟实验中，学生感受不到实验装置出现异常或难以预料结果的影响。当然，虚拟环境中也可以人为设置测量误差，但如何确保这类设置的真实性仍需仔细推敲。
无论是实体实验还是虚拟实验，只要按计划推进，都可以区分学生对某一实验结果的预测，即哪些是他们自己的想法，哪些是经研究调查证明了的东西，学生从中可以学到许多东西。比如在虚拟实验中，计算机技术在记录下学生交互反应的同时，会及时提示学生修改实验策略。而教师则通过学生的实验记录了解到他们的想法，便于开展课堂讨论和计划下一步的教学计划，并确定哪些学生需要进行专门的辅导。
实体实验与虚拟实验研究比较
虚拟实验：OptiLab（光学实验室）软件可显示不可见光线，以帮助学生更好地理解光的行为，如光是如何传播的、光在遇到障碍物或着色醋酸盐时会产生什么现象，以及光线是由哪些色彩组成的等。Optilab环境可为学生提供一个虚拟工作台进行实验，用一些虚拟的物体（如立方块和金属环等）来构建实验装备，用于进行属性分析的虚拟材料（如彩色光源、颜色过滤器等）、虚拟工具器械（如直尺等）和显示设备（如屏幕）。学生可以通过直接操纵虚拟物体、材料和仪器来构建他们自己的虚拟实验任务。该软件可同时产生三个光源；在光源和屏幕之间添加尽可能多所需要的物体；改变对象、材料和实验装置之间的距离；改变实验装置的观察角度。该软件通过显示（屏幕和光线），在整个实验过程中提供反馈信息
许多针对实体实验室与虚拟实验室的比较研究报告称，两者之间并无显著差异。例如，相关人员对热交换、质量传递和增湿进行了虚拟和实体比较研究，即在分别利用这两类实验装置的化学工程学生的测试中，发现他们在测量技术和概念理解上的成绩并无差异。在获得性概念知识学习中，即在四五年级学生学习弹簧性能的实验中，也未发现两者之间存有差异。研究还表明，除了学生（尤其是年幼的孩子）之外，触觉型信息对于概念性知识和探究性技能的发展似乎并非必要条件。但之前对相关现象和概念没有体验的年幼儿童（5岁～6岁之间）在学习平衡木原理时，从实体实验室获得的知识比从虚拟实验室更多。
许多研究显示，与对可观察现象进行实验的实体实验相比，虚拟的、互动式的探究在一些难以觉察到现象的实验中显然更具优势。比如，进行电路虚拟实验的学生，概念性知识的获得要比使用实体材料的学生更多。同样，使用虚拟光学材料研究光学现象的学生，也比那些使用实体材料的学生的成绩更好。研究表明，在虚拟实验中，学生可轻易将一些复杂实验的变量分离开来，而在实体实验中难以做到这一点。
鉴于虚拟实验可产生更为明确的数据，其支持概念性知识获得的观点已被研究证实。比如，利用虚拟现实做化学实验的中学一年级学生，在相关概念的理解上，要比用实物进行化学实验的同学更胜一筹。
就互补性而言，两种实验都有各自的优势。虚拟实验可让学生发现和进行一些在实体实验中难以察觉的现象和无法进行的实验，比如，将观察结果与原子行为联系起来，或对同一现象的不同描述进行对照等。然而，当教学目的是让学生获得对某个复杂学科的认识，包括获得某些实用技能等，实体实验室的优势就显现出来了。
实体实验与虚拟实验的结合
有研究人员发现，在对某个概念的测试成绩上，做实体实验的微生物系学生，其成绩不如做同样实验（模拟实验）的学生。然而，在对热量和温度概念的理解上，两者实验都做的学生，其成绩显然优于单一实验的学生。比如，就六年级学生在电路概念性知识学习上，两者结合进行实验的学生比单独虚拟实验的学生更具优势。对学习录像分析后，发现学生可对同一现象的两种不同表现使用抽象推理，包括在电路知识的理解方面，也是如此。
两者结合的实验优势也不受顺序的影响。比如，在DNA凝胶电泳现象研究中发现，先虚拟后实体与先实体后虚拟相比，前者拥有很小但并无关紧要的优势。包括对滑轮概念理解的研究中，也证明两者的顺序在学习效果方面并无差异。
虚拟实验和实体实验的结合可提供单一实验本身所不具备的优势，可满足科学课程学习的需要，让学生从中掌握数据收集技术、建立科学模型和验证科学理论等。虚拟实验，可让学生通过探索不可见现象，加深对实体实验的领悟，并将可观察现象与不可观察现象联系起来，使学生在较短时间内可进行多次实验的同时，接受提供在线的、可自适应的指导。
除了提高概念性知识等，虚拟实验还具有替代实体实验的成本效益优势，进行一些财力无法提供的实验系统（如网上气囊实验项目），给予学生更多的实验机会或实体实验无法进行的实验，比如，地球磁场的改变、温室气体的累积变化，以及对极端心率和血压的研究等实验。
气囊实验：在网络科学环境调查的气囊实验中，让学生进行一项虚拟实验：车祸中因气囊而导致伤害的条件。实验中，学生对一些变量（如司机的身高等）进行预测，对推测结果进行测试，对实验记录进行评论，并对推理过程进行解释。教师通过在线工具掌握学生取得的进展，及时给予指导
未来的挑战与机遇
创建一个学习效果最大化的网络环境，即针对学生个体的数据，开展适合他们理解阶段的虚拟实验，为学生提供个性化指导的在线环境，以达到虚拟实验和实体实验之间的平衡。就具体情况而定，虚拟与实体两者的结合很可能是一种最优化的选择。
在对概念的理解上，虚拟实验可以等同于或超越实体实验，但亲手实验带来的兴奋感对学生的激励作用也值得关注。对虚拟实验和实体实验的比较研究，主要是对科学现象概念的理解和科学实践的影响进行评估，其他一些影响，如学生是否对科学学科产生兴趣等，也值得探究。同时，对教师在虚拟实验和实体实验中的教学技能或教学方法进行鉴别，目的在于建立一个专业的科学发展计划，包括从学生在线作业中获得的信息改进教学方式。
对虚拟实验和实体实验的决策要细致慎重。显然，虚拟实验与实体实验优势各异，设计者要充分利用这两种实验的优势，确保学生从中获得最大收益。无论哪种实验设计，都需要跨学科团队的指导，对课程设置反复进行斟酌，以此优化教学课程的设计。
在线虚拟实验的机会正日显增多。例如，欧盟资助的一些研究则利用从欧洲核子中心（CERN）的粒子加速器或欧洲航天局（ESA）卫星获取的数据用于学校教育。此外，一些远程实验室的开放，让更多人有机会在线访问，这些都促进了项目的进展或提出新的研究课题。
资料来源Science
责任编辑 则 鸣