一、實體實驗與虛擬實驗研究比較

許多針對實體實驗室與虛擬實驗室的比較研究報告稱，兩者之間并無顯著差異。例如，相關人員對熱交換、質量傳遞和增濕進行了虛擬和實體比較研究，即在分別利用這兩類實驗裝置的化學工程學生的測試中，發現他們在測量技術和概念理解上的成績并無差異。在獲得性概念知識學習中，即在四五年級學生學習彈簧性能的實驗中，也未發現兩者之間存有差異。

研究還表明，除了學生（尤其是年幼的孩子）之外，觸覺型信息對于概念性知識和探究性技能的發展似乎并非必要條件。但之前對相關現象和概念沒有體驗的年幼兒童（5歲～6歲之間）在學習平衡木原理時，從實體實驗室獲得的知識比從虛擬實驗室更多。許多研究顯示，與對可觀察現象進行實驗的實體實驗相比，虛擬的、互動式的探究在一些難以覺察到現象的實驗中顯然更具優勢。比如，進行電路虛擬實驗的學生，概念性知識的獲得要比使用實體材料的學生更多。同樣，使用虛擬光學材料研究光學現象的學生，也比那些使用實體材料的學生的成績更好。

研究表明，在虛擬實驗中，學生可輕易將一些復雜實驗的變量分離開來，而在實體實驗中難以做到這一點。鑒于虛擬實驗可產生更為明確的數據，其支持概念性知識獲得的觀點已被研究證實。比如，利用虛擬現實做化學實驗的中學一年級學生，在相關概念的理解上，要比用實物進行化學實驗的同學更勝一籌。就互補性而言，兩種實驗都有各自的優勢。虛擬實驗可讓學生發現和進行一些在實體實驗中難以察覺的現象和無法進行的實驗，比如，將觀察結果與原子行為聯系起來，或對同一現象的不同描述進行對照等。然而，當教學目的是讓學生獲得對某個復雜學科的認識，包括獲得某些實用技能等，實體實驗室的優勢就顯現出來了。

二、實體實驗與虛擬實驗的結合

有研究人員發現，在對某個概念的測試成績上，做實體實驗的微生物系學生，其成績不如做同樣實驗（模擬實驗）的學生。然而，在對熱量和溫度概念的理解上，兩者實驗都做的學生，其成績顯然優于單一實驗的學生。比如，就六年級學生在電路概念性知識學習上，兩者結合進行實驗的學生比單獨虛擬實驗的學生更具優勢。對學習錄像分析后，發現學生可對同一現象的兩種不同表現使用抽象推理，包括在電路知識的理解方面，也是如此。兩者結合的實驗優勢也不受順序的影響。比如，在DNA凝膠電泳現象研究中發現，先虛擬后實體與先實體后虛擬相比，前者擁有很小但并無關緊要的優勢。包括對滑輪概念理解的研究中，也證明兩者的順序在學習效果方面并無差異。

虛擬實驗和實體實驗的結合可提供單一實驗本身所不具備的優勢，可滿足科學課程學習的需要，讓學生從中掌握數據收集技術、建立科學模型和驗證科學理論等。虛擬實驗，可讓學生通過探索不可見現象，加深對實體實驗的領悟，并將可觀察現象與不可觀察現象聯系起來，使學生在較短時間內可進行多次實驗的同時，接受提供在線的、可自適應的指導。除了提高概念性知識等，虛擬實驗還具有替代實體實驗的成本效益優勢，進行一些財力無法提供的實驗系統（如網上氣囊實驗項目），給予學生更多的實驗機會或實體實驗無法進行的實驗，比如，地球磁場的改變、溫室氣體的累積變化，以及對極端心率和血壓的研究等實驗。

三、未來的挑戰與機遇

創建一個學習效果最大化的網絡環境，即針對學生個體的數據，開展適合他們理解階段的虛擬實驗，為學生提供個性化指導的在線環境，以達到虛擬實驗和實體實驗之間的平衡。就具體情況而定，虛擬與實體兩者的結合很可能是一種最優化的選擇。在對概念的理解上，虛擬實驗可以等同于或超越實體實驗，但親手實驗帶來的興奮感對學生的激勵作用也值得關注。

對虛擬實驗和實體實驗的比較研究，主要是對科學現象概念的理解和科學實踐的影響進行評估，其他一些影響，如學生是否對科學學科產生興趣等，也值得探究。同時，對教師在虛擬實驗和實體實驗中的教學技能或教學方法進行鑒別，目的在于建立一個專業的科學發展計劃，包括從學生在線作業中獲得的信息改進教學方式。

對虛擬實驗和實體實驗的決策要細致慎重。顯然，虛擬實驗與實體實驗優勢各異，設計者要充分利用這兩種實驗的優勢，確保學生從中獲得最大收益。無論哪種實驗設計，都需要跨學科團隊的指導，對課程設置反復進行斟酌，以此優化教學課程的設計。

在線虛擬實驗的機會正日顯增多。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）衛星獲取的數據用于學校教育。此外，一些遠程實驗室的開放，讓更多人有機會在線訪問，這些都促進了項目的進展或提出新的研究課題。

作者：方陵生