虚拟实验不是替代真实实验——虚实混合的底层逻辑

 

来源公众号：陈继才关于学习科学的文章　作者：陈继才

——给教研员的一张证据地图

◆ ◆ ◆

混合不是妥协，是最优解。

2026年，全国已经有多个省份的学校在使用虚拟实验平台。央馆虚拟实验推到了第四批试点。湖南长沙县3年投了近两亿，万兆光纤进了教室。安徽省濉溪县5月28日刚开了启动会。

但教研员心里有一个真实的问号——虚拟实验会不会取代真实实验？推荐的尺度在哪里？听课的时候怎么判断老师是用虚拟实验在”偷懒”还是”增效”？

这不是一个价值判断问题，是一个有明确答案的实证问题。截至目前，国际上至少有45项独立研究（两篇综述合并计算）专门检验了虚实结合的实验教学效果——答案是一致的：虚实混合，在教学设计得当的前提下，效果比任何一种单一模式都要好 。

◆ ◆ ◆

一、虚实混合，证据有多强？

先说最硬的证据。

2025年发表的一项元分析检索了Web of Science、Scopus和ERIC数据库，纳入27项独立研究（来自22篇论文），比较了三种实验教学模式的学习效果：纯真实实验、纯虚拟实验、以及虚实结合实验。结果很清楚——虚实结合组的学习效果超过了纯真实实验组和纯虚拟实验组。

三个月后，2025年Springer在同一方向发表了一篇系统综述，检索了2010年至2025年间ERIC、Education Source和Scopus三个数据库，纳入18篇实证研究。这篇综述的结论更具体：混合实验室（虚实结合）在适当教学设计下显著优于单一模态，但教师的决定权比技术更大——教学设计能力是效果的决定性因素。

换句话说：虚实结合本身不保证效果，怎么结合才是关键。

**备注：元分析（Meta-analysis）** 是一种统计方法，把多个独立研究的结果合并计算，得出一个综合效应量。比单篇研究的证据强度高得多。在教育研究中，元分析和系统综述被视为最高级别的证据。

更早的数据也在同一个方向。2022年，一项综合性元分析发现虚拟实验室对科学教育的学习效果有中等效应量（Hedges’ g = 0.587），显著优于纯传统教学。2024年，BSCS 5E模型元分析确认整体效应量在g = 0.55-0.65之间——注意，这个效应量指的是”精心设计的5E探究式教学”对学习的影响，如果加入了虚实结合的实验设计，效果可以进一步叠加 [7]。

**备注：效应量（Effect size）** 是衡量一个教学方法”有多大用”的通用指标。Cohen’s d 和 Hedges’ g 是两种最常用的效应量。教育研究中，g 0.4 算”中等效果”，g 0.8 算”大效果”——可以看到虚拟实验整体g = 0.587和5E模型g = 0.55-0.65都稳稳落在”中等偏上”，是值得认真推荐的水平。

把这些证据串起来，结论是清晰的：虚拟实验不是真实实验的降级替代——当它与真实实验以恰当的方式组合时，效果比任何一种单一模式都更好。

◆ ◆ ◆

二、三种混合序列，分别适合什么场景？

“虚实结合”不是一个动作，而是一组教学设计决策。2025年Springer的综述梳理出了三种已经被实证验证的混合序列 [5]，每一种适合不同的教学目标和实验类型。

▎序列一：先虚后实（V→R）——降低认知负荷

学生先在虚拟环境中熟悉实验仪器、操作流程、变量关系，再进入真实实验室动手操作。

为什么有效？ 认知负荷理论（Cognitive Load Theory）给了明确的解释。学生在真实实验室里要同时处理三件事：学仪器怎么用、学实验怎么操作、学科学概念怎么理解。这三股”认知负荷”叠加在一起，工作记忆很容易超载。

先做虚拟实验的好处是：学生在没有真实操作压力、没有时间限制、没有安全顾虑的环境里，先把手里的变量关系吃透。等进了实验室，他们手上已经知道怎么操作了，脑子就可以腾出来思考”为什么”。

**备注：认知负荷理论**由澳大利亚教育心理学家John Sweller在1980年代提出。核心观点：人类工作记忆的容量非常有限（一次只能处理2-4条信息），教学设计的目标是减少不必要的外部干扰，把有限的认知资源留给真正的学习。虚拟实验的”先虚后实”序列之所以有效，就是因为它把仪器操作的学习和科学概念的学习分开了——分批处理，而不是捆在一起塞给学生。

*最适合的场景：*

·复杂仪器操作（如化学滴定、电路连接、光学仪器校准）

·有安全风险的实验（如强酸强碱反应、高压电实验）

·需要可视化抽象概念的实验（如分子运动、电流方向、力的分解）

一个可操作的化学课例子： 学生先在NOBOOK平台上熟悉酸碱中和滴定的操作流程，反复练习”什么时候该慢滴、什么时候该快滴、什么时候该摇动锥形瓶”。等到进入真实实验室，学生已经掌握了基本的操作节奏，教师的重点就可以放在”为什么指示剂变色那一瞬间是关键”——而不是花半小时教学生怎么拿滴定管。

▎序列二：先实后虚（R→V）——巩固与拓展

学生先做真实的动手实验，获得触觉体验和直观感受，然后用虚拟实验进行重复练习和拓展探索。

为什么有效？ 真实实验受时间、器材、成本和安全性限制，学生通常只能做一到两遍。但很多实验技能需要多次重复才能巩固。虚拟实验恰好提供了”无限次重做”的条件——学生可以用虚拟平台重复练习30次、40次，调整不同参数、试不同条件、看不同结果，而不消耗任何试剂。

*最适合的场景：*

·需要多次重复才能熟练的操作（如显微镜调焦、电路故障排查）

·想探索”如果改变这个参数会怎样”但真实实验条件不支持（如提高温度、加大电压）

·课上做了实验，课后想复习的实验操作

一个可操作的物理课例子： 学生在实验室里搭了一个串联电路，测了电流电压，验证了欧姆定律。课上时间到了，收器材了。课后教师布置学生在NOBOOK物理平台上重复这个实验——但这次，学生要自己改变电压值，记录五组不同的数据，画I-V曲线，然后解释：为什么电阻不变的时候，电流和电压成正比？

▎序列三：课内融合——批判性思维的加速器

在同一节课内，虚实实验交替使用。比如：虚拟演示→真实测量→虚拟分析→真实汇报。

为什么有效？ 2025年Springer综述特别指出，课内融合模式在批判性思维提升上最为显著 [5]。因为它强迫学生在虚实之间来回切换，每次都要求他们判断：虚拟看到的现象是真的吗？真实测出的数据和虚拟预测一致吗？如果不一致，为什么？——这种”对比和质疑”的思维活动，是批判性思维的核心。

*最适合的场景：*

·探究性实验（不是验证性实验）

·希望培养科学思维而不仅仅是实验操作技能的课堂

·有争议性的科学现象（如”重的物体落得快还是轻的？”）

一个可操作的生物课例子： 教师在矩道VR上展示了一个生态系统的3D模拟——鱼、水草、细菌在水族箱里。学生观察3分钟，预测”如果温度升高5度，这个生态系统会怎样？”然后学生在虚拟平台上改动温度参数，记录种群数量的变化。最后回到全班讨论：你们的预测和虚拟实验结果一致吗？不一致的同学，你的预测逻辑哪里出了问题？

▎一张序列选择的决策表

教研员向教师推荐时，可以直接用这张表判断该选哪种序列：

实验特征	推荐序列	原因
仪器操作复杂/有安全隐患	先虚后实（V→R）	降低认知负荷+安全风险
需要大量重复练习	先实后虚（R→V）	真实体验建立基础，虚拟无限重复
探究开放性高、要培养批判性思维	课内融合	虚实交替制造认知冲突
课时紧张、实验器材不足	先虚后实（V→R）	虚拟预训节省实验室时间

◆ ◆ ◆

三、教研员可以做的三件事

证据有了，序列有了。教研员的角色从”要不要推荐虚拟实验”转为”怎么让老师用好虚实混合”。

第一件：换一套话术。 不要再说”虚拟实验是真实实验的补充”——这句话暗示虚拟是配角，真实是主角。正确的说法是：”这个实验用先虚后实的序列设计，目的是让学生在动手之前建立变量关系的直觉。”换这套话术的意义在于：它把教师的认知框架从”用虚拟偷懒”拨到”用虚拟做教学设计”。

第二件：听课时多问一个问题。 看到教师用虚拟实验，不要只问”用了什么软件？”要问：”你为什么这个环节用虚拟、那个环节用真实？”如果教师答不上来，说明他只是把虚拟当成替代实物的工具，没有做序列设计——这就是教研员可以切入指导的时刻。

第三件：做一次试点。 选一所学校、一个学科、三节课，帮教师重新设计虚实混合序列。第一节按原来的方式上（对照组），第二节用先虚后实的序列上（实验组），第三节用课内融合的方式上（实验组）。让教师自己看学生反馈的差异——数据比说教管用。

◆ ◆ ◆

四、一张教研员自查清单

*☐ 话术检查*

– 推荐虚拟实验时，有没有同时说明”序列”（先虚后实/先实后虚/课内融合）？

– 有没有避免”替代””补充”这类暗示虚实高下之分的词？

*☐ 听课检查*

– 教师使用虚拟实验时，有没有在真实实验之前/之后/之中明确的设计意图？

– 学生从虚拟到真实（或真实到虚拟）的过渡是否流畅？

– 教师有没有在虚实切换点做”为什么现在切换”的说明？

*☐ 培训检查*

– 教师培训中有没有用”三种序列”替代笼统的”虚实结合”？

– 有没有给教师提供”三种序列的典型课例”（至少一个视频+一份教学设计）？

◆ ◆ ◆

结语

虚拟实验和真实实验，从来不用争谁替代谁。27项研究的元分析说得很直接：怎么混合，比混合不混合，重要得多。

教研员手里最有用的工具，不是推荐某一个软件或平台，而是给教师一个清晰的判断框架——这个实验，用哪种序列，为什么。把”虚实结合”从一句正确的口号，变成一个教师可以执行的教学决策。

来源网址：虚拟实验不是替代真实实验——虚实混合的底层逻辑