賴永威

隨著計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在科學(xué)教育中的廣泛運(yùn)用，如何正確處理其與傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，是科學(xué)教學(xué)無法回避的重要問題。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在促進(jìn)與支持科學(xué)探究教學(xué)上有強(qiáng)大的功能，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苣M學(xué)生平時無法觀察到的自然現(xiàn)象，將抽象的科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為直觀的模型，幫助學(xué)生正確解釋自然現(xiàn)象，促進(jìn)對科學(xué)知識的理解，但對教學(xué)而言，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)也有其局限性。在實(shí)踐中，要辯證認(rèn)識其功能及局限性，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)服務(wù)。

1 計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)

本文所說的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中只需要使用計(jì)算機(jī)而不需要使用真實(shí)的藥品和儀器，不包括運(yùn)用實(shí)物代替原型的模仿實(shí)驗(yàn)，如電動機(jī)模型、生物結(jié)構(gòu)模型、分子結(jié)構(gòu)模型等。利用實(shí)物所做的實(shí)驗(yàn)稱為真實(shí)實(shí)驗(yàn)或傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而不論實(shí)物是現(xiàn)實(shí)原型還是現(xiàn)實(shí)原型的模型。

從計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的功能看，大致分成三種。

一是對自然現(xiàn)象的模擬:按照人們對自然現(xiàn)象的理解，將這種理解用計(jì)算機(jī)直觀而形象地呈現(xiàn)，具有放大或縮小真實(shí)事物、縮短或延遲現(xiàn)象發(fā)生的時間、突出本質(zhì)特征隱藏非本質(zhì)因素干擾的作用，目的是讓人們可以通過計(jì)算機(jī)“觀察”自然現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)不是對真實(shí)世界的復(fù)制，而是對真實(shí)現(xiàn)象的過濾、剪輯與解讀。

二是對科學(xué)理論、定律或概念的模擬:運(yùn)用計(jì)算機(jī)使“自然現(xiàn)象”在科學(xué)理論、定律或概念的“命令”下發(fā)生，是對科學(xué)理論、科學(xué)概念、科學(xué)事實(shí)的一種詮釋。

三是模擬儀器的使用方法:展示儀器的性能和使用方法。從認(rèn)識論角度看，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是人類思維的產(chǎn)物，是人類想象創(chuàng)造的結(jié)果。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)雖然也離不開人類的想象，但是它產(chǎn)生的是現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生或可能發(fā)生的現(xiàn)象，是一種不依賴人類意識的客觀存在。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來的視覺、聽覺、觸覺、味覺的刺激，以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境與學(xué)習(xí)者構(gòu)成的環(huán)境對學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響，都是模擬實(shí)驗(yàn)無法取代的。此外，真實(shí)實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)還有以下不同之處。

第一，要處理因氣候條件等外部對實(shí)驗(yàn)的影響；

第二，要考慮實(shí)驗(yàn)時間的限制，盡量使每一步操作都順利，有些現(xiàn)象持續(xù)時間很短，必須及時做好觀察和記錄；

第三，有些真實(shí)實(shí)驗(yàn)不允許出現(xiàn)失誤，不能直接體驗(yàn)，否則會對人體造成極大的危害，或者損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，造成大的經(jīng)濟(jì)損失。

從情境學(xué)習(xí)觀點(diǎn)看，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)面對的是真實(shí)情境和現(xiàn)實(shí)問題，模擬實(shí)驗(yàn)無法產(chǎn)生真實(shí)情境和現(xiàn)實(shí)問題。真實(shí)世界的經(jīng)驗(yàn)和虛擬世界的經(jīng)驗(yàn)比較，人的感受不同，產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果也不同。根據(jù)情境學(xué)習(xí)觀點(diǎn)，教學(xué)要給學(xué)習(xí)者提供盡可能真實(shí)的情境，真實(shí)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)距離現(xiàn)實(shí)環(huán)境更遠(yuǎn)。做真實(shí)實(shí)驗(yàn)是親身的、直接的實(shí)踐活動，做計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是間接的認(rèn)識活動。因此，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在某種程度上割裂了學(xué)習(xí)與生活、社會的聯(lián)系。

總之，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸，而不是對真實(shí)實(shí)驗(yàn)的超越，它必定有自身的缺陷，無法完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

2 計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)潛在的負(fù)面影響

如前所述，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)艽龠M(jìn)學(xué)生理解科學(xué)知識、形成探究技能，受到科學(xué)教師的青睞。但是，如果過度依賴計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代技術(shù)，忽視傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，會對教學(xué)產(chǎn)生負(fù)面影響。

影響教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高 雖然現(xiàn)在很多學(xué)校有優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)條件，但實(shí)驗(yàn)器材的利用率卻不高，實(shí)驗(yàn)開出率沒有達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)次數(shù)不多。其中以計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)等代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)是原因之一。沒有經(jīng)過一定數(shù)量傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，會直接影響學(xué)生以及教師的實(shí)驗(yàn)操作能力。部分教師講實(shí)驗(yàn)條理清晰，但做實(shí)驗(yàn)卻漏洞百出。上海某區(qū)舉辦了一項(xiàng)物理教師實(shí)驗(yàn)技能競賽，其中有一個用油膜法測分子直徑的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)不需要任何先進(jìn)儀器和方法，就是痱子粉、油酸溶液，然而就是這些簡單的東西卻難住了不少青年教師[1]。除上海外，其他地方也曾經(jīng)舉行過類似的實(shí)驗(yàn)技能競賽，教師的表現(xiàn)也不容樂觀。而且參賽的教師都是經(jīng)過一定的程序挑選出來的，屬于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ρ容^高或者對自己實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ρ容^自信的教師。如果以隨機(jī)選擇的方法來確定參賽選手，結(jié)果可能更不樂觀。

一位教師認(rèn)為，自己做演示實(shí)驗(yàn)還不如讓學(xué)生看視頻，因?yàn)橐曨l中的實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范。根據(jù)這位教師的觀點(diǎn)，可以做這樣的推理:首先，這位教師的實(shí)驗(yàn)操作還不規(guī)范或者對自己實(shí)驗(yàn)操作缺乏信心；其次，沒有正確理解什么是規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作，視頻中的操作不一定是規(guī)范的。同樣的實(shí)驗(yàn)，除了遵守必要的共同規(guī)范之外，可以有不同的操作方法，不存在固定的“標(biāo)準(zhǔn)動作”。在氧氣的制取實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這位教師先給學(xué)生觀看錄像資料，并做了詳細(xì)講解。但是學(xué)生一進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)生了不少原來認(rèn)為沒有問題的問題。例如，把集氣瓶裝滿水倒立在水槽里，手上的水沒有擦干就裝藥品，弄濕了試管。很多學(xué)生不知道先把集氣瓶裝滿水倒立在水槽里再加熱藥品，而是產(chǎn)生氣體之后才想到要用排水法收集氣體。

影響學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì) 由于計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是表達(dá)自然現(xiàn)象的一種虛擬模型，是解釋、說明或呈現(xiàn)科學(xué)理論的一種方法?？捎糜趲椭鷮W(xué)生理解科學(xué)知識，而不能代替科學(xué)探究。如果以計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)來探究科學(xué)規(guī)律，會在邏輯上產(chǎn)生循環(huán)論證的錯誤。科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的目的是在觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上歸納出現(xiàn)象的本質(zhì)，形成對自然現(xiàn)象的一種解釋。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)本身是根據(jù)科學(xué)原理設(shè)計(jì)的，而且現(xiàn)象和數(shù)據(jù)一般都設(shè)計(jì)得非?！耙?guī)則”，和事先的假設(shè)非常吻合，然后又利用這些現(xiàn)象和數(shù)據(jù)推出所依據(jù)的科學(xué)原理。例如，事先根據(jù)歐姆定律或質(zhì)量守恒定律編制一組數(shù)據(jù)，然后再從這些數(shù)據(jù)推出歐姆定律或質(zhì)量守恒定律，這樣的模擬實(shí)驗(yàn)和真正的科學(xué)探究本質(zhì)是矛盾的?？茖W(xué)知識的一個主要特征是基于觀察并接受觀察的檢驗(yàn)，科學(xué)精神的核心內(nèi)容是追求邏輯上的自洽和可重復(fù)的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證[2]。“觀察”和“經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證”是指直接從真實(shí)世界里獲取證據(jù)，不是用虛擬的模型來驗(yàn)證。

為了適應(yīng)學(xué)生的心理特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)有時候設(shè)計(jì)成游戲的形式，具有一定的趣味性。一些計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)上取得成功，和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比具有一定的優(yōu)勢。但是計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是虛擬，容易給學(xué)生一種錯覺，科學(xué)探究就像玩電子游戲，科學(xué)知識的建構(gòu)可以脫離現(xiàn)實(shí)世界，這在無意中會影響學(xué)生實(shí)踐檢驗(yàn)理論的科學(xué)本質(zhì)觀的構(gòu)建。

影響學(xué)生的情感 有研究顯示，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴岣邔W(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。但不能由此否定真實(shí)實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的吸引力，也不能推出學(xué)生喜歡計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)而不喜歡真實(shí)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生更喜歡做真實(shí)實(shí)驗(yàn)。如果不加區(qū)分，頻繁地用模擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，將會影響學(xué)習(xí)效果。

教師帶著器材進(jìn)入教室或者帶學(xué)生去實(shí)驗(yàn)室上課，學(xué)生的反應(yīng)和平時不同。他們會問做什么實(shí)驗(yàn)，某某儀器有什么用，能不能給我看一看，要不要幫忙等。教師在課堂上操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還注意教師的動作與表情，有些學(xué)生注意觀察教師，不是特別注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過觀察教師判斷，教師是實(shí)事求是的對待實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還是故作玄虛、弄虛作假；是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度還是草率的實(shí)驗(yàn)態(tài)度。因此，真實(shí)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生的影響不僅僅是實(shí)驗(yàn)本身，教師的表現(xiàn)同樣給學(xué)生深刻的影響。

教學(xué)中如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的問題，我國初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)有明確的說明:“注意科學(xué)課程教學(xué)和信息技術(shù)的有機(jī)整合，利用各種信息技術(shù)促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)，創(chuàng)設(shè)自主探索、多重交互的學(xué)習(xí)環(huán)境。對于超出人類感官極限的自然現(xiàn)象，對于學(xué)生難以親身經(jīng)歷或具有某種危險(xiǎn)性的科學(xué)探究過程，可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。”[3]對此，我們要加以深入理解并實(shí)施，以促進(jìn)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在科學(xué)教學(xué)中的正確運(yùn)用。

[1]梁杰.實(shí)驗(yàn)為何與課堂教學(xué)漸行漸遠(yuǎn)[N].中國教育報(bào),2013-1-30(2).

[2]王大珩,于光遠(yuǎn).論科學(xué)精神[M].北京:中央編譯出版社,2001:213.

[3]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2011:56.