計算機模擬實驗在科學教學中的運用反思

賴永威

隨著計算機模擬實驗在科學教育中的廣泛運用，如何正確處理其與傳統真實實驗的關系，是科學教學無法回避的重要問題。計算機模擬實驗在促進與支持科學探究教學上有強大的功能，計算機模擬實驗能模擬學生平時無法觀察到的自然現象，將抽象的科學原理轉化為直觀的模型，幫助學生正確解釋自然現象，促進對科學知識的理解，但對教學而言，計算機模擬實驗也有其局限性。在實踐中，要辯證認識其功能及局限性，充分發揮其優勢，為提高教學質量和學生科學素養服務。

1 計算機模擬實驗和真實實驗

本文所說的計算機模擬實驗指運用計算機技術設計的虛擬實驗，實驗中只需要使用計算機而不需要使用真實的藥品和儀器，不包括運用實物代替原型的模仿實驗，如電動機模型、生物結構模型、分子結構模型等。利用實物所做的實驗稱為真實實驗或傳統實驗，而不論實物是現實原型還是現實原型的模型。

從計算機模擬實驗的功能看，大致分成三種。

一是對自然現象的模擬:按照人們對自然現象的理解，將這種理解用計算機直觀而形象地呈現，具有放大或縮小真實事物、縮短或延遲現象發生的時間、突出本質特征隱藏非本質因素干擾的作用，目的是讓人們可以通過計算機“觀察”自然現象。計算機模擬實驗不是對真實世界的復制，而是對真實現象的過濾、剪輯與解讀。

二是對科學理論、定律或概念的模擬:運用計算機使“自然現象”在科學理論、定律或概念的“命令”下發生，是對科學理論、科學概念、科學事實的一種詮釋。

三是模擬儀器的使用方法:展示儀器的性能和使用方法。從認識論角度看，計算機模擬實驗是人類思維的產物，是人類想象創造的結果。

傳統實驗雖然也離不開人類的想象，但是它產生的是現實世界中發生或可能發生的現象，是一種不依賴人類意識的客觀存在。傳統實驗給學生帶來的視覺、聽覺、觸覺、味覺的刺激，以及實驗環境與學習者構成的環境對學習產生的影響，都是模擬實驗無法取代的。此外，真實實驗和模擬實驗還有以下不同之處。

第一，要處理因氣候條件等外部對實驗的影響；

第二，要考慮實驗時間的限制，盡量使每一步操作都順利，有些現象持續時間很短，必須及時做好觀察和記錄；

第三，有些真實實驗不允許出現失誤，不能直接體驗，否則會對人體造成極大的危害，或者損壞實驗設備，造成大的經濟損失。

從情境學習觀點看，傳統實驗面對的是真實情境和現實問題，模擬實驗無法產生真實情境和現實問題。真實世界的經驗和虛擬世界的經驗比較，人的感受不同，產生的學習效果也不同。根據情境學習觀點，教學要給學習者提供盡可能真實的情境，真實實驗和計算機模擬實驗相比，計算機模擬實驗距離現實環境更遠。做真實實驗是親身的、直接的實踐活動，做計算機模擬實驗是間接的認識活動。因此，計算機模擬實驗代替傳統實驗，在某種程度上割裂了學習與生活、社會的聯系。

總之，計算機模擬實驗是真實實驗的補充和延伸，而不是對真實實驗的超越，它必定有自身的缺陷，無法完全取代傳統實驗。

2 計算機模擬實驗潛在的負面影響

如前所述，計算機模擬實驗能促進學生理解科學知識、形成探究技能，受到科學教師的青睞。但是，如果過度依賴計算機模擬實驗等現代技術，忽視傳統實驗的教學，會對教學產生負面影響。

影響教師和學生實驗技能的提高 雖然現在很多學校有優良的實驗條件，但實驗器材的利用率卻不高，實驗開出率沒有達到規定標準，學生實驗次數不多。其中以計算機模擬實驗等代替真實實驗是原因之一。沒有經過一定數量傳統實驗的練習，會直接影響學生以及教師的實驗操作能力。部分教師講實驗條理清晰，但做實驗卻漏洞百出。上海某區舉辦了一項物理教師實驗技能競賽，其中有一個用油膜法測分子直徑的實驗，實驗不需要任何先進儀器和方法，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，其他地方也曾經舉行過類似的實驗技能競賽，教師的表現也不容樂觀。而且參賽的教師都是經過一定的程序挑選出來的，屬于實驗能力比較高或者對自己實驗能力比較自信的教師。如果以隨機選擇的方法來確定參賽選手，結果可能更不樂觀。

一位教師認為，自己做演示實驗還不如讓學生看視頻，因為視頻中的實驗操作更加規范。根據這位教師的觀點，可以做這樣的推理:首先，這位教師的實驗操作還不規范或者對自己實驗操作缺乏信心；其次，沒有正確理解什么是規范的實驗操作，視頻中的操作不一定是規范的。同樣的實驗，除了遵守必要的共同規范之外，可以有不同的操作方法，不存在固定的“標準動作”。在氧氣的制取實驗教學中，這位教師先給學生觀看錄像資料，并做了詳細講解。但是學生一進入實驗室，產生了不少原來認為沒有問題的問題。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，而是產生氣體之后才想到要用排水法收集氣體。

影響學生理解科學本質 由于計算機模擬實驗是表達自然現象的一種虛擬模型，是解釋、說明或呈現科學理論的一種方法。可用于幫助學生理解科學知識，而不能代替科學探究。如果以計算機模擬實驗來探究科學規律，會在邏輯上產生循環論證的錯誤。科學探究實驗的目的是在觀察現象的基礎上歸納出現象的本質，形成對自然現象的一種解釋。計算機模擬實驗中產生的現象與數據本身是根據科學原理設計的，而且現象和數據一般都設計得非常“規則”，和事先的假設非常吻合，然后又利用這些現象和數據推出所依據的科學原理。例如，事先根據歐姆定律或質量守恒定律編制一組數據，然后再從這些數據推出歐姆定律或質量守恒定律，這樣的模擬實驗和真正的科學探究本質是矛盾的。科學知識的一個主要特征是基于觀察并接受觀察的檢驗，科學精神的核心內容是追求邏輯上的自洽和可重復的經驗驗證[2]。“觀察”和“經驗驗證”是指直接從真實世界里獲取證據，不是用虛擬的模型來驗證。

為了適應學生的心理特點，計算機模擬實驗有時候設計成游戲的形式，具有一定的趣味性。一些計算機模擬實驗在增加學生學習興趣、激發學習動機上取得成功，和傳統實驗相比具有一定的優勢。但是計算機模擬實驗本質上是虛擬，容易給學生一種錯覺，科學探究就像玩電子游戲，科學知識的建構可以脫離現實世界，這在無意中會影響學生實踐檢驗理論的科學本質觀的構建。

影響學生的情感 有研究顯示，計算機模擬實驗能提高學生學習興趣，增強學生的學習積極性。但不能由此否定真實實驗對學生的吸引力，也不能推出學生喜歡計算機模擬實驗而不喜歡真實實驗。教學實踐表明，學生更喜歡做真實實驗。如果不加區分，頻繁地用模擬實驗代替真實實驗，將會影響學習效果。

教師帶著器材進入教室或者帶學生去實驗室上課，學生的反應和平時不同。他們會問做什么實驗，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驗，學生不僅觀察實驗現象，還注意教師的動作與表情，有些學生注意觀察教師，不是特別注意觀察實驗現象。通過觀察教師判斷，教師是實事求是的對待實驗現象，還是故作玄虛、弄虛作假；是嚴謹的實驗態度還是草率的實驗態度。因此，真實實驗給學生的影響不僅僅是實驗本身，教師的表現同樣給學生深刻的影響。

教學中如何運用計算機技術的問題，我國初中科學課程標準有明確的說明:“注意科學課程教學和信息技術的有機整合，利用各種信息技術促進學生的科學學習，創設自主探索、多重交互的學習環境。對于超出人類感官極限的自然現象，對于學生難以親身經歷或具有某種危險性的科學探究過程，可以利用現代信息技術進行仿真模擬，拓展學生的學習空間。”[3]對此，我們要加以深入理解并實施，以促進計算機模擬實驗在科學教學中的正確運用。

[1]梁杰.實驗為何與課堂教學漸行漸遠[N].中國教育報,2013-1-30(2).

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

[3]中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準[S].北京:北京師范大學出版社,2011:56.