计算机模拟实验在科学教学中的运用反思

赖永威

随着计算机模拟实验在科学教育中的广泛运用，如何正确处理其与传统真实实验的关系，是科学教学无法回避的重要问题。计算机模拟实验在促进与支持科学探究教学上有强大的功能，计算机模拟实验能模拟学生平时无法观察到的自然现象，将抽象的科学原理转化为直观的模型，帮助学生正确解释自然现象，促进对科学知识的理解，但对教学而言，计算机模拟实验也有其局限性。在实践中，要辩证认识其功能及局限性，充分发挥其优势，为提高教学质量和学生科学素养服务。

1 计算机模拟实验和真实实验

本文所说的计算机模拟实验指运用计算机技术设计的虚拟实验，实验中只需要使用计算机而不需要使用真实的药品和仪器，不包括运用实物代替原型的模仿实验，如电动机模型、生物结构模型、分子结构模型等。利用实物所做的实验称为真实实验或传统实验，而不论实物是现实原型还是现实原型的模型。

从计算机模拟实验的功能看，大致分成三种。

一是对自然现象的模拟:按照人们对自然现象的理解，将这种理解用计算机直观而形象地呈现，具有放大或缩小真实事物、缩短或延迟现象发生的时间、突出本质特征隐藏非本质因素干扰的作用，目的是让人们可以通过计算机“观察”自然现象。计算机模拟实验不是对真实世界的复制，而是对真实现象的过滤、剪辑与解读。

二是对科学理论、定律或概念的模拟:运用计算机使“自然现象”在科学理论、定律或概念的“命令”下发生，是对科学理论、科学概念、科学事实的一种诠释。

三是模拟仪器的使用方法:展示仪器的性能和使用方法。从认识论角度看，计算机模拟实验是人类思维的产物，是人类想象创造的结果。

传统实验虽然也离不开人类的想象，但是它产生的是现实世界中发生或可能发生的现象，是一种不依赖人类意识的客观存在。传统实验给学生带来的视觉、听觉、触觉、味觉的刺激，以及实验环境与学习者构成的环境对学习产生的影响，都是模拟实验无法取代的。此外，真实实验和模拟实验还有以下不同之处。

第一，要处理因气候条件等外部对实验的影响；

第二，要考虑实验时间的限制，尽量使每一步操作都顺利，有些现象持续时间很短，必须及时做好观察和记录；

第三，有些真实实验不允许出现失误，不能直接体验，否则会对人体造成极大的危害，或者损坏实验设备，造成大的经济损失。

从情境学习观点看，传统实验面对的是真实情境和现实问题，模拟实验无法产生真实情境和现实问题。真实世界的经验和虚拟世界的经验比较，人的感受不同，产生的学习效果也不同。根据情境学习观点，教学要给学习者提供尽可能真实的情境，真实实验和计算机模拟实验相比，计算机模拟实验距离现实环境更远。做真实实验是亲身的、直接的实践活动，做计算机模拟实验是间接的认识活动。因此，计算机模拟实验代替传统实验，在某种程度上割裂了学习与生活、社会的联系。

总之，计算机模拟实验是真实实验的补充和延伸，而不是对真实实验的超越，它必定有自身的缺陷，无法完全取代传统实验。

2 计算机模拟实验潜在的负面影响

如前所述，计算机模拟实验能促进学生理解科学知识、形成探究技能，受到科学教师的青睐。但是，如果过度依赖计算机模拟实验等现代技术，忽视传统实验的教学，会对教学产生负面影响。

影响教师和学生实验技能的提高 虽然现在很多学校有优良的实验条件，但实验器材的利用率却不高，实验开出率没有达到规定标准，学生实验次数不多。其中以计算机模拟实验等代替真实实验是原因之一。没有经过一定数量传统实验的练习，会直接影响学生以及教师的实验操作能力。部分教师讲实验条理清晰，但做实验却漏洞百出。上海某区举办了一项物理教师实验技能竞赛，其中有一个用油膜法测分子直径的实验，实验不需要任何先进仪器和方法，就是痱子粉、油酸溶液，然而就是这些简单的东西却难住了不少青年教师[1]。除上海外，其他地方也曾经举行过类似的实验技能竞赛，教师的表现也不容乐观。而且参赛的教师都是经过一定的程序挑选出来的，属于实验能力比较高或者对自己实验能力比较自信的教师。如果以随机选择的方法来确定参赛选手，结果可能更不乐观。

一位教师认为，自己做演示实验还不如让学生看视频，因为视频中的实验操作更加规范。根据这位教师的观点，可以做这样的推理:首先，这位教师的实验操作还不规范或者对自己实验操作缺乏信心；其次，没有正确理解什么是规范的实验操作，视频中的操作不一定是规范的。同样的实验，除了遵守必要的共同规范之外，可以有不同的操作方法，不存在固定的“标准动作”。在氧气的制取实验教学中，这位教师先给学生观看录像资料，并做了详细讲解。但是学生一进入实验室，产生了不少原来认为没有问题的问题。例如，把集气瓶装满水倒立在水槽里，手上的水没有擦干就装药品，弄湿了试管。很多学生不知道先把集气瓶装满水倒立在水槽里再加热药品，而是产生气体之后才想到要用排水法收集气体。

影响学生理解科学本质 由于计算机模拟实验是表达自然现象的一种虚拟模型，是解释、说明或呈现科学理论的一种方法。可用于帮助学生理解科学知识，而不能代替科学探究。如果以计算机模拟实验来探究科学规律，会在逻辑上产生循环论证的错误。科学探究实验的目的是在观察现象的基础上归纳出现象的本质，形成对自然现象的一种解释。计算机模拟实验中产生的现象与数据本身是根据科学原理设计的，而且现象和数据一般都设计得非常“规则”，和事先的假设非常吻合，然后又利用这些现象和数据推出所依据的科学原理。例如，事先根据欧姆定律或质量守恒定律编制一组数据，然后再从这些数据推出欧姆定律或质量守恒定律，这样的模拟实验和真正的科学探究本质是矛盾的。科学知识的一个主要特征是基于观察并接受观察的检验，科学精神的核心内容是追求逻辑上的自洽和可重复的经验验证[2]。“观察”和“经验验证”是指直接从真实世界里获取证据，不是用虚拟的模型来验证。

为了适应学生的心理特点，计算机模拟实验有时候设计成游戏的形式，具有一定的趣味性。一些计算机模拟实验在增加学生学习兴趣、激发学习动机上取得成功，和传统实验相比具有一定的优势。但是计算机模拟实验本质上是虚拟，容易给学生一种错觉，科学探究就像玩电子游戏，科学知识的建构可以脱离现实世界，这在无意中会影响学生实践检验理论的科学本质观的构建。

影响学生的情感 有研究显示，计算机模拟实验能提高学生学习兴趣，增强学生的学习积极性。但不能由此否定真实实验对学生的吸引力，也不能推出学生喜欢计算机模拟实验而不喜欢真实实验。教学实践表明，学生更喜欢做真实实验。如果不加区分，频繁地用模拟实验代替真实实验，将会影响学习效果。

教师带着器材进入教室或者带学生去实验室上课，学生的反应和平时不同。他们会问做什么实验，某某仪器有什么用，能不能给我看一看，要不要帮忙等。教师在课堂上操作实验，学生不仅观察实验现象，还注意教师的动作与表情，有些学生注意观察教师，不是特别注意观察实验现象。通过观察教师判断，教师是实事求是的对待实验现象，还是故作玄虚、弄虚作假；是严谨的实验态度还是草率的实验态度。因此，真实实验给学生的影响不仅仅是实验本身，教师的表现同样给学生深刻的影响。

教学中如何运用计算机技术的问题，我国初中科学课程标准有明确的说明:“注意科学课程教学和信息技术的有机整合，利用各种信息技术促进学生的科学学习，创设自主探索、多重交互的学习环境。对于超出人类感官极限的自然现象，对于学生难以亲身经历或具有某种危险性的科学探究过程，可以利用现代信息技术进行仿真模拟，拓展学生的学习空间。”[3]对此，我们要加以深入理解并实施，以促进计算机模拟实验在科学教学中的正确运用。

[1]梁杰.实验为何与课堂教学渐行渐远[N].中国教育报,2013-1-30(2).

[2]王大珩,于光远.论科学精神[M].北京:中央编译出版社,2001:213.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准[S].北京:北京师范大学出版社,2011:56.