思想实验及其对化学仿真实验教学的启示，本文主要内容关键词为：其对论文,启示论文,实验教学论文,思想论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着信息技术的发展，近20年来，化学实验教学也随之发生了变化。从形式到手段的更新必然带来观念的更新。化学仿真实验作为计算机辅助教学的典型，早已走进化学课堂，相比于实践中的普遍性而言，在教学理论界还存在争议。如何认识实验教学手段的更新，如何更好地发挥其教学价值，需要做出进一步的探讨。 一、化学仿真实验及其研究现状综述 在计算机辅助实验教学中，仿真实验是比较特殊的形式，更具有科学方法论意义，亦是本研究的重点。 （一）仿真实验的界定 李吉南[1]对化学仿真实验室进行如下界定：化学虚拟仿真实验室是从真实实验室中抽象出场景、化学仪器及药品等模型，对模型进行控制和组装，搭建起仿真的虚拟实验平台。虚拟仿真实验室既具有虚拟实验室的特性即开放性、经济性、交互性、安全性，同时具有仿真实验室的特性即仿三维、过程模拟、依赖实际操作过程的数据处理、文件小，易于网络传输。学习者通过鼠标、键盘和显示器等设备，操作虚拟环境中的实验仪器，进而可以观察实验现象，探索实验规律。 （二）仿真实验的开发应用研究现状 当前，对仿真实验及其教学的研究可以澄清实践中许多模糊的认识。 诸松渊[2]提出，仿真实验应用于教学的基本原则是，“能够由学生实践的不宜由教师代办，可以观察实验效果的不要由软件模拟”。设计“虚拟的化学实验室”的指导理念应是，在实验探究的过程中，学生动手动脑，走近化学、了解化学、掌握化学。 冷松[3]、张万锋[4]、李锦祺[5]对仿真化学实验软件的应用研究，涉及实验仪器的搭建、实验试剂的选择与添加、实验步骤的运行、实验现象的获取和实验数据的分析，具有较强的交互功能，不仅用于学生的实验探究与设计，还用于教师依据教学需求生成教学课件。 刘颖[6]认为，仿真实验替代有毒实验、装置比较复杂和实验条件不易控制的实验，以及对于实验原理的剖析，可取得良好的教学效果。有利于增强学生的学习调控能力、突破对微观化学反应的认识障碍、增强学生的认知能力，符合绿色环保和安全意识。 （三）对基于仿真实验的教学模式的研究与反思 段齐文[7]等从实验设计、实验理论、实验程序、实验功能和实验案例等方面系统阐述化学实验教学模式，并认为不可将化学仿真实验机械代替化学实验教学的理由是：“妨碍学生动手实践操作能力的培养；影响学生抽象逻辑思维能力的发展；限制教师模范效应对学生情感的发展等。” 代永红[8]认为，仿真实验，它只是预设的形象化的模拟，在很多方面已失去真实实验的意义，譬如实验仪器的使用、操作，现象的观察，那种真实的感受和体验都是实验录像和仿真实验无法达到的。应尽量创造实验条件多做真实性的实验，以培养学生的动手能力、观察能力、思维能力、处理问题的能力及培养学生事实求是的科学态度。当然对于某些实验课堂上做了，还需要配合多媒体仿真演示的实验，例如一些气体的制取、电解质溶液的电解、胶体的性质等，则有利于帮助学生加深印象和理解。 张文英等[9]认为，用仿真实验来进行化学实验教学会淡化学生对真实仪器的感受，减弱学生的基本实验操作技能；减少了师生间的互动；计算机仿真实验按指令要求运行相应的程序，一般实验都能完美无缺地进行，实验结果与理论分析完全一致，学生很难在实验中思考新问题，这也在一定程度上禁锢了学生的创新思维。 从上述文献可见，对仿真实验的应用研究及其教学价值的反思大多数还流于器物层面，主要探讨了实验教学由实转虚的利与弊。仿真实验与常规实验承载着相近的实验教学功能，即训练学生掌握实验的基本技能，帮助学生记忆化学现象、理解化学规律、原理，给学生的实验设计提供可能性。仿真实验因其方便、快捷、安全、高效，已为广大教师所接受，并在教学中得到普遍使用。但是，仿真实验毕竟不同于真实实验，只能“有限度”地取代真实实验。那么，仿真实验是否还存在优于真实实验的教学功能？该如何认识仿真实验的教学价值？作为现代教育技术进步的产物，仿真实验是否也体现了科学观念的更新？这需要进行进一步的理论探究，追寻其方法论依据。 二、思想实验及其特点 随着自然科学的发展，思想实验作为一种研究方法和阐明科学理论的表述方法，广泛应用于各个学科。 （一）思想实验的含义 最早明确提出“思想实验”一词的是奥地利恩斯特·马赫，他在1905年出版的《认识与谬误》一书中提到：“目前‘思想实验’（thought experiments）被应用在较高的智力水平的实验上。现在几乎每个领域的知识分子都在使用思想实验，不仅小说家、空想家和社会乌托邦在使用，就连严肃的发明家和讲究实际的商人现在也在使用”[10]。索伦森明确主张“思想实验就是实验”“就是无需真正实施即可达到其目标的实验”[11]。他认为思想实验与物质实验之间的不同，仅仅是一些限制条件的不同而已。高文武这样定义思想实验：“思想实验是通过自己头脑中想象的主客体之间的相互影响来向我们展示事物的内部规律，它是在真实的实验场景基础上开展的一种逻辑推理的活动”[12]。 陈衡指出：“思想实验不同于真正的科学实验，思想实验是脑海中的一种思维上的活动，它是人们构造的一种理想场景，它是人们在思维上不断推理的过程并且是作为人们研究理论的一种最有力的方法；思想实验是以一定的知识结构为基础展开的一种思维推理活动，并且它具有本身的逻辑规矩，在其过程中我们必须要抓住其中的主要矛盾，在不影响主要矛盾的情况下，可以忽略次要矛盾”[13]。 （二）思想实验的应用 思想实验的萌芽，可以追溯到古代。比如，公元前5世纪的芝诺曾用这种思维方法论证“阿基里斯追不上乌龟”的命题，可以说它们是自然哲学思维方式的一种表现，但由于缺乏科学实验提供可靠的经验事实，加上认识能力的局限，推理得到了错误的结论。 伽利略作为近代科学的奠基人之一，用科学实验的方法发现了落体定律和惯性定律，为近代科学提供了2块坚固的基石。实际上，伽利略之所以获得成功，并不只是采用了科学实验，而是采用了科学实验与思想实验相结合的方法。麦克斯韦用“麦克斯韦妖”的思想实验来说明热力学第二定律的局限性。爱因斯坦用“升降机”的思想实验来预言光在引力场中会由于引力作用而弯曲。海森伯的“测不准关系”也是用一个思想实验来形象地论证。沃森和克里克借助思想实验最终确定了碱基化学键的匹配和DNA链的缠绕方式，得到了双螺旋结构模型。在结构化学领域有一个非常著名的实验，那就是“薛定谔的猫”，在这个实验中，微观放射源和宏观的猫被巧妙地联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加状态。海特勒和伦敦运用思想实验，结合周密的逻辑推理，并将结果近似化，完满地解释了氢分子中共价键的实质问题。 思想实验不仅广泛应用于自然科学，还被用于哲学与人文科学。哲学范畴中的“中文屋”思想实验是由著名哲学家塞尔设计的，目的是想表达计算机只是一种按照某种编程习惯性地将程序形式化的操作工具，它没有理解和认知能力。美国逻辑学家、科学哲学家普特南，设计了一个“桶中之脑”的思想实验，这个实验反映了实在主义与怀疑主义的问题。法学领域的“切分蛋糕”号称最有影响的思想实验之一，它的设计者是罗尔斯。这个思想实验明确了利益分配中程序与正义的关系。“木板实验”就是思想实验在心理学方面的体现，它被用来治疗恐惧症。 从对近代科学的考察可见，思想实验在各个研究领域中是一直存在的，并且发挥着举足轻重的作用。思想实验可以超越时间、空间和物质条件的限制。它体现了模型方法的精髓，在科学研究中发挥着描述、解释、预测的功能，使研究结果能够超越现有条件，指示研究方向，形成科学假说，最终促使科学理论得以建立和发展。 （三）思想实验的特征 思想实验实质上就是实验，只不过超越了器物操作。它最突出的特点是不需要借助特定的实验设备在特定的环境下进行，而是以我们的大脑为其主要发生场所，即是在思维中进行的实验。思想实验的基本特征可概括为以下几点： （1）非实际的可操作性 我们反复提到，思想实验不是实际进行的实验，是头脑中的实验。其之所以被称为“实验”，是因为这种思维活动是按照实验的格式而展开的，是可操作的。思想实验是在想象中操作模型时形成的。在思想实验中，运用假想仪器对假想客体进行的操作具有仿真性。操作者主要根据自己的认识和思考，使用贮存于头脑中的经验表象、语言材料，通过分析、想象、类比和逻辑推理，进行想象的操作。因此，这种操作性是思维上的可操作性。 （2）严密的逻辑性 思想实验主要以逻辑推演为根据。离开逻辑思维，思想实验无法进行，更不能得出科学的结论。所以，王荣德[14]指出，在思想实验的操作过程中，逻辑起着主导作用，它引导、控制着想象，保证想象既是丰富的，又不是胡思乱想的。想象活动为逻辑运动提供了可靠的素材基础，逻辑运动在想象提供的形象运动中运行。 （3）实践性 思想实验是人们在长期实践的经验基础上的产物，它超越了纯逻辑思维的范畴。正是实践的基础和目的，促使人们不断地去探索，形成一些更深刻、更有远见的思想，并赋予它实验的形式，促成了思想实验。它力求近似于现实存在的状况，并且根据先前的以及日常的经验，可靠地预见到实验的结果，这正是思想实验之所以具备实践性的基础条件。 因此，思想实验是科学概念、科学思维与实践经验的完美结合，没有这3者的支撑，思想实验就无从建立。 三、思想实验对化学仿真实验教学的启示 考察仿真实验的相关研究和思想实验的特征可见：化学仿真实验同样是借助于模型的方法，在头脑中进行的实验，是基于特定的化学实验场景的思维活动。化学仿真实验既要求学生有一定的思维能力和想象能力，也要求学生具有一定的化学知识基础和实验操作技能。 （一）改变器物依赖的传统实验观 化学教学中，以实验为基础是根深蒂固的观念。借助于教师演示实验、学生探究实验，帮助学生通过观察得出结论，这就是绝大多数教师一贯秉持的器物依赖的实验教学观念。即通过实际操作、实物教学，让学生亲身感受，眼见为实。上述器物依赖的合理性源于经典自然科学的直观观察与实验基础。 现代科学的发展则是不断消除直观性的过程，导致认识对象越来越抽象，认识工具更加数学化、形式化、间接化。这一趋势对主体的能动性、创造性提出了更高的要求，也更加强调科学中的人作为认识主体的地位及其对自身认识的反思与批判，思想实验恰恰反映出这一变化趋势。 同样，借助于仿真实验的教学也超越了真实实验。在虚拟的实验情境下，强化实验过程中对变量的控制、装置的选择、实验结果的预测、实验数据的分析等训练，有利于培养学生的逻辑推理能力和想象、发散的思维能力。因此，以实验为基础不再局限于器物操作的实验及其观察，而是进一步走向了思维主导。 （二）避免仿真实验的滥用 技术更新往往会带来观念的更新，但同时也可能走进技术滥用的误区。这也是众多化学教育专家的担忧。 在思想实验的应用中，往往离不开真实实验的检验、证明。如果当时的实验条件不允许，则会以科学预言、科学假说的形式存在，等待科学理论的进一步论证和科学事实的证实。化学仿真实验教学如果缺失了科学证明这一环节，就难以称其为真正的科学探究过程。其次，仿真实验的结果都是开发者根据已知的科学原理人为设定的，仿真实验本身不能证明科学真理，也不能观察到新的现象。过度依赖仿真实验，不利于学生创造意识的唤醒。长此以往，会影响学生对于科学方法、科学过程的理解。再次，实验能力含有大量的默会成分，需要依赖于实验操作而获得。只重视实验思维的训练，而忽视必要的操作训练，是一种急功近利的教学，长此以往，会把实验教学彻底虚化，会把学生变成“桶中之脑”，而失去实践的自主性与认识的能动性。因此，在化学实验教学中，仿真实验不可完全替代真实实验，更不能支持用实验视频替代常规的课堂演示实验，犹如隔窗闻花香，那会彻底剥夺学生感知化学、亲近化学的权力。 （三）合理使用仿真实验的教学策略 依据思想实验的基本特征，强化学生的思维能力和动手实验能力，需要合理使用化学仿真实验。借助于这一视角考察已有研究，认为如下仿真实验的使用具有合理性： （1）用于操作性实验的“前实验”，强化实验的言明知识 国内外的研究表明，前实验可有效降低认知负荷，有助于改善学生在后续的真实实验中的操作技能。“前实验（prelab）”是指“在进入实验室之前，学习者所做的与实验相关的一切知识和技能方面的准备”[15]。作者先前的研究亦表明，学生的知识水平、学生对操作规则的掌握作为言明知识，直接影响学生的实验行为。 在实验教学过程中，大多数教师会在实验课之前安排学生预习实验目的、实验原理、实验过程等内容，但预习往往不能达到理想的效果。为此，可应用仿真实验来展示实验过程、操作细节与注意事项，让学生在实验操作之前对实验全程有全面细致的了解，掌握有关实验的言明知识，从而保证实验进程的顺利进行。如，配制一定物质的量浓度的溶液，教师要依次给学生讲清楚溶液的配制过程：计算—称量—溶解—移液—洗涤—定容—摇匀—贴标签。若利用仿真实验平台开展教学（图1），则可高效、直观地展示这一过程，能够帮助学生熟悉实验仪器，领会实验操作规范和分析造成误差的各种因素。
