摘要:數(shù)學(xué)學(xué)作為探求自然規(guī)律、解釋自然現(xiàn)象的一門學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成了它的基礎(chǔ)。隨著人類教育的日漸進(jìn)步，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)因?yàn)槠渥陨淼囊恍┫拗菩詶l件而未能滿足數(shù)學(xué)教學(xué)中的所有要求。隨信息技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)，因?yàn)槠洫?dú)到的優(yōu)點(diǎn)被引入各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)，成為與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這兩種實(shí)驗(yàn)方法各有其優(yōu)劣點(diǎn)，二者互相結(jié)合、相互填補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的更大功能。
關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)
結(jié)合作為一門自然學(xué)科，化學(xué)學(xué)有著鍛練中學(xué)生邏輯思維能力的作用，而作為數(shù)學(xué)學(xué)基礎(chǔ)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)則是培養(yǎng)中學(xué)生動(dòng)手能力、科學(xué)思維能力、合作交流能力的主要手段。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭驗(yàn)闀r(shí)空限制、儀器設(shè)備等誘因未能實(shí)現(xiàn)對中學(xué)生的培養(yǎng)要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打開了一個(gè)新的世界，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)的產(chǎn)物，成為教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新[1]。相比之下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是通過構(gòu)造一個(gè)結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，為中學(xué)生舉辦探究型學(xué)習(xí)提供實(shí)驗(yàn)條件，并幫助中學(xué)生研究、分析和探求化學(xué)世界中各類感興趣的問題[2]。
1傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足
1.1傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。（1）能提升中學(xué)生感性認(rèn)知。從心理學(xué)的角度出發(fā)，中學(xué)生總是對自己才能親身接觸的實(shí)物記憶得愈發(fā)深刻和透徹。在數(shù)學(xué)教學(xué)中，數(shù)學(xué)概念與數(shù)學(xué)規(guī)律是構(gòu)建在一定的感性認(rèn)知基礎(chǔ)之上的。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備構(gòu)成實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，中學(xué)生操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，通過視覺、聽覺、觸覺等來認(rèn)識(shí)客觀事物獲得感性認(rèn)知，對化學(xué)形成熱愛的同時(shí)加深對理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與把握。（2）能提升中學(xué)生操作能力。中學(xué)生在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅對原理的理解有所不足外，就會(huì)碰到各類各樣的實(shí)驗(yàn)偏差，這就要求中學(xué)生學(xué)會(huì)剖析相關(guān)實(shí)驗(yàn)的偏差原因，擁有一定的問題解決能力，曉得從碰巧偏差和系統(tǒng)偏差兩個(gè)角度進(jìn)行剖析，清楚怎樣調(diào)節(jié)儀器來解決相關(guān)問題。在實(shí)驗(yàn)推論不符合理論推論時(shí)，就能思索是因?yàn)閮x器使用方式出錯(cuò)還是儀器本身有缺陷造成的，并進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對真實(shí)儀器的調(diào)節(jié)過程中提升了中學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。1.2傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足。（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空、人力限制。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常都是在特定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。但是，在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)的中學(xué)，因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問題沒有建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室，致使化學(xué)實(shí)驗(yàn)未能正常舉辦，未能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用。另外，實(shí)驗(yàn)員數(shù)目不足和化學(xué)班主任兼職實(shí)驗(yàn)員的現(xiàn)象使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的舉辦出現(xiàn)了困難[3]。
學(xué)校數(shù)學(xué)班主任自身壓力大，她們既肩負(fù)著提升升學(xué)率的重任，又有自己職稱評定的壓力，而部份中學(xué)通常是將她們的職稱評定與升學(xué)任務(wù)的完成情況連為一體。所以，化學(xué)班主任們不可能專注于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，她們更多是把精力集中于理論課的教學(xué)。而這樣就又回到了原先的應(yīng)試教育模式，對中學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分不利。（2）實(shí)驗(yàn)儀器老舊。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的降低，實(shí)驗(yàn)儀器被使用的頻度提升，儀器的銹蝕率變大，因而使中學(xué)生雖然在操作無誤的情況下，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不理想。所以，在實(shí)驗(yàn)中常常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，中學(xué)生為了能得到較理想的結(jié)果在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都忙著檢測、修復(fù)儀器，浪費(fèi)大量的時(shí)間，甚至到最后為了完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)不得不向其他同事匆忙借鑒一份數(shù)據(jù)，這嚴(yán)重影響了中學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性。（3）部份具象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不顯著。數(shù)學(xué)學(xué)中的部份知識(shí)較具象，通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)未能將那些具象性的化學(xué)現(xiàn)象呈現(xiàn)給中學(xué)生。為此，中學(xué)生在未能獲得感性認(rèn)知的情況下，很難理解那些具象的知識(shí)。如電磁波的產(chǎn)生須要變化的磁場與電場的互相作用，所涉及的電場、磁場、電磁波都是物質(zhì)的一種客觀存在，但看不見也摸不著，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中也未能呈現(xiàn)，中學(xué)生無法通過感性認(rèn)知去理解，進(jìn)而成為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。
2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足
2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。（1）安全、經(jīng)濟(jì)。部份實(shí)驗(yàn)過程中，為了保證中學(xué)生的安全，實(shí)驗(yàn)班主任就會(huì)在實(shí)驗(yàn)前重點(diǎn)給中學(xué)生講解注意事項(xiàng)，可中學(xué)生總是會(huì)對老師所囑咐的一些不能做的事有著強(qiáng)烈的好奇心，總想去嘗試一下瞧瞧會(huì)有哪些結(jié)果。如nb物理虛擬實(shí)驗(yàn)的好處，學(xué)校熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，老師勸誡中學(xué)生不可將一根單獨(dú)的導(dǎo)線接于電源的兩端，中學(xué)生處于初學(xué)階段，特別好奇想要親自見到這樣操作會(huì)出現(xiàn)哪些現(xiàn)象，在老師不注意的情況下進(jìn)行錯(cuò)誤的操作，就可能會(huì)燒毀電源引起安全車禍。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供虛擬的元元件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，中學(xué)生可以根據(jù)自己的看法聯(lián)接實(shí)驗(yàn)元件、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。操作錯(cuò)誤時(shí)，虛擬軟件會(huì)出現(xiàn)相關(guān)操作錯(cuò)誤警告，提醒這樣操作會(huì)造成的害處，而不會(huì)引起真正的車禍。這就彰顯了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)愈發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近理論值。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)遭到實(shí)驗(yàn)儀器、場所等客觀誘因的影響而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。而采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，致使實(shí)驗(yàn)環(huán)境不會(huì)對實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)致影響。比如，在用單擺驗(yàn)證機(jī)械能量守恒實(shí)驗(yàn)時(shí)，虛擬的環(huán)境不用考慮單擺受空氣阻力等影響，所以不會(huì)出現(xiàn)像真實(shí)實(shí)驗(yàn)的擺動(dòng)過程中振幅越來越小的現(xiàn)象。虛擬實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器之間并不是直接接觸，防止了儀器之間可能會(huì)有磨擦而形成的偏差。
（3）開放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生處于思維活躍、富于幻想、好奇心強(qiáng)的階段，她們總是對一切事物飽含了好奇心，會(huì)在腦子中想出一些天馬行空的東西，對于一些動(dòng)手操作的事情飽含了極大的興趣，對一些既定的規(guī)則制度總有指責(zé)。所以，在實(shí)驗(yàn)中常常有這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)：中學(xué)生很不理解實(shí)驗(yàn)的操作為何要根據(jù)書中所寫的步驟進(jìn)行，換自己的方式可不可以？雖然班主任向中學(xué)生仔細(xì)地解釋其原因，中學(xué)生仍然執(zhí)拗地覺得根據(jù)自己的看法和設(shè)計(jì)也能得到實(shí)驗(yàn)療效而且還更簡單。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則向中學(xué)生提供了一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中學(xué)生可以運(yùn)用虛擬軟件根據(jù)自己的看法來選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒃O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)過程中充分發(fā)揮了她們的直覺思維能力、創(chuàng)造思維能力，也實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。2.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足。（1）缺少實(shí)驗(yàn)的氣氛。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用人機(jī)交互的模式，中學(xué)生面對的是冰涼的筆記本和一些不真實(shí)的軟件。實(shí)驗(yàn)時(shí)老師通常是通過主機(jī)控制方法與中學(xué)生互動(dòng)，這會(huì)給中學(xué)生帶來一種覺得：她們面對只是一個(gè)會(huì)講解實(shí)驗(yàn)知識(shí)的機(jī)器，而并非真正的人。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵ǔ２扇∫蝗艘粰C(jī)，未能提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的人文環(huán)境，無法實(shí)現(xiàn)核心素質(zhì)中提出的培養(yǎng)中學(xué)生合作交流能力的要求。（2）實(shí)驗(yàn)過分理想。虛擬實(shí)驗(yàn)完全是在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行，各類器材的聯(lián)接、調(diào)節(jié)都是通過鍵盤或則按鍵來操作，中學(xué)生只要把握了實(shí)驗(yàn)原理，依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理對實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，就可以基本保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符。數(shù)學(xué)核心素質(zhì)中的“科學(xué)思維”提出培養(yǎng)中學(xué)生剖析問題和解決問題的能力。而虛擬實(shí)驗(yàn)過程都十分理想，對真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的一些細(xì)節(jié)nb物理虛擬實(shí)驗(yàn)的好處，非常是易出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)故障等問題缺少模擬，不利于培養(yǎng)中學(xué)生發(fā)覺問題和解決問題的能力。
3兩種實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)性
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各有其獨(dú)到的異同點(diǎn)，二者并小意此即彼、相互對立的關(guān)系，而是互相共存、相互推動(dòng)的統(tǒng)一體。為了使化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)療效達(dá)到最優(yōu)化，在學(xué)校化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)考慮將兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)合上去，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。（1）從安全性與感性認(rèn)知考慮二者的結(jié)合。（2）按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮侠磉x擇“虛”“實(shí)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)有多種類型，不同的實(shí)驗(yàn)類型有不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模纱笾路譃椋杂^察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為主的演示性實(shí)驗(yàn)、以驗(yàn)證數(shù)學(xué)定律或定則為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、以檢測為主的檢測性實(shí)驗(yàn)、以探究化學(xué)規(guī)律為主的探究性實(shí)驗(yàn)。班主任可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目目的的不同，靈活地采用虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教峁┑膶?shí)驗(yàn)環(huán)境和所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想，所以對于一些主要是以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為目的的實(shí)驗(yàn)就可以采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｈ缗ｎD環(huán)實(shí)驗(yàn)、小孔成像實(shí)驗(yàn)等。另外，一些無法理解的具象概念和一些須要中學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)原理自行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)也可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑怪袑W(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中才能充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新意識(shí)。
4討論
在信息技術(shù)還未發(fā)展時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)都是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹磉M(jìn)行。隨著虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，也促使傳統(tǒng)的教學(xué)發(fā)生了改革，帶來了一種新的教學(xué)觀念，并影響著教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的變化。虛擬實(shí)驗(yàn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及所具有的就能營造理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟蛔恪Ｍ瑫r(shí)，因?yàn)樘摂M仿真技術(shù)暫時(shí)未發(fā)展到就能像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢诱{(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者各類感知覺的強(qiáng)悍功能，所以這些方式只能作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一種輔助。也正如上面所述，二者并小意此即彼的關(guān)系，而是互相補(bǔ)充、共同發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大功能。在今后的教學(xué)中怎樣將這兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接袡C(jī)結(jié)合，就須要我們這種正式成為人民教育工作者的中學(xué)生和正在教育一線工作的班主任們的不懈努力。
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作者:馮靚劉高福單位:湖南師范大學(xué)化學(xué)與電子科學(xué)大學(xué)