吴俊明

(上海师范大学,上海2‌0‌0234)

摘 要:当前学校自然科学课程实验教学受到来自理论和实践两个方面的冲击。本文指出:对观察实验认识的发展以及‌“计算机实验‌”的出现并没有改变观察实验以及实验教学的重要性;必须重视实验教学、重视实验教学的改革、创新和研究。讨论了如何对实验教学及实验教学研究进行改革和创新。认为,要化解认识定势,革除传统的实验教学的积弊,拓展思路,围绕基础教育课程改革实现1‌0个转变。

关键词:实验教学;实验研究;改革;创新

    ‌“实验是自然科学的基础,也是物理、化学等学科教学的基础‌”,这是我们耳熟能详的一句话,似乎是毋庸置疑的。可如今,不少人对于自然科学课程实验教学产生了种种困惑:实验教学在当今还是很重要吗?当今实验教学的发展方向是什么?怎样才能使实验教学得到新发展、实现新飞跃?

1 学校自然科学课程实验教学面临多方面冲击

16世纪末、17世纪初,英国哲学家弗兰西斯·培根提出‌“知识就是力量‌”这一著名口号,认为感觉是可靠的,知识来源于感觉,归纳、分析、比较、观察和实验是科学整理感性材料的理性方法,并进一步强调发展自然科学和实验的重要性,被马克思称为‌“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖‌”。自从弗兰西斯·培根的这一观点被广泛接受之后,人们长期以来一直认为,自然科学离不开观察实验,是实验的科学;观察实验不但是现代自然科学的基础,也是检验科学假说和科学理论的重要手段。他的观点对后来自然科学成为学校课程、观察实验成为自然科学课程教学的基本方法有着重要的影响。

随着自然科学逐步发展,人们认识到理论思维对于自然科学的重要性,认识到观察实验和理论思维都是自然科学的重要方法。但是,在观察实验和理论思维的关系上,大多数人仍然坚持认为,观察实验先于理论,理论依赖于观察实验;认为‌“理论之车需要实验之马拉动‌”,只有经过客观的、无预设的观察实验才能认识客观规律、形成正确的认识。

可是,2‌0世纪后半叶以来,人们对观察实验的认识以及学校自然科学课程的实验教学受到了来自理论和实践两方面的严重冲击

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冲击之一是:现代科学哲学认为,科学研究不是从观察实验开始的;观察实验需要有它的理论框架,需要理论的导向和解释,‌“观察实验渗透着理论‌”,没有独立于理论的、纯粹的观察实验存在,因而观察实验依赖于理论,没有理论背景就没有观察实验。科学哲学家告诫说:‌“科学问题并不是靠匆匆忙忙地跑到实验室里去就解决了的‌”。这自然会引起人们思考:对于理科教学来说,观察实验还是重要的吗?

冲击之二是:电子计算机和计算技术迅速发展,电子计算机具有的无与伦比的计算速度、计算能力以及处理、存储信息的功能,使得利用计算机根据理论模型进行计算来确定、描述体系的状态、性质从而代替实验室中的实验,不但成为现实,而且有可能获得比实验室实验还精确的结果;多媒体技术的出现,使得计算机表现、模拟或虚拟实验过程和结果的功能更加强大。诺贝尔奖金获得者穆立肯曾经指出:‌“计算化学家的时代即将到来。那时,若不是成千也是上万的化学家,为了化学信息中日益增加的许多细小侧面,将走向计算机,而不是去实验室‌”。一些人据此预言,今后可以只在计算机上做实验,传统的观察实验将会被计算机实验取代。因而,不必再在实验教学和实验室建设上下功夫了。

冲击之三来自现实:一些不重视实验教学的中学也能取得较高的升学率的现实使得一些学校领导和教师认为,加强实验教学对提高升学率没有多大帮助,不能像建立电脑教室那样给学校制造可以炫耀的靓点,反而会影响解题训练。本来,受‌“君子动口不动手‌”、‌“述而不作‌”等传统观念以及经费和物质条件的影响,我国各级学校的实验教学状况就难以令人满意,上述冲击,更使我国学校自然科学课程实验教学‌“雪上加霜‌”。

近两年根据新课程标准编制的中学科学领域学科课程教材没有单独编写‌《实验册‌》、没有单独设立必修的实验课程模块,也使一些人产生疑惑:实验教学真的不重要了吗?这些问题不解决,不但会影响物理、化学等学科的实验教学,还会影响这些学科课程的改革和发展,必须认真地对待,通过深入的讨论,正确地予以回答。

2 观察实验仍然是现代科学的重要手段

尽管人们对科学认识过程存在着不同的观点:有的认为科学认识程序从事实开始(即从观察实验开始),即通过观察、实验与测量获得经验事实,再通过分析、归纳,使得对经验事实的认识上升到定律,通过定律知识的积累逐渐形成理论;有的认为科学认识程序从问题开始:为了解决问题先要提出假说,为了检验假说需要进行观察实验,假说只有经过证伪的考验,才能被确立为理论;有人认为,科学认识程序从理论开始,,还有许多人持中间主义观点,例如一些人提出:从观察中提出问题,为解决问题提出假说,为检验假说进行实验,由此形成理论。但是,这些不同意见都没有说可以不要观察实验、不要通过观察实验去充分地占有材料。而且,不管如何对科学认识程序进行概括,观察实验总是科学认识的重要环节。

不错,实验的设计和解释离不开假说、理论。然而,假说、理论的形成也离不开观察实验,它需要观察实验提供背景知识:有关的实验材料和经验事实越多,假说就越可靠;而假说、理论的检验更需要通过观察实验获得新的事实材料。观察实验与假说理论是相互渗透、相辅相成的。观察实验和理论思维同是科学认识过程不可缺一的重要环节。例如,量子力学主要通过求解微观粒子的波函数方程来确定其运动状态和规律,似乎只要进行理论思维就行了。可就是在量子力学中,它的许多常量和参数也必须通过观察测量才能确定,更何况量子力学的结论离不开观察实验,量子力学的发展是受观察实验推动的。

‌  “观察先于理论说‌”与‌“观察依赖理论说‌”不过是人们对于观察实验与理论关系的一定侧面的主观认识;而观察实验是科学认识过程的重要环节,却是客观存在的事实,是不以人们的主观认识为转移的。不仅一切自然科学都离不开观察实验,随着人们认识的不断发展,观察实验的意义已经超出了自然科学的范围。在社会科学的一些领域,例如教育研究等等,观察实验也越来越多地得到应用,起着越来越大的作用,成为有关的认识过程的重要环节。要使学生了解科学过程,就必须通过实验教学使学生了解和参与观察实验,形成有关的体验。总之,对观察实验认识的深入和发展并没有改变它们对于科学过程的重要性。

所谓计算机实验,是应用计算方法和电子计算机按照实验的理论模型进行计算,并根据计算结果作出相应的判断,或者提供视觉和听觉信号来模拟或虚拟现实的过程。它是以理论研究、理论计算和虚拟技术为基础的。以理论计算结果为依据的计算机实验,是以建立正确的理论模型为前提的,因而只能在有限的方面和有限的程度上预见某些信息的产生,不能提供人们尚未探明的领域中的科学事实,也不能对尚未探明的问题的假说进行检验。它根本不能创造或者复制真正的现实,这是由宇宙间最根本的规律之一——质能守恒定律决定了的。否则,计算机岂不是成了创造万物的‌“上帝‌”?计算机实验是理论框架的信息化,依赖于以人的理论思维为基础的数学计算。但是,各种自然科学问题不能单纯归结为数学问题,数学计算不可能解决一切科学问题。因而,它必然有所限制。

计算机实验依赖的理论模型的建立需要以观察实验为基础,理论预见的实现和检验更离不开观察实验。计算机实验不但不可能取代现实的观察实验,而且必须以现实的观察实验为基础。许多事实,例如现代基因工程、超导研究、激光技术、新能源研究、信息科学和信息技术等当今‌“顶尖‌”科学研究的实践都离不开实验,这有力地说明:尽管电子计算机已经成为现代科学研究的重要工具,起着越来越重要的作用,但是,它并不是科学研究中万能的唯一的工具,不能取代现实的观察实验。

当然,我们必须看到计算机实验能够、也应该在教育训练方面发挥很大的作用。例如,用多媒体计算机实验系统可以方便地‌“进行‌”人体解剖实验;用多媒体计算机系统演示化学实验能做到鲜明、生动、安全;用虚拟技术可以让学生学会操作昂贵的精密仪器,掌握复杂的实验方法。目前,能够用于实际教学的计算机实验软件不多,因此,应该注重这方面的研究、开发、推广和应用。但是,对计算机实验在教育训练中的作用要客观地、恰如其分地评价,不能过分夸大、神化。

从实质看,计算机实验在教育训练的应用也是以观察实验为基础的,最终仍要通过观察实验来检验。而且,目前的计算机实验还只能提供视觉的和听觉的信息,它对真实实验的模拟(或虚拟)是有限度的,必然会遗漏某些真实的信息。当学生的实验经验比较丰富时,想象可以帮助他弥补缺失的信息,根据计算机提供的信息来建立起‌“真实‌”的实验表象;而当学生(特别是初学者)缺乏实验经验时,由于无法通过想象弥补缺失的部分信息,他就难于只由计算机提供的信息来建立起完整的、不失真的实验表象。可见,要使学生能够理解计算机提供的实验模拟(或虚拟)信息,并由此不失真地建立真实实验的表象,从而能够把计算机模拟(或虚拟)实验用于教学,也必须以真实的观察实验经验为基础。

人不能生活在虚幻之中。撇开技术局限性和高经费投入不谈,目前的计算机实验也只能部分地、不可能完全地代替现实的观察实验训练。玛丽·克拉克等人曾经在美国2‌061计划第一阶段专家小组报告中明确指出:‌“生物学不是一门主要能从书本或计算机辅助课程里学会的学科,也不可能通过看电视节目自然而然地学会。只限制在课堂内,即使强调观察和实验,也不能满意地进行生物学教学。‌”这一论断对于其他自然学科也是适用的。

计算机实验的出现,凸现了科学理论对观察实验的指导作用,使得理论思维与观察实验的关系更显密切,促进人们对理论与观察实验关系的认识进一步发展,这是科学发展史上不曾有过的新情况。它跟‌“观察依赖理论说‌”一样,也不能动摇观察实验在科学认识中的重要地位。

3 学生科学素质的培养需要实验教学

当今世界,科学技术突飞猛进,国力竞争日趋激烈,国力的强弱越来越取决于劳动者的素质,取决于各类人才的质量和数量。面对新的形势,我们必须深化教育改革,全面推进素质教育,为实施科教兴国战略奠定坚实的人才和知识基础。科学素养是现代公民素质的重要组成部分,提高学生科学素养是自然科学课程的首要任务。

实验教学能够提供必要的感性材料,为学生形成重要的科学观念和科学思想,以及形成科学的概念、原理等提供素材;能够为培养学生技能、促进其手脑并用提供练习和实践机会;能够帮助学生理解、掌握、应用、检验和巩固有关的知识、技能,继承前人积累的最基本的经验,形成自己的体验。实验教学常常跟假设、条件控制、观察、测量、收集和运用证据、资料加工整理等科学方法和思维方法密切地联系着。通过实验教学,能使学生受到生动的科学方法熏陶和训练,使他们认识和理解科学过程,学会如何‌“从事科学‌”。实验是培养学生运用实验解决问题能力的主要途径。实验教学中的问题发现和形成、实验设计、操作、观察、思维、表述和交流等科学实践活动,可以有效地培养学生的实验意识、课题发现能力、实验设计能力、实验观察能力和实验操作能力,可以有效地培养学生的思维习惯和思维能力。这是其他活动形式难以替代的。而且,实验教学能激发学生的兴趣,增强学习动力,调动学习的积极性。观察实验能生动、形象地展现对象以及对象的运动、变化,以其特殊的魅力引起学生的好奇心、认识兴趣和求知欲。这对形象思维已经长足发展,抽象思维尚不发达的青少年尤其具有意义。实验教学能为他们的学习兴趣的发展和提高奠定良好的基础,促使他们积极、主动地学习科学、文化和技术。实验教学还有利于培养学生实事求是、尊重科学、勇于探索、追求真理、乐于奉献、造福人类的科学精神;有利于提高学生的科学道德认识和科学道德体验水平,培养团结协作、求实创新、认真不苟、勤俭节约、注意卫生、爱护环境等科学态度和科学品质;有利于培养他们的辩证唯物主义世界观和爱国主义情感;有利于培养理论联系实际、知行统一的学风。

总之,以观察实验为主要活动内容的实验教学有利于全面地提高学生的素质,是推行素质教育的重要手段和途径。削弱实验教学,必然会严重影响学生素质的提高。那种认为加强实验教学会影响解题训练、影响升学率提高,不能给学校带来光彩的看法,实际上忽视了提高学生的素质,忽视了实验教学在素质教育方面的巨大作用,是错误的、有害的。

为了有效地促进学生发展,实现‌“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状,倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手,培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力‌”的课程改革目标,必须十分重视转变学习方式,提倡学生自主学习、探究学习、合作学习。观察实验是科学探究的重要手段,规定必须‌“重视实验课教学‌”是理所当然的。

说到这里,可能有人要问:既然如此,为什么新编的课程标准实验教材不单独编写‌《实验册‌》、不单独设立必修的实验课程模块呢?其实,过去单独编写‌《实验册‌》,是因为教科书太过于知识灌输;如今,新的课程教材非常重视运用实验方法进行探究学习,自然不必再单独编写‌《实验册‌》了。而且,单独编写‌《实验册‌》,使实验教学游离于学科知识的学习,不见得就能发挥实验教学应有的作用;注意使实验方法跟学科知识学习结合,使实验训练融合在整个课程中可能会取得更好的效果。跟旧的课程设置比,新的理科课程大多设有实验课程模块,这是一个很大的进步。至于为什么不把它规定为必修,主要是为了适应学生个性发展的需要、适应学校的具体条件,考虑了实际效果。

4 新世纪的实验教学需要改革、创新

但是,我国传统的实验教学模式是难以适应提高作用。这就需要教师在讲台上以主动的姿态、动作来帮助表达教学内容或传递师生间的信息和感情,如当学生听课的注意力分散时,教师把讲课停顿一下,并用严肃的目光注视学生,就可以唤回他们溜走的‌“神‌”。此时的无声语言,能达到‌“此时无声胜有声‌”的境界。

5 质疑是关键

我国有句古语:‌“学贵有疑,小疑则小进,大疑则大进。‌”爱因斯坦也曾说过:‌“提出问题比解决问题更重要。‌”充分地说明了质疑的重要性,让学生预习教材,反复钻研教学内容,这是质疑的基础。每节课,老师都应留出时间让学生质疑,给学生留有思考的余地,让学生对教师的教学内容,教材的知识点提出自己的看法,充分发挥学生的主体作用。学生质疑的方法很多,常用的有寻因究果法——对问题多问几个‌“为什么‌”,求‌“所以然‌”;外延探究法——从重点内容出发向不同的方面质疑,求其‌“多种可能性‌”;异同关联法——比较教学内容的区别与联系;实验联系法——从理论到实验的一致性和差异性中提出问题,,思想自由是科学创造的阳光雨露,学生的质疑能力一旦被激发出来,必将产生探究知识的无穷力量。在教学中,我们应当鼓励学生敢想敢说,允许学生对同一问题发表不同的看法和观点,允许学生犯合理性的错误,给他们一个宽松的思维空间,只有这样才能启迪思维,激发兴趣,促进学生素质丰富、和谐、完善地发展。综上所述:教师的师德高尚、学识渊博是课堂教学心理环境构建的关键性;教师授课时动之以情,晓之以理是课堂教学心理环境构建的思想性;教师授课中善于设疑,巧于解惑是课堂教学心理环境的艺术性。从而达到‌“授人以渔‌”、终身受益之目的。