认识模拟实验在科学教学中的作用
陈 岭
（ 深圳市龙岗区沙湾中学，深圳， 518114 ）
摘要：文章阐述了模拟实验在初中科学中的独特作用，加深教师对模拟实验的认识，为以后的课堂教学提供借鉴。 关键词：模拟实验
科学
作用
笔者在教学实践中发现，初中科学中的模拟实验数量并不多，同时实验器材较简单、步骤较明了，因此，部分老师认为，模拟试验可有可无。结果，模拟实验的独特作用，以及实施模拟实验的实践活动，常常被教师忽略。本文紧扣教材中的典型例子来发掘模拟实验的重要作用，希望引起更多科学老师的重视。
一．什么是模拟实验
“模拟实验是根据相似性原理用模型来代替研究对象，这种实际存在的研究对象叫‘原型’，相应的模型装置叫‘模型’。在研究中，实验工具直接作用于模型而不是原型，然后再将模型实验的结果类推到原型上去，揭示研究对象的本质和规律。”“模型大致可以分为理论模型和实物模型两大类。理论模型包括图像模型、逻辑模型、数学模型等，理科教学和实验中多用实物模型”[1]，本文仅讨论以实物模型来进行的模拟实验，另外，用课件来模拟各种实验也不在本文讨论的范围之内。
二．模拟实验的作用
1．模拟实验是对直接实验的一个必要的补充
对于许多的自然现象和自然过程（如宇宙大爆炸），人们在进行研究时往往不能直接将实验手段作用于所研究的现象或对象，而必须采取模拟的方法进行。根据研究对象的不同，可以把初中科学中出现的模拟实验归纳为以下五种情形：
（一）便于研究在空间或时间上极为遥远的对象
宇宙无边，星系离我们很遥远。那么如何研究宇宙膨胀和星系运动呢？教材安排了星系运动模拟实验（九年级下册），用气球模拟宇宙，在气球上画上一些小圆点来模拟星系。往气球中打气，然后观察气球在胀大过程中各个小圆点间距离的变化。观察者很容易看到，随着“宇宙”的不断膨胀，“星系”的距离变得越来越大。实验材料和步骤虽然很简单，但是很能说明问题。
（二）便于研究涉及范围广泛，或者存在和发展的延续时间很长的对象 在九年级下册中会学到生态系统的知识，这是一个既重要又有趣的内容，生态系统中的重要成分生产者、消费者、分解者既相对独立又相互联系、相互依赖、相互制约和相互作用着。我们不方便研究整个生物圈，但是可以通过模拟小型生态系统的实验，来探索生态系统平衡的条件。在实验中，取三支大试管并编号，1号试管放进去1株健壮的水草，2号试管放进去2颗健壮的活螺狮，3号试管放进去1株健壮的水草和2颗健壮的螺狮。然后向3支试管灌满水，直至液面离管口2厘米处，塞紧橡皮塞，并在瓶口涂凡士林，以防漏气。三个密闭的小型的生态系统就这样建立了。把这三支试管放在阳光充足的地方，连续观察2-4周。最终，可以看到3号管内的生物生活得最好。3号管内的水草（代表生产者）利用了光能进行光合作用，提供了氧气，供螺狮（代表消费者）生存；而螺狮呼吸产生的二氧化碳又为水草的光合作用提供了原料，这一个小小的生态系统就进入了一个良性的循环，达到动态的平衡。生态系统中各个成分的相互作用就在3号管中得到了很好的展现。
（三）便于研究由于客体自身的物理属性而不可能进行直接实验的对象 板块的活动属于地球内部运动，它的过程是缓慢的，所蕴藏的能量是巨大的，我们无法直接观察到板块的运动过程。鉴于此，在七年级下册的教材中，便设置了“板块张裂实验”，用两块板模拟了两个板块，上面贴着的白纸模拟了地壳，当两人用力向两边拉扯“板块”直至纸断裂时，一条大“裂谷”就呈现在学生面前。这个实验很好地演绎了板块张裂引起地壳变动的过程和导致的结果。
（四）便于研究体积过大或微观世界的对象
由于受“前概念” 的影响，不少学生在学习“物体沉浮条件”时，认为重的物体会下沉，而只有轻的物体才会上浮。课本就此提出了“铁块在水中会下沉，而轮船的船壳都是用钢板造成的，为什么能漂浮在水面上？” 这个问题。轮船是体积很庞大的物体又如何能搬到课堂上来研究呢？于是，课本安排了“轮船模拟实验”，通过观察一团橡皮泥捏成团和捏成碗状在水中的沉浮状况，很巧妙地解释了问题。学生一目了然，原来轮船虽很重，但由于它排开的水的体积很大，因此受到的浮力也很大，自然能浮在水面上。
对于对微观世界的研究，模拟实验同样适用。在七年级上册学习“分子之间有空隙”时，课本设置了 “黄豆和芝麻混合的实验”。通过反复摇晃，黄豆和芝麻互相进入到对方的空隙中，混合后的体积明显小于混合前的体积，很生动地模拟了“分子之间存在空隙，不同分子相互进入到分子的空隙中”这一微观的现象，也很好地解释了之前“酒精和水混合实验”中“混合液的体积小于水和酒精的体积之和”这一原理。
（五）便于研究人体的结构和生理
用钟罩、Y型管、气球、橡皮膜来模拟呼吸运动是一个很经典的实验。钟罩代表胸腔，Y型管代表气管和支气管，两个气球代表左右肺，橡皮膜代表膈，通过橡皮膜的下拉和上推，观察气球的涨大和缩小，来学习呼吸运动时膈的收缩和舒张、肺的增大和缩小、胸廓的容积的变大变小、气体的进和出。
2．有利于直观教学
夸美纽斯认为：一切知识都是从感官知觉开始的， 一切知识都不应该根据书本的权威去灌输，要尽量利用感官去施教。
初中科学中模拟实验无一例外地、较好地从静态（结构、层次、组成）到动态（相对运动、发生、发展、演变）、从宏观到微观、从二维到三维表现了研究对象，给人以具体、深刻的印象，以直观的方式突破教学的难点。如：研究日食形成的原因和过程（七年级上册）一直是学生学习的难点，对于学生来说，如果仅仅通过文字的描述再加上自己的想象，理解起来还 3 是相对困难。但是，课本设置的“模拟日食的实验”便很好地解决了这个问题。实验者手持一大一小两个球（小球表示月球，大球表示太阳），让它们处在同一水平视线上，且小球在大球的前面。不断移动小球，并观察大球被遮掩的部分，从球面的变化外推到日面的变化，很直观地表现出日、月、地三者位置改变时引起的日食的过程。学生学好了日食的成因后，再学月食的成因时，就不至于晕头转向了。
3．有利于培养学生的空间能力
“空间能力是体现性别差异最明显的一种能力，也是较难描述和解释的一种能力。”是“一种涉及表征、转换、生成和回忆符号和非语言信息的技能。”它包含了三个要素：“①空间知觉：指在干扰条件下，对垂直和水平方位的确定。②心理旋转：指对二维或三维图象表征的旋转能力。③空间想像：指对所显示的空间信息进行多步分析加工的能力。研究表明，在空间知觉和心理旋转测验中，男性明显优于女性；而在空间想象力测验中，男女差异不显著。”[2]
客观物质世界中绝大部分物体的结构和运动都是三维的，知识更多的是抽象的。因此空间能力的培养在学习自然科学的过程中显得尤为重要，空间能力强的学生可以获得对直观客体的全面而深刻的认识，也可以获得语言描述或图形示意的间接客体在头脑中的再现形象，甚至创造出新的形象。
模拟实验的模型大都立体而具体，因而在观察或动手制作、操作模型的过程中，能很好地培养学生的空间能力。用湿泥土来制作等高线的模型就是一个很好的例子。在学习等高线时，学生在认识上有两个难点，一是明明是一座高大的山，怎么却变成了几圈闭合的曲线；二是即使明白等高线是怎样一回事，但还是很难从等高线的凹凸、疏密来判断鞍部、山脊、山谷、峭壁、山顶等。在实验的过程中，学生亲自堆出一个山体，然后按照高程来水平切开山体，给山体编号、晾干后，按照编号的顺序逐一用笔沿山体的边缘描线。很快，一幅等高线的图就跃然纸上，顺利地实现了三维向二维的转换，“等高线”、“高程”、“山脊”等抽象的概念很快就能被学生所认识。
现在随着多媒体技术的突飞猛进，教学上越来越多地使用计算机来模拟实验，但这种做法在空间思维的培养上是不如实物模型的。
4 当然，在模拟实验时也有值得我们注意的地方，例如要将模型置于与原型相似的条件下进行实验；要讲清楚模型与原型上存在的异同；要将模拟实验的结果外推到实验中；要通过模拟找出原型的规律性等等。唯独如此，我们才能在教学过程中更好地应用模拟实验，获得更好的效果。
参考文献：
[1]潘宝平，张富国.生物新课程与学科素质培养.北京：中国纺织出版社，2002.92，93 [2]彭聃龄.普通心理学.北京：北京师范大学出版社，2001.397
