裴堅

實驗，在科學中是什么角色

實踐，是科學的原動力之一

科學源自于人類對自然界功能性的實用研究，以及純粹的哲學探究?？茖W方法（scientificmethod）是指人類為研究自然現象，獲取與創(chuàng)造，以及修正與整合先前已有知識所使用的一整套方法和技術[1]。為了合乎科學精神，這方法和技術必須建立在收集可系統(tǒng)觀察、可實驗依據（empirical）、可具體量化的數據基礎上，并且合乎明確的推理和驗證原則[2]。在此基礎上，Merriam-Webster 詞典對科學方法的定義是“一種系統(tǒng)尋求知識的過程，主要包括3 個步驟：對問題的認識和表述，相關實驗數據的收集，以及假說的提出與測試”。

這些對科學和科學方法的解釋是人類對自身發(fā)展的很好的總結，因為人類最重要的天賦之一是對周邊事物與現象的好奇心，并且可以依據好奇心不斷觀察和嘗試，以求總結出事物的發(fā)展規(guī)律。在許多古文明國家歷史中，都有前人通過簡單的觀察收集天文信息，以較為系統(tǒng)的方式記錄并總結出相應規(guī)律的記載。盡管他們并不知曉這些天體的真實結構，但對許多關于行星和星系的自然現象都進行了理論上的闡釋，這些研究是日心說的理論基礎。在幾個重要的古文明國家中，均有關于煉金術的記載，這些既是古代化學的核心，也未嘗不是一些染料發(fā)展的實驗基礎——對自然規(guī)律的好奇、思考和實踐，是我們認識自然的基礎，更是科學存在和進步的原動力。

實驗，是科學方法中不可或缺的一步

上文提到科學方法包含幾個步驟，首先通過細致觀察，對于自然現象提出有意義的相關問題，接著提出合理的假說解釋這些現象，并設計實驗驗證自己提出的假說，從而核對這些假說所給出的預言或理論是否準確。公元10世紀，現代光學的開拓者、伊斯蘭科學家伊本·海什木開創(chuàng)了實驗物理學的研究，發(fā)明了針孔照相機，發(fā)現了折射定律，并在其著作《光學書》中倡議實驗科學方法[3， 4]。另一位伊斯蘭科學家比魯尼是最早詳細利用相關實驗闡述相關天體現象，并從本質上將天文學與占星學加以了區(qū)分的學者[5]。此后，天文學家開始運用實驗觀察和實驗技術觀測天文[6]。就化學的發(fā)展而言，1657年，羅伯特·波義耳在羅伯特·胡克的輔助下對奧托·格里克發(fā)明的卷軸型氣泵進行改進;利用改進的裝置對氣體性質進行了系統(tǒng)的實驗研究，并于1660年發(fā)表相關研究成果。此研究結果遭到一些科學家的反對，為了反駁異議，波義耳進行了更為細致的研究，并闡明了在溫度確定的條件下氣體的壓力與體積成反比的性質。1668年，波義耳離開了牛津，在其宅邸建立了自己的實驗室，主要進行化學方面的實驗研究，努力把嚴謹的實驗方法引入化學研究中。1673年，波義耳和胡克對物質的燃燒進行了研究，發(fā)現在真空情況下，物質無法燃燒。波義耳根據燃燒實驗的結果，寫成了論文《關于火焰與空氣關系的新實驗》，最先揭示了空氣是燃燒的必要條件。另外，波義耳還通過實驗發(fā)現了某些植物的色素可以在酸性和堿性條件下出現不同的顏色，從而提出了指示劑的概念。另一位著名科學家也是通過相關實驗驗證了空氣的組成。1782年，拉瓦錫對硫、錫和鉛在空氣中燃燒的現象進行研究。為了確定空氣是否參加反應，他設計了著名的鐘罩實驗。通過鐘罩實驗，就可以測量反應前后氣體體積的變化，確定參與反應的氣體體積。這些實例無一不表明，當好奇心被有趣的現象喚起后，觀察、思考、驗證，實驗貫穿了科學探索和發(fā)展的全過程，實驗一直是人類獲知自然規(guī)律、創(chuàng)造知識的不可或缺的一步。

實驗，是科學進程中的終極裁判

科學在不斷發(fā)展，也在不斷被修正。在這個過程中，實驗是終極裁判。16世紀著名的化學家、生理學家、醫(yī)生及煉金術向近代化學轉變的代表人物之一揚·巴普蒂斯塔·范·赫蒙特（JanBaptistavanHelmont）是氣體化學研究的奠基人。他早期從事煉金術的研究，并一直深受威廉·哈維、伽利略·伽利萊和弗朗西斯·培根等人的影響——通過實驗研究探索科學，因此他很少使用艱澀的哲學概念，而更傾向于直觀描述實驗和觀察到的現象和結果。他是最早區(qū)分了不同的氣體和空氣的科學家，例如，他認為木頭在密閉的房間中燃燒所產生的氣體與平時所說的空氣不同，而與植物發(fā)酵產生的、醋和貝殼反應產生的是同一種氣體，但和加熱有機物產生的可燃性氣體（現在我們知道這是烷烴的混合物）是不同種氣體[7]。范·赫蒙特對氣體化學的研究影響了波義耳，波義耳在1661年出版的《懷疑派的化學家》中高度贊揚了范·赫蒙特的貢獻[8]。但是，偉大的科學家在當時也存在許多認識上的誤區(qū)。為了證明水是一種元素，并且植物的生長主要來源于水，范·赫蒙特設計了一個實驗：在盆中裝了200磅干燥過的土壤，種了1棵5磅重的柳樹，同時每加入1次蒸餾水就必須稱量其重量;5年后，他再次稱量干燥后的土壤，發(fā)現其仍為200磅，而柳樹的重量增加了大約164磅，從而他得出結論，認為柳樹的質量增加完全來源于加入的蒸餾水。當然，我們現在知道，柳樹的重量增加主要來自于光合作用產生的糖，其不僅源于水，還來源于空氣中的二氧化碳，并且這還忽略了土壤中可能被柳樹吸收的無機鹽[9]。盡管這個實驗在當時得出的結論被后人用科學方法驗證為并不準確，但是這種通過具體的實驗過程和結果證明、推斷某些科學論斷的方法，是科學得以進步的必經之路。

實驗，對科學態(tài)度和科學精神有嚴格的要求

最為重要的科學態(tài)度是求真?？茖W家要求實驗研究過程必須具有可重復性，這是為了防范實驗中的錯誤或誤解，并且能夠和提出的理論自洽。一個假說在被學術界廣泛接受之前，必須先通過科學方法的嚴格驗證，以有條有理的方式將理論結果與實驗數據互相比較。只有當理論結果和實驗數據互相吻合時，這假說才能被學術界接受。如果需要驗證的相關理論覆蓋了比較廣泛的學術領域，則可能需要把許多獨立推出的假說結合在一起，加以更為細致復雜的驗證。所有通過嚴格檢驗的理論，又可以與其他理論觸類旁通，幫助形成新的假說或新的理論。為了減少導致錯誤或偏差結果的概率，就需要科學研究具有足夠的客觀性。所有測量數據與實驗程序都必須詳細記錄，存檔于安全的數據庫，同一領域的學者可以共享這些數據。部分學者得出的結論或假說完全可以被其他學者仔細檢查，通過實驗重復并核對相關的結果，檢驗相應的假說。不同的實驗參與者在前提一致、操作步驟一致的情況下，能夠得到相同的實驗結果。科學實驗的結果最終以實驗報告的形式發(fā)表。這種行為方式被稱為科學的充分公開，它使科學具有了可信度。

最為可貴的科學精神是質疑。讓我們回顧燃燒學說的發(fā)展過程。燃燒是最常見的化學現象。18世紀，德國醫(yī)生貝歇爾提出了燃素說，認為物質在空氣中燃燒主要是由于物質失去燃素，且空氣得到燃素的過程。燃素說可以解釋燃燒過程中的一些現象，因此很多化學家都支持這一說法。但是，燃素說始終難以解釋金屬燃燒之后變重的問題。當時，有些人認為這是因為測量的誤差導致，而有些比較極端的燃素說維護者甚至認為在金屬燃燒反應中燃素帶有負質量。拉瓦錫將鉛在真空密封容器中加熱，發(fā)現質量不變;加熱后打開容器，發(fā)現鉛的質量迅速增加。盡管此實驗現象與燃素說支持者相同，但是拉瓦錫根據實驗結果提出了自己的解釋，認為物質的燃燒是可燃物與空氣中某種物質結合的結果。拉瓦錫的結論可以同時解答燃燒需要空氣，以及金屬燃燒后質量變重的問題。但是，此時他仍無法確定究竟是空氣中的哪一種組分與可燃物結合，于是他繼續(xù)進行系統(tǒng)的實驗研究，并最終發(fā)現了氧氣。這個實例說明科學的假說或結論需要科學家哪怕對自己得到的結論都要持有質疑的精神，科學的進步需要經歷不斷地被驗證—推翻—再驗證的過程，在此過程中剔除謬誤，才能使科學理論得到發(fā)展，并更為準確合理地解釋實驗結果。

實驗，在化學教育中是什么角色

在化學的發(fā)展過程中，實驗科學已經被證明了其獨特的重要作用——化學實驗是化學發(fā)展的基石，更是化學理論的支柱。盡管目前理論化學在化學的發(fā)展過程中起到了越來越重要的作用，但從客觀上說化學還是一門建立在實驗基礎上的自然科學。實驗是化學的最大魅力，更易激發(fā)學生對學習化學的興趣，是學生認識化學的重要途徑。從感性認識（化學實驗的結果與事實）與理性認識（化學概念和理論）的關系看，化學實驗在化學教學過程中有著不可替代的作用，它是學生獲取知識、進行知識創(chuàng)新的重要手段。

一個非常簡單的實驗

美國的《化學教育期刊》（J. Chem.Edu.）曾報道過美國加州西洛杉磯學院設計的一個非常簡單的實驗，希望學生通過觀察和對事實的解釋理解科學研究方法的基本原則，并領悟應該如何建立準確的科學研究方法[10]。他們設計了一個看上去非常簡單，但實際上包含了很多化學和物理基本原理的實驗：加熱燒杯里的水，直到其劇烈沸騰。這是一個我們每位教師和學生都能天天見到或自己親手做的實驗。這個實驗強調仔細觀察的價值和重要性，并需要利用科學原理進行解釋，還要引導學生進一步深入討論問題。在實驗過程中，由教師引導學生進行觀察，要求學生觀察實驗的每一部分，并把自己觀察到的事實認真記錄（每一個學生觀測到的實驗現象可能不一樣）。每個學生需要完成自己的實驗報告，這個實驗報告要求由2 部分組成：所觀察到的事實和對這些事實的解釋。

實驗

在燒杯中裝大半杯冷的自來水，用毛巾擦干燒杯外壁，把它放在平坦的有金屬網的三腳架上，并在下面放一個煤氣燈。點燃煤氣燈，加熱燒杯直到水沸騰。

學生要做的觀察包括

● 在點燃煤氣燈前，先觀測自來水是否有渾濁狀（這個現象不一定會出現，不同的水源可能會有不同的現象）。

● 如果有渾濁狀，也會很快消失，燒杯的外壁是干燥的，里面的水很清澈。

● 點燃煤氣燈前，燒杯及里面的水沒有什么變化。點燃煤氣燈后，燒杯的外壁很快就會被水汽籠罩，像一層霜凍一樣。

● 繼續(xù)加熱，燒杯外壁的水汽開始消失，水中開始出現小氣泡，其中有些氣泡附在燒杯內壁上。

● 繼續(xù)加熱，燒杯外壁的水汽完全消失，水中的小氣泡逸出速度減慢，最后看不到氣泡。

● 繼續(xù)加熱，在燒杯底或其附近有氣泡產生，接著這些氣泡脫離燒杯底部，上升到水的頂部。

● 再繼續(xù)加熱，在燒杯底形成氣泡的速度加快，并且氣泡變大，最后以更為強大的力量很快逸出水面。

● 再繼續(xù)加熱，燒杯中的水開始沸騰。實驗結束后，教師可以要求學生對現象產生的原因提出自己的假設。

推理

學生對上述現象可以作出以下的解

● 自來水中的渾濁狀可能由于水與水中的空氣形成了多相混合物。

● 最終自來水變得澄清可能由于混合在水中的空氣脫逸出來。

● 由于煤氣燈燃燒產生的氣體對燒杯的外壁不會產生什么影響，因此在剛開始加熱時，燒杯外壁出現的水汽不可能來自燃燒的氣體。

● 由于燃氣（通常是甲烷）燃燒產生水和二氧化碳，所以在燒杯壁上冷凝的水分是由于在燃燒過程中產生的含有大量水汽的混合氣體。此時，由于燒杯中水的溫度低于由甲烷燃燒產生的含有大量水汽的混合氣體露點，從而使水汽在燒杯外壁冷凝出來。

● 當燒杯中的水逐漸升溫，燒杯的溫度超過了混合氣體的露點，外壁的水汽開始揮發(fā)，至最終消失。

● 燒杯中的水升溫后開始蒸發(fā)，開始形成的氣泡是由于水中溶解了空氣的緣故。液體中氣體的溶解度一般隨溫度的升高而降低，因此當超過了空氣的溶解量，就被釋放出來。

● 當溶解在水中的空氣數量減少，其放出的速度就降低，直到沒有空氣放出。

● 當溫度達到沸點時，水就開始沸騰。

結論

這個實驗非常簡單，但嘗試讓學生通過實驗設計和現象觀察，以及解釋自己所觀測到的現象，學會科學方法的基本步驟和原則。在這個過程中進行有效的引導，學生可以理解很多科學問題，如溫度的概念（絕對和相對溫度）和定義、液體中氣體的溶解度與溫度之間的關系、異相和均相混合物、化學反應的產物、相的概念、折射率的變化等。至關重要的一點，是讓學生領會到，在無論看似多么簡單的實驗過程中，觀測的距離和細致度的重要性。

實驗教學的重點在哪里

我國著名化學家戴安邦曾經說過：“只傳授化學知識和技術的化學教育是片面的，全面的化學教育要求既傳授化學知識和技術，又訓練科學方法與思維，還培養(yǎng)科學精神和品德?！睆囊陨系慕虒W實例中我們清楚地看到，實驗科學的學習和實踐是引導學生認識物質及其變化規(guī)律最為直觀的途徑，它具有目的性強、探索性強、現實感和易感性認識等特點。學生在化學實驗課堂中是學習的主體，在教師指導下進行實驗，被訓練用實驗解決化學問題，使各項智力因素得以發(fā)展。但需要我們每位教師時時警醒的是，在學生的學習過程中，與了解和記憶知識點相比，了解知識的來源和發(fā)展過程更為重要?；瘜W實驗既直觀又多樣化的特點，使其具備了強大的優(yōu)勢幫助學生清楚了解知識的來源，建立和鞏固化學基本概念和基本理論，獲取化學知識并建立知識間的鏈接，用知識解釋問題并進行驗證，培養(yǎng)科學素養(yǎng)等。對于化學的基礎教育，實驗的意義和重點遠遠不止于學會實驗技術。

● 科學思維的建立：好奇和探求是人類的原始能力，而實驗具備喚醒好奇心最有利的條件。通過學生天生的好奇心和不懈努力地感知探求周圍世界的本能，把他們帶到比其具有的經驗和初始想法更深、更多、更復雜、更廣泛的新領域，有助于他們突破自身理解的界限，建立科學創(chuàng)新思維。

● 重構知識的來源：在學習過程中，如果只是學習現成的結論，而忽視了對科學探究過程的理解與體驗，就會造成學生不能很好地理解科學的本質。了解知識的來源和發(fā)展，要比了解和知道知識點重要得多。事實上，知識的增長是具有“批判性”的。對知識的由來進行溯源，會幫助學生認識到，任何知識都是在探究或質疑中獲得發(fā)展的。而實驗科學可以讓學生在享受體驗探究過程的喜悅與艱辛過程中，進一步激發(fā)求知欲，培養(yǎng)科學素養(yǎng)，使他們主動建構具有個人意義的科學知識與技能。

● 團隊精神的建立：目前，科學研究分工更為細致，更多要求團隊的合作，共同解決重要的科學問題。因此，在實驗過程中，將會使學生學會互敬互重、彼此包容、和諧相處，體會到合作的快樂。這有利于培養(yǎng)學生豁達的胸襟，充分信任他人、認可他人的個人品質及專業(yè)素養(yǎng)。

我們的實驗教學有哪些問題

目前，在我們的化學教育中，我們把知識記憶上升為教學活動的最高目標，列出了一些認為學生必須記住的知識點，而科學探究活動的方法、態(tài)度、精神等更為本質的內涵，在我們集中精力教授知識點的過程中，往往失去了作為教育目的和手段的合理性。很多學校仍然普遍存在教師教學觀念非常局限、一切以教師為中心、以書本為中心、以記住知識為目的的現象。實驗教學在很大程度上更是流于形式，缺乏足夠的重視，在我國的基礎實驗教學中比較突出的幾個問題如下。

● 一切以考試為目的。考試需要有標準答案，這使得親手做實驗，以及如何從實驗中觀測并得出不同的解釋變得完全沒有必要了。有了標準答案的實驗就只是考題，對學生的思維、想象力和分析問題的能力沒有任何裨益。

● 在課堂上以演示實驗為主，學生缺少參與感。有些教師很有想象力，為了讓學生參與，故意犯錯，逼著學生質疑。但實際上，這些實驗已經成為了教材中的“經典”，每一本參考書中都會出現，教師在哪些地方會故意犯錯在學生的學習過程中成為了模式，學生已經麻木了。

● 驗證性實驗過多。學生已經知道了驗證性實驗的結果和結論。此時，教師只能要求學生的實驗操作技能和細節(jié)，導致培訓操作技能成為了實驗課堂的主要內容。教師將注意力集中在手把手地校正學生的不良操作，養(yǎng)成規(guī)范的操作習慣，例如試劑的用量、振蕩的要領、膠頭滴管滴液的姿勢、液體的轉移、沉淀的洗滌、蒸發(fā)程度的把握等，以為這樣能使學生養(yǎng)成嚴謹的科學態(tài)度和良好的操作行為習慣，但是很少會讓學生將注意力集中在對實驗現象的觀察和對這些實驗現象的分析和解釋上。筆者還記得某一年某市的中考化學試題中出現了要求學生弄清楚試劑瓶上的標簽紙的兩行哪一行寫試劑名稱、哪一行寫濃度，這與培養(yǎng)我們學生的實驗能力和素養(yǎng)沒有任何關系。還有在筆者讀高中的20 世紀80 年代，最常見的實驗考題就是在實驗裝置圖中找錯誤，筆者從來沒有在實驗室見過那樣的裝置圖，但能清楚地背出每一個常見錯誤以應付考試，這些對學生的思維能力和分析能力更談不上具有積極的作用。

● 建設豪華實驗室和購置貴重儀器顯示實驗的重要性?，F在，有些城市的中學為了顯示自己學校的高水平，購置了很多大學研究才需要的實驗儀器，裝修了豪華的實驗室，但在實驗的內容上卻不作任何改進和提升，將科學實驗在教育中的主次關系完全顛倒。

我們可以做出哪些改變

前人通過感知物質及其變化的實驗現象，獲得化學實驗事實，從而在此基礎上形成化學概念和理論。那么，實驗科學完全可以成為學生滿足自己的求知欲、發(fā)揮自己的想象力、檢驗自己所學到的化學理論、驗證化學假說的必要途徑。

為了改變目前化學實驗教學中前述那些本末倒置的現象，我們的中學教師理應從再讀化學發(fā)展史開始，重新思考并認真認識實驗教學的作用，從改變自身的教學理念開始，在實驗教學上作出改變。

● 學習不是為了考試，實驗教學更不是為了培養(yǎng)學生的考試能力。所有學習的目的、包括化學實驗教學的目的，都是為了調動和保護學生探究物質性質及其變化規(guī)律的內在動力——好奇心和求知欲。因此，需要改變現行實驗教學的學習和考試方式，以綜合的過程性評價替代機械單一的考試。

● 實驗是學生對自己所學習的知識的一個重新認識和總結的過程。我們無須過分在意實驗結果的成功與失敗，而應將注意力集中在學生如何觀測實驗過程中所發(fā)生的現象，以及結束后學生如何對這些進行解釋。過多追求實驗的成功會導致學生在實驗過程中養(yǎng)成功利心，并喪失質疑的勇氣。

● 要引導和培養(yǎng)學生多維的實驗能力，而非單一的實驗操作技能。實驗需要細致的觀察，學生在實驗過程中需要將所觀察的如實做好記錄，并對此作出自己的判斷和討論。因此，通過化學實驗，應該注重使學生受到觀察、測定、條件控制、實驗記錄、數據處理和解釋等科學方法和科學態(tài)度方面的訓練，在學生提出問題和討論環(huán)節(jié)注重對其科學精神的引導和培養(yǎng)。

● 團隊精神的培養(yǎng)。在目前我國多數中學的條件下，實驗教學更多采用分組進行，多個學生一起完成一個實驗，學生的分工協(xié)作是十分必要的。有些條件比較好的中學可以開設探究性科學實驗。但是，探究性科學實驗很難由中學生單獨一個人完成，它需要多個學生共同努力，這就可以培養(yǎng)學生的團隊精神，也能使學生體會到合作的力量和樂趣。

● 改編目前的實驗教材。目前教材中經典驗證實驗為主的編排，這些已知答案的實驗不利于發(fā)揮學生的主觀能動性、想象力和創(chuàng)造力。我們不要認為能發(fā)揮學生想象力和創(chuàng)造力的實驗只能在大學里進行。就像前面提到的那個非常簡單的實驗，學生便可以充分調動自己已有的知識和經驗，并對自己所觀察到的現象作出自己的解釋。本質上，實驗的設計和安排應該將注意力集中在如何激發(fā)學生主動探索的興趣和欲望上，增強學生的自信，保護學生的質疑精神，而不是追求標準答案。

總之，我們需要改變目前基礎教育中的實驗教學理念，重新建構實驗教學內容和方式，在無法改變當前考試方式的前提下，實現將實驗教學與理論教學相結合，讓學生通過化學實驗理解化學基本概念和基礎理論的發(fā)展過程，注重學生的觀察能力和思維能力的培養(yǎng)，將問題的解釋權交還給學生，從而激發(fā)學生的認知興趣，調動學生的學習積極性。