科學(xué)的實驗和實驗的科學(xué)

摘 要：“實驗的科學(xué)”，即實驗具有規(guī)律，是事實，是關(guān)于事實的規(guī)律的價值。能否實現(xiàn)這一價值，則取決于“如何做”。不加思考照實驗手冊做顯然不能做到實驗的科學(xué)。只有“科學(xué)的實驗”，做出實驗的真實性，做出實驗的拓展性，做出實驗的創(chuàng)新性，才是科學(xué)的“法門”。本文以初中科學(xué)學(xué)科實驗教學(xué)為例，對“科學(xué)的實驗”與“實驗的科學(xué)”之間的關(guān)系及如何“科學(xué)實驗”等問題作了探討。

關(guān)鍵詞：科學(xué)實驗；實驗科學(xué)；真實性；拓展性；創(chuàng)新性；科學(xué)素養(yǎng)

恩格斯說：“從十字軍遠征以來，工業(yè)有了巨大的發(fā)展，并產(chǎn)生了很多力學(xué)上的（紡織、鐘表制造、磨坊）、化學(xué)上的（染色、冶金、釀酒）、以及物理學(xué)上的（眼鏡）新事實，這些事實不但提供了大量可供觀察的材料，而且自身也提供了和已往完全不同的實驗手段，并使新的工具的制造成為可能?？梢哉f，真正有系統(tǒng)的實驗科學(xué)，這時候才第一次成為可能?！保ā恶R克思恩格斯選集》 第3 卷人民出版社1972年版，第523-524頁）

何為“科學(xué)實驗”？

科學(xué)實驗，英文名稱scientific experiment，是人們?yōu)閷崿F(xiàn)預(yù)定目的，在人工控制條件下，通過干預(yù)和控制科研對象而觀察和探索科研對象有關(guān)規(guī)律和機制的一種研究方法。它是人類獲得知識、檢驗知識的一種實踐形式。就學(xué)生而言，科學(xué)實驗教學(xué)是科學(xué)傳授知識的基本手段，在學(xué)生建立完整的概念和導(dǎo)出正確的規(guī)律的課堂教學(xué)中，實驗是最活躍最有生命力的部分。但我們認為，目前初中科學(xué)學(xué)科的課堂教學(xué)，與“實驗科學(xué)”的目標相距甚遠。

一、初中科學(xué)學(xué)生實驗情況的現(xiàn)狀分析

1.重講解、親實驗

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，教師“自彈自唱”的多，教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新。在實驗教學(xué)教師用語言描述代替實驗操作、不做或少做實驗，有些教師是自己做，自己讀，學(xué)生們僅僅是觀察；有些教師雖然也讓學(xué)生參與實驗，注重了邊講邊實驗，但由于教師是“主唱“為主，嚴重影響了學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動性，從而容易給學(xué)生造成這樣的印象：實驗做出來的結(jié)果和書本具有高度的一致性，從而失去了科學(xué)探究的積極性和學(xué)習(xí)的積極性和主動性，嚴重影響了學(xué)生對科學(xué)實驗的態(tài)度。

2.重認知、輕過程

傳統(tǒng)實驗教學(xué)過于重視實驗教學(xué)目標的達成，而實驗教學(xué)過程中的方法、情感態(tài)度、價值觀都被忽視了。教學(xué)方法與模式單一：先展示實驗現(xiàn)象，后解釋現(xiàn)象，最后讓學(xué)生記住實驗結(jié)論。從而形成了“做實驗不如講實驗”，“講實驗不如背實驗”的現(xiàn)象，加之多媒體給課堂帶來的便利性，使得部分教師用多媒體的模式實驗來代替科學(xué)實驗，不重視讓學(xué)生看具體實驗，實際操作，從而缺少了實驗結(jié)果多樣性和嚴謹性，嚴重妨礙了培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才。

3.重驗證、輕探究

傳統(tǒng)實驗教學(xué)過于強調(diào)規(guī)律的驗證，“照方抓藥”的實驗方式，學(xué)生幾乎不需要進行探索，只要按部就班往下做。這種實驗教學(xué)模式不利于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，不利于提高學(xué)生的探究能力，更不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

鑒于實驗教學(xué)中出現(xiàn)的種種現(xiàn)象，所以教師應(yīng)該盡可能多的開展“科學(xué)”的“實驗”，讓學(xué)生由看實驗到做實驗，學(xué)生由旁觀者變?yōu)閰⑴c者；讓學(xué)生由按部就班做實驗到大膽創(chuàng)新做實驗；讓學(xué)生由單一的實驗結(jié)果到實驗結(jié)論的多樣性。

二、科學(xué)的實驗

科學(xué)實驗之所以受到老師、學(xué)生和社會的重視，這是和“科學(xué)”實驗本身的特點密切相關(guān)的。所以開展“科學(xué)”的實驗必須要有科學(xué)的步驟，根據(jù)不同實驗要采用不同的“科學(xué)”方法。

1.“科學(xué)實驗”的主要步驟

科學(xué)的實驗方法應(yīng)該包括以下六個重要步驟

（1）準備階段：科學(xué)實驗過程的第一個階段，可以叫做實驗的準備階段。一項科學(xué)實驗的價值，它的成功或失敗，很大程度上取決于科學(xué)實驗的準備階段。在這一階段，人們需要進行四項工作。其中的每項工作，都不能離開理論的運用，不能離開邏輯思維活動。

（2）確立實驗?zāi)康模哼@是為了明確我們?yōu)槭裁炊M行實驗。在確立實驗?zāi)康闹?，并不能馬上著手設(shè)計實驗，而是要先明確以什么理論來指導(dǎo)實驗的設(shè)計。這種指導(dǎo)性理論，就是啟發(fā)實驗者應(yīng)采用什么方法并從什么方向上去實現(xiàn)已確立的目的。沒有這一步驟，就不能從實驗?zāi)康倪^渡到具體的實際設(shè)計上去。

（3）著手實驗設(shè)計：實驗設(shè)計的任務(wù)，就是為了在實施實驗之前，先把這個實驗在自己的觀念中完成。實驗設(shè)計是運用一定理論進行邏輯推論的過程。實驗設(shè)計的優(yōu)劣很大程度上取決于設(shè)計過程中的邏輯思維是否嚴密。比如，在實驗設(shè)計中，要細致思考到，在實驗的實施中可能會有哪些偶然性因素發(fā)生，這些偶然性因素會對實驗效應(yīng)帶來什么影響。

（4）實驗準備：人們往住把實驗儀器、設(shè)備、材料的準備，當作是一種純物質(zhì)的活動。其實，每一種儀器都是以某種或某些理論為依據(jù)而進行設(shè)計和制造的。

（5）實施階段：這個階段就是實驗者操作一定的儀器設(shè)備使其作用于實驗對象，以取得某種實驗效應(yīng)和數(shù)據(jù)。儀器設(shè)備與實驗對象的相互作用是不依人的意志為轉(zhuǎn)移的合乎規(guī)律的表現(xiàn)。因此，這個階段的活動是—種客觀的物質(zhì)活動。作為客觀的感性物質(zhì)活動的實驗實施過程正是對人們已有認識的檢驗，也是提供了給人們認識的新事實。

（6）結(jié)果處理階段：在這—階段上，人們對實驗結(jié)果進行分析。因為盡管人們在實驗設(shè)計中作了周密考慮，但在實驗的實施過程，仍會有一些事前沒估計到的主客觀因素影響到實驗結(jié)果。所謂客觀因素主要是指實驗儀器設(shè)備的偶然變化，實驗初始條件、環(huán)境條件的偶然變化、實驗材料在品種規(guī)格上的某些差異等等。所謂主觀因素主要是指，在實驗設(shè)計時，遺漏了對一些可能產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差的考慮，在讀取數(shù)據(jù)時，感官上造成的偏差，等等。這些因素造成的影響是混合在一起的。因此，人們就必須對實驗最初所呈現(xiàn)出來的結(jié)果作出分析，以區(qū)分什么是應(yīng)該消除的誤差，什么是實驗應(yīng)有的結(jié)果。

2.“科學(xué)實驗”的主要方法

（1）純化條件

科學(xué)實驗具有純化觀察對象的條件的作用。自然界的實驗研究和現(xiàn)象是處在復(fù)雜的關(guān)系中的，其內(nèi)部又包含著各種各樣的因素。因此，任何一個具體的對象，都是多祥性的統(tǒng)一。這種情況帶來了認知上的困難，因為對象的某些特性或者是被掩蓋了起來，或者受到其他因素的干擾，以致實驗對象的某些特性，或者是人們不容易認識清楚，或者是通常情況下根本就不能察覺到。而在科學(xué)實驗中，人們則可以利用各種實驗手段，對研究對象進行各種的人工控制，使其擺脫各種偶然因素的干擾，這樣被研究對象的特性就能以本來面目而暴露出來。人們就能獲得被研究對象在自然狀態(tài)下難以被觀察到的特性。

例1：巴斯德肉湯實驗 肉湯腐敗這個常見的現(xiàn)象究竟是什么原因引起的？巴斯德認為煮沸的肉湯后來又變質(zhì)，這是由于空氣中的微生物進入肉湯造成的結(jié)果。但是，在自然的條件下，肉湯總要接觸空氣，而空氣中又必然會有無數(shù)塵埃，塵埃上則攜著微生物。在自然條件下，要使空氣中的微生物不進入肉湯里是不可能的。于是，巴斯德就求助于實驗的“純化”作用。他設(shè)計了一種曲頸瓶，把肉湯注入瓶內(nèi)并加熱殺菌。由于瓶子是曲頸的，它使外界空氣中的塵埃很不容易進入瓶內(nèi)。結(jié)果肉湯并不腐敗。這就是通過一定的實驗手段，排除了空氣中的微生物對肉湯的作用，觀察到了肉湯在比較純粹的狀態(tài)下是不會腐敗的。

（2）強化條件

科學(xué)實驗具有強化觀察對象的條件的作用。在科學(xué)實驗中，人們可以利用各種實驗手段，創(chuàng)造出在地球表面的自然狀態(tài)下無法出現(xiàn)的或幾乎無法出現(xiàn)的特殊條件，如超高溫、超高壓、超低溫、超真空等等。在這種強化了的特殊條件下，人們遇到了許多前所未知的在自然狀態(tài)中不不能或不易遇到的新現(xiàn)象，使人們發(fā)現(xiàn)了許多具有重大意義的新事實。

例2：超導(dǎo)態(tài) 人們能通過一定實驗手段，造成接近絕對零度的超低溫，從而使我們能把幾乎所有的氣體液化。在這種超低溫下，人們也能發(fā)現(xiàn)某些材料具有特殊優(yōu)良的導(dǎo)電性能，即具有無電阻、抗磁等超導(dǎo)態(tài)特性。

（3）可重復(fù)性

科學(xué)實驗具有可重復(fù)的性質(zhì)。在自然條件下發(fā)生的現(xiàn)象，往往是一去不復(fù)返的，因此無法對其反復(fù)地觀察。在科學(xué)實驗中，人們可以通過一定實驗手段使被觀察對象重復(fù)出現(xiàn)，這樣，既有利于人們長期進行觀察研究，又有利于人們進行反復(fù)比較觀察，對以往的實驗結(jié)果加以核對。

例3：普利斯特氧氣實驗 英國化學(xué)家普利斯特列在1774 年用聚光鏡加熱汞的氧化物而分解出一種氣體，它比空氣的助燃性要強好多倍。普利斯特列把這種氣體稱之為失燃氣體。當普利斯特列把這個消息告訴法國科學(xué)家拉瓦錫后，拉瓦錫馬上動手重復(fù)了這個實驗，使他終于發(fā)現(xiàn)加熱氧化汞而分解出來的能助燃的氣體不是別的而是氧氣。

正是由于”科學(xué)實驗”具有這些特點，因此科學(xué)實驗在初中科學(xué)課堂教學(xué)中越來越廣泛地被應(yīng)用，并且在現(xiàn)代“科學(xué)“教學(xué)中占有越來越重要的地位。在初中科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生需要研究的科學(xué)內(nèi)容越來多，使得”科學(xué)實驗“的形式也不斷豐富和多樣。“科學(xué)“的”實驗“能讓學(xué)生對”實驗“了解地更加”科學(xué)“。實驗現(xiàn)象更清晰，印象更深刻，讓學(xué)生的實驗更嚴謹，思維更創(chuàng)新，從而逐漸向“實驗”的“科學(xué)”目標邁進。我們認為，“科學(xué)的實驗”是“實驗的科學(xué)”的前提。

三、實驗的科學(xué)

1.通過實驗演示，科學(xué)認識“實驗的科學(xué)”

初中學(xué)生在學(xué)習(xí)階段知識面比較窄，見到的事物也較少，在學(xué)習(xí)的時候會對所學(xué)知識中提到的事物不知所云，這樣根本不可能讓學(xué)生繼續(xù)分析問題和解決問題。比如，學(xué)到鎂的時候，學(xué)生根本沒見過鎂，怎么可能知道它在氧氣中燃燒會是什么樣子，科學(xué)實驗的好處就在于讓學(xué)生通過觀察，用視覺、嗅覺和聽覺感知物質(zhì)的本質(zhì)屬性，使學(xué)生通過真實實驗形成化學(xué)思維，加深學(xué)生對科學(xué)概念的理解。

例4：實驗室制取二氧化碳 在實驗室制取二氧化碳的實驗中，如果教師在講解完之后讓學(xué)生直接看收集好的二氧化碳，學(xué)生不會明白到底是怎么收集的，也不知道收集的是不是二氧化碳。但是，要是讓學(xué)生通過自己動手做實驗的方法，效果是完全不一樣的，學(xué)生收集到二氧化碳之后還可以檢驗它的存在，都可以幫助學(xué)生深刻理解物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，使學(xué)生對形成物質(zhì)這一過程充分了解，把抽象知識轉(zhuǎn)化為感性認識并形成科學(xué)概念。

2.通過學(xué)生實驗，科學(xué)了解 “實驗的科學(xué)”

初中科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，諸多科學(xué)知識的探究，學(xué)生都可以通過實驗獲得的?？v觀初中科學(xué)教材，很多物理現(xiàn)象來自于日常生活，而這些現(xiàn)象在實驗室里是難以得到的。但卻可以將生活物品搬到講臺上成為科學(xué)課的教材，能給學(xué)生耳目一新的感覺，從而讓學(xué)生感知科學(xué)源于生活，又服務(wù)于生活，大大促進了教學(xué)效率的提高。因此，在平時的教學(xué)中，應(yīng)鼓勵學(xué)生充分利用生活用品做演示實驗，并用多媒體展臺進行放大，能有效的解決學(xué)校實驗室里器材不能滿足人人一套的問題，而且還易于取材，操作簡便，能最大限度的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，自己動手，自主探究，能更好的培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ圆粩喃@取新的科學(xué)知識。

例5：“阿基米德原理”的教學(xué)設(shè)計 取一個雪碧瓶，剪底留口。取一個乒乓放入瓶中，向瓶中倒水，可以發(fā)現(xiàn)乒乓被壓在水底，不能上浮。此實驗出乎學(xué)生意料，可以使學(xué)生形成強烈思想沖擊，在此基礎(chǔ)上杰斯浮力產(chǎn)生的原因，學(xué)生信服。再把瓶口浸入水中，則立見乒乓“突”地一下跳出水面，現(xiàn)象十分明顯。究其原因，則是因為乒乓受到向上的壓強，浮力產(chǎn)生了。分析：浮力產(chǎn)生的原因是浸在液體中的物體受到向上和向下的壓力之差。實驗室里的器材蠟塊演示浮力產(chǎn)生的原因，難以保證蠟塊和容器底面緊密接觸，蠟塊很容易浮起來。用蠟塊說明浮力產(chǎn)生的原因效果不佳，而用乒乓做實驗說明浮力產(chǎn)生原因的首選。

3.通過隨堂實驗，科學(xué)培養(yǎng)“實驗的科學(xué)”學(xué)習(xí)習(xí)慣

科學(xué)實驗具有很強的規(guī)范性，學(xué)生需要掌握其規(guī)范才能進行基本操作的，學(xué)生在這一操作過程中會逐漸養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。當然僅僅靠學(xué)生自己規(guī)范還不行，教師在學(xué)生平時做實驗時，應(yīng)該對學(xué)生加強檢查并及時糾正出現(xiàn)的錯誤。一切良好的習(xí)慣都是在雙方共同努力下才能逐漸形成的。因此，教師應(yīng)該以身作則，在做示范性實驗的時候要嚴格遵守其規(guī)范要求，因為學(xué)生會以教師為模版進行效仿。尤其是教師在連接裝置、對試管加熱、攪拌藥品，振蕩試管和聞氣味的時候都要謹遵科學(xué)規(guī)范，千萬不能為了方便而使操作不規(guī)范，因為不符合規(guī)范的操作會給學(xué)生造成不良的影響，學(xué)生做實驗時也無法要求學(xué)生嚴格按照科學(xué)規(guī)范操作。

例6：在做點燃氫氣的實驗之前，一定要檢驗氫氣的純度以防爆炸；在做制取二氧化碳實驗時，一定要先檢驗裝置的氣密性，后裝入藥品。有的教師在上課之前就已經(jīng)檢查好裝置的氣密性，導(dǎo)致在給學(xué)生做示范性實驗的時候就忘記了要演示檢查裝置氣密性這一步驟，這樣會對培養(yǎng)學(xué)生的習(xí)慣造成不良的影響。

4.通過創(chuàng)新實驗，科學(xué)提高 “實驗的科學(xué)”素養(yǎng)

學(xué)生的創(chuàng)新能力落實在實驗中，因此，新課改重視探究式教學(xué)的開展。但實際情況是初中生的探究能力遠遠低于老師的預(yù)期，因此，不少老師不能真正的開展探究式教學(xué)，所以容易走形式主義。有人聽課的時候，開展探究式教學(xué)，沒有人聽課的時候繼續(xù)采用灌輸式教學(xué)，即使某些老師利用探究式教學(xué)，也是空有其形，本質(zhì)還是灌輸式教學(xué)。比如，當一個問題揭示出來后，老師總是代替學(xué)生進行實驗的設(shè)計，然后再反復(fù)的提示實驗中的步驟，學(xué)生按照老師的提升“終于探究”出來了！這樣的教學(xué)模式是無法真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的。

在新課程教學(xué)中，我們不僅要重視探究式教學(xué)的開展，還應(yīng)該賦予它新的內(nèi)涵，要實現(xiàn)創(chuàng)新的探究式教學(xué)，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到更好的培養(yǎng)。

例7：在學(xué)習(xí)電路知識的時候，可以直接向?qū)W生分發(fā)電池組、開關(guān)、導(dǎo)線、小燈泡等等的器材，然后向?qū)W生提出這樣的問題：請你用課桌上的器材，使小燈泡亮起來，又有多少種辦法讓小燈泡不亮？讓小燈泡亮起來是比較容易的事，也沒有多少種不一樣的辦法，但讓亮著的小燈泡熄滅，卻引起了學(xué)生的興趣，他們想出了很多辦法，投入實驗的積極性是空前的。有的學(xué)生斷開了開關(guān)；有的學(xué)生拔出了電池；有的學(xué)生拆除了導(dǎo)線；有的學(xué)生弄松了燈泡等等，此時，老師可以再拋出一個小小的要求：不做上面任何一件“破壞性”的事，能不能再增加一根導(dǎo)線，使電燈熄滅？學(xué)生是沒有什么電學(xué)知識的，但對于這樣感興趣的問題是有積極性研究的，它們在摸索著如何增加一根導(dǎo)線使小燈泡不亮的辦法。不少學(xué)生終于找到一個辦法———電學(xué)上稱為的短路。

由上可見，探究式教學(xué)的本身不是一成不變的，老師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況實施創(chuàng)新，讓學(xué)生更好的體驗研究科學(xué)問題，在探索中不斷的前進。雖然，初中學(xué)生只能探究些淺而易懂的知識，但可以通過科學(xué)實驗，為將來學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新的思維能力的養(yǎng)成打下堅實的基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

從新課程的理念看，課堂實驗僅僅是學(xué)生做實驗的主要陣地。除此之外，教師的學(xué)識修養(yǎng)和人格魅力，課外實驗的開展、網(wǎng)絡(luò)的實驗的科教資源等都是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要資源，而這些資源的整合和運用，最后都會落到教師身上。因此，每一位科學(xué)教師都應(yīng)該是實驗達人，每一位科學(xué)教師追求的實驗?zāi)繕司褪亲屪约撼蔀樯詈驼n堂的“實驗的活體科學(xué)人”。如果說，一千個演員就有一千個哈姆雷特，那么一千名科學(xué)教師就應(yīng)該有一千門各具特色的“實驗活體科學(xué)人”。只有確立這樣的追求目標，才可以改變“跪著”教書的窘境，大膽擺脫各種束縛，幫助學(xué)生學(xué)會“科學(xué)的實驗”，真正實現(xiàn)“實驗的科學(xué)”的目標。

參考文獻

[1]《馬克思恩格斯選集》第3卷，人民出版社1972年版，第523-524頁

[2]《初中科學(xué)新課程標準》，北京師范大學(xué)出版集團（2011版），2012（1）

[3]《浙江教育科學(xué)》，浙江省教育科學(xué)研究院，2012總第135期

[4]《中學(xué)物理教與學(xué)》，中國人民大學(xué)，2015年第1期

[5]《物理學(xué)思想史與方法論》，湖南大學(xué)出版社，2001（9）

[6]《高中物理探究性趣味實驗》，浙江大學(xué)出版社，2002

（作者單位：杭州市蕭山區(qū)黨灣鎮(zhèn)初級中學(xué)）