漫談科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)驗(yàn)證性

趙龍

摘要國(guó)家大力提倡科學(xué)素養(yǎng)的教育，而對(duì)于科學(xué)本質(zhì)屬性的理解，尤其是對(duì)于科學(xué)是可以重復(fù)檢驗(yàn)的這一根本特征的認(rèn)識(shí)，就十分重要。科學(xué)有四大本質(zhì)屬性，可重復(fù)驗(yàn)證性是其中重要的一條。比薩斜塔上的鐵球自由下落實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)哈雷彗星等科學(xué)發(fā)展史，就是一部不斷重復(fù)驗(yàn)證的歷史。加強(qiáng)科學(xué)的可重復(fù)驗(yàn)證性的教育在小學(xué)科學(xué)課中不僅可行而且重要。

關(guān)鍵詞科學(xué);可重復(fù)檢驗(yàn);科學(xué)史

中圖分類(lèi)號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.029

On the Repeatability of Scientific Experiments

ZHAO Long

（Hunan Science and Technology Press，Changsha，Hunan 410003）

Abstract：The state vigorously advocates the education of scientific literacy，and it is very important to understand the essential attribute of science，especially the fundamental feature that science can be tested repeatedly. Science has four essential attributes，of which repeatability is an important one. The history of scientific development such as the free fall experiment of the iron ball on the Leaning Tower of Pisa and the discovery of Halley，s comet is a history of repeated verification. Strengthening the education of scientific repeatability is not only feasible but also important in primary school science class.

Keywords：science;repeatable inspection;history of science

1科學(xué)的四個(gè)本質(zhì)屬性

2017年教育部頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，科學(xué)素養(yǎng)包括：了解必要的科學(xué)技術(shù)知識(shí)及其對(duì)社會(huì)與個(gè)人的影響，知道基本的科學(xué)方法，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，樹(shù)立科學(xué)思想，崇尚科學(xué)精神，并具備一定的運(yùn)用它們處理實(shí)際問(wèn)題、參與公共事務(wù)的能力。

認(rèn)識(shí)科學(xué)的一些本質(zhì)屬性，可以說(shuō)是科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)非常重要的方面。以下，是科學(xué)的四個(gè)本質(zhì)屬性：

科學(xué)是理性客觀(guān)的——因而，科學(xué)是需要經(jīng)得起重復(fù)驗(yàn)證的;

科學(xué)是可證偽的（數(shù)學(xué)不可證偽，迷信不可證偽，宗教不可證偽，它們都不是科學(xué)）;

科學(xué)是有適用范圍的（科學(xué)本身也是發(fā)展的）;科學(xué)在其適用范圍內(nèi)是有著普遍必然性的。

科學(xué)的這四個(gè)本質(zhì)屬性，要在小學(xué)階段既全面又扎實(shí)地建立，誠(chéng)然不現(xiàn)實(shí)，其中有許多方面需要通過(guò)中學(xué)、大學(xué)乃至一生去加深認(rèn)識(shí)。不過(guò)，一些基礎(chǔ)性的認(rèn)識(shí)是可以在小學(xué)作鋪墊的，甚至可以做一些有針對(duì)性的強(qiáng)調(diào)，例如科學(xué)是要經(jīng)得起重復(fù)驗(yàn)證的。

2科學(xué)可重復(fù)驗(yàn)證的重要性

首先，從科學(xué)哲學(xué)視角來(lái)看，科學(xué)本質(zhì)屬性的第一條“科學(xué)是理性客觀(guān)的“，就必然要求科學(xué)的可重復(fù)驗(yàn)證。理論上，科學(xué)事實(shí)在相同條件下就應(yīng)該而且能夠被重復(fù)驗(yàn)證。

一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，你去做這樣的實(shí)驗(yàn)，我去做這樣的實(shí)驗(yàn)，或者他去做，各人難免存在各自的主觀(guān)因素干擾;不同的時(shí)間、地點(diǎn)、方式，對(duì)同一個(gè)人做此實(shí)驗(yàn)也可能產(chǎn)生不同的客觀(guān)、主觀(guān)因素干擾，既然科學(xué)要求所反映的必須是理性和客觀(guān)的，那就應(yīng)該盡量去排除一切可能的主觀(guān)因素干擾。于是，可重復(fù)驗(yàn)證就成了科學(xué)研究的一個(gè)必然要求。

其次，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)驗(yàn)證是科學(xué)知識(shí)真實(shí)性和確定性的基礎(chǔ)，為判斷科學(xué)活動(dòng)的可靠性提供依據(jù)，一定程度上意味著科學(xué)知識(shí)的普遍性。因此，可重復(fù)驗(yàn)證成為重要的科學(xué)原則，也只有能經(jīng)過(guò)重復(fù)驗(yàn)證的科學(xué)發(fā)現(xiàn)才能夠被納入科學(xué)知識(shí)體系。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)驗(yàn)證要求：

實(shí)驗(yàn)的樣本量足夠大，在相同實(shí)驗(yàn)條件下要有足夠的重復(fù)觀(guān)察次數(shù)，突出其必然規(guī)律，以避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性。

任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性應(yīng)經(jīng)得起獨(dú)立實(shí)驗(yàn)重復(fù)的考驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)是檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性的唯一方法。

在大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以得到從個(gè)別到一般規(guī)律的歸納;得出規(guī)律性結(jié)論后還需要不斷的可重復(fù)驗(yàn)證，使得規(guī)律、結(jié)論的必然性得到加強(qiáng)。如遇到重復(fù)驗(yàn)證不成立的情況下亦可證偽，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步修正認(rèn)識(shí)，使得科學(xué)得以前進(jìn)。

沒(méi)有重復(fù)驗(yàn)證，就不可能發(fā)現(xiàn)與原有認(rèn)識(shí)（理論）相同的事實(shí)，也就無(wú)從進(jìn)一步證實(shí)已知理論。沒(méi)有重復(fù)驗(yàn)證，就沒(méi)有可能發(fā)現(xiàn)與原有認(rèn)識(shí)（理論）不一致（相悖）的事實(shí)，也就無(wú)從證偽，也就無(wú)從提出新的理論，也更無(wú)從有新的發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有科學(xué)的發(fā)展。

證實(shí)與證偽是矛盾統(tǒng)一的，統(tǒng)一的目的在于促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展，統(tǒng)一的方法即重復(fù)驗(yàn)證。

3科學(xué)的發(fā)展史就是一部不斷重復(fù)驗(yàn)證的歷史

3.1比薩斜塔上的鐵球自由下落實(shí)驗(yàn)

伽利略的比薩斜塔上的鐵球自由下落實(shí)驗(yàn)，常常用來(lái)教育不要迷信權(quán)威——課程標(biāo)準(zhǔn)中的“科學(xué)態(tài)度”項(xiàng)目的要求即有“在科學(xué)探究中能以事實(shí)為依據(jù)，不從眾，不輕易相信權(quán)威與書(shū)本”。此前，人們普遍相信亞里士多德的重物比輕物下落速度更快的判斷，從來(lái)沒(méi)有誰(shuí)去做過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，但恰恰是伽利略第一個(gè)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可重復(fù)驗(yàn)證，立刻就否定了這個(gè)結(jié)論。

由于伽利略的實(shí)驗(yàn)思想及其對(duì)后世科學(xué)發(fā)展的重大影響，伽利略也被公認(rèn)為實(shí)驗(yàn)科學(xué)的開(kāi)拓者。

3.2發(fā)現(xiàn)哈雷彗星等證實(shí)了牛頓的萬(wàn)有引力定律

1758年的平安夜（12月24日），德國(guó)德雷斯登的一位農(nóng)夫在自家院里架起天文望遠(yuǎn)鏡，朝向西北方的天際，在那里，他驚喜地發(fā)現(xiàn)了一顆閃亮的彗星。這位農(nóng)夫因此成為人類(lèi)歷史上第一個(gè)在預(yù)定時(shí)間觀(guān)測(cè)到彗星的人。不過(guò)，歷史并沒(méi)有記錄下他的名字，而是用一個(gè)十幾年前就去世的科學(xué)家的名字命名了這顆彗星——哈雷彗星。

原來(lái)，在運(yùn)用牛頓的萬(wàn)有引力定律和結(jié)合天文資料的艱苦計(jì)算后，哈雷發(fā)現(xiàn)1531年、1607年和1682年出現(xiàn)的三顆彗星軌道看起來(lái)如出一轍，于是大膽地假設(shè)它們是同一顆彗星。再經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)算，考慮木星、土星等星體的引力攝動(dòng)之后，1708年，他預(yù)言這顆彗星將在1758年底或1759年初再次回歸，并給出了它的軌道數(shù)據(jù)。

牛頓的萬(wàn)有引力定律準(zhǔn)確地描述了人們已知的水星、金星、地球、火星、木星、土星等行星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道規(guī)律。18世紀(jì)赫歇耳偶然發(fā)現(xiàn)了天王星之后，對(duì)于天王星的跟蹤觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，天王星總是跟萬(wàn)有引力定律預(yù)報(bào)的位置有偏差，所以預(yù)言在天王星外面有一個(gè)星體對(duì)它造成了影響，并且根據(jù)這種影響計(jì)算出了那個(gè)星體所在的位置，果然在預(yù)告的位置上發(fā)現(xiàn)了海王星?？茖W(xué)家在發(fā)現(xiàn)海王星之后，在運(yùn)用萬(wàn)有引力定律的計(jì)算中，又發(fā)現(xiàn)了就算加上海王星的影響也不足以造成天王星這么大的偏差，于是再次計(jì)算新星體的位置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了冥王星。

牛頓的萬(wàn)有引力定律，在不同的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀(guān)察中，得到了可重復(fù)驗(yàn)證。

3.3人類(lèi)首次有了可用的穩(wěn)定連續(xù)電源

人類(lèi)現(xiàn)代生活中的電，也是來(lái)自不斷可重復(fù)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)推動(dòng)。1786年的一天，伽伐尼在實(shí)驗(yàn)室解剖青蛙，剝了皮的蛙腿，在用刀尖碰蛙腿上外露的神經(jīng)時(shí)，蛙腿劇烈地痙攣，同時(shí)出現(xiàn)電火花。伽伐尼還在實(shí)驗(yàn)中意外地發(fā)現(xiàn)，若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，當(dāng)兩種金屬的另一端相碰時(shí)，蛙腿也會(huì)發(fā)生抽動(dòng)。伽伐尼沒(méi)有弄清其中的原因，他稱(chēng)之為動(dòng)物電。

伏打讀過(guò)伽伐尼的《論在肌肉運(yùn)動(dòng)中的電力》，在重復(fù)了伽伐尼的實(shí)驗(yàn)后，起初他是同意伽伐尼關(guān)于動(dòng)物電的結(jié)論的。伏打還注意到，如果把兩種相互接觸的不同金屬放在舌上，就會(huì)引起一種特殊的感覺(jué)，有時(shí)是酸性，有時(shí)是堿性。進(jìn)一步，伏打認(rèn)為問(wèn)題的關(guān)鍵在于這兩種相互接觸的不同金屬（如銅和鋅），而不是動(dòng)物電——蛙腿只不過(guò)是一種非常靈敏的探測(cè)器。

伏打繼續(xù)深入研究，終于在1800年3月公布了他發(fā)明的伏打電堆，關(guān)于這個(gè)發(fā)明的介紹文章的標(biāo)題就是《論不同導(dǎo)電物質(zhì)接觸產(chǎn)生的電》。

伏打電堆是由多層鋅片和銀片疊合而成，其中間隔有浸漬了鹽水的紙板，亦稱(chēng)伏打電池。伏打電堆很快就被無(wú)數(shù)的人重復(fù)驗(yàn)證了，電堆能產(chǎn)生連續(xù)的電流，其強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)比此前從靜電起電機(jī)能得到的電流大。

伏打重復(fù)驗(yàn)證了伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的更進(jìn)一步研究和分析，最終找出現(xiàn)象背后的真實(shí)科學(xué)原理。隨著伏打后來(lái)的改進(jìn)，才有了人類(lèi)首次可用的穩(wěn)定連續(xù)電源（電池）的發(fā)明，由此開(kāi)始了一場(chǎng)電學(xué)的科學(xué)革命。

3.4植物光合作用的發(fā)現(xiàn)

生物實(shí)驗(yàn)因?yàn)椴僮?、環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對(duì)象復(fù)雜性等原因，重復(fù)性的確不如物理或者化學(xué)實(shí)驗(yàn)好。但任何科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可重復(fù)性都是必須要強(qiáng)調(diào)的，可重復(fù)性不夠好不可與不能重復(fù)畫(huà)等號(hào)。如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要特定的人在特定的時(shí)間和地點(diǎn)來(lái)重復(fù)，那么這只能是一個(gè)站不住腳的、片面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因果關(guān)系沒(méi)有搞清楚，這個(gè)數(shù)據(jù)的權(quán)威性就要受到質(zhì)疑。

1774年，英國(guó)的普利斯特列發(fā)現(xiàn)，將一只小鼠放在密閉的鐘罩內(nèi)不久就會(huì)窒息死亡，但把小鼠和一株植物同時(shí)放在密閉的鐘罩里，小鼠會(huì)活得很好。他據(jù)此得出結(jié)論：植物會(huì)吸收空氣中的“污濁之氣”使空氣重新變得新鮮。后來(lái)人們知道了那“污濁之氣”是二氧化碳。

1779年，荷蘭的英根豪斯重復(fù)了普利斯特列的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)普利斯特列的實(shí)驗(yàn)只有在陽(yáng)光照射下才能成功;只有植物體的綠葉才能更新空氣。后來(lái)的科學(xué)家證明了綠葉產(chǎn)生的氣體是氧氣。

英根豪斯對(duì)普利斯特列的實(shí)驗(yàn)不僅僅做了簡(jiǎn)單的可重復(fù)性的驗(yàn)證，他更細(xì)致地做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件控制的研究。普利斯特列和英根豪斯都是植物光合作用科學(xué)研究史上的重要奠基人。

4小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)重視科學(xué)的可重復(fù)驗(yàn)證

科學(xué)課教學(xué)，要幫助學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的理性客觀(guān)意識(shí)，懂得重復(fù)驗(yàn)證的重要，了解并掌握重復(fù)檢驗(yàn)的基本原理和方法。這在以往的教材編寫(xiě)和教學(xué)實(shí)踐中是容易被忽視的部分，今后應(yīng)該加強(qiáng)。作為教師，樹(shù)立科學(xué)需要重復(fù)驗(yàn)證的這一理念尤為重要，只有教師的理念樹(shù)立了，落實(shí)到具體的教學(xué)行動(dòng)中，才能向?qū)W生傳播這一理念。

一般地，教師在教學(xué)中基本做到了不同的班級(jí)、不同的時(shí)間和地點(diǎn)，做同樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以得到同樣的科學(xué)結(jié)論。教師也鼓勵(lì)學(xué)生不迷信權(quán)威和書(shū)本，樂(lè)于親歷探究，用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證那些權(quán)威或書(shū)本的結(jié)論。而在某些比較特別的實(shí)驗(yàn)中，關(guān)于“科學(xué)是要經(jīng)得起重復(fù)驗(yàn)證”還應(yīng)進(jìn)一步挖掘。

例如，用凡士林把火柴棒粘在金屬棒上，用酒精燈在鐵棒的另一端加熱，觀(guān)察火柴棒的掉落順序，發(fā)現(xiàn)熱總是從物體的高溫部分向低溫部分傳導(dǎo)。之后，再加熱涂蠟的金屬圓片，觀(guān)察熱在金屬圓片中的傳遞，也是如此。

又如，在做熱水上升冷水下降的實(shí)驗(yàn)時(shí)，不單要做“紅色熱水在上，冷水在下”的實(shí)驗(yàn)，還要做“紅色熱水在下，冷水在上”的實(shí)驗(yàn)（如圖1）。為了排除水染成紅色的這個(gè)干擾因素，還需要將冷水染紅，再做一次上述實(shí)驗(yàn)。為什么要這樣呢？這其實(shí)已經(jīng)初步涉及了科學(xué)的認(rèn)識(shí)方法論上的可重復(fù)驗(yàn)證，這是可以也是有必要讓學(xué)生分析和了解的。

關(guān)于認(rèn)識(shí)方法論上的可重復(fù)驗(yàn)證，最著名的莫過(guò)于牛頓用三棱鏡在做光的色散實(shí)驗(yàn)時(shí)，寫(xiě)下的科學(xué)筆記。想必，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)光的色散內(nèi)容時(shí)，有了對(duì)科學(xué)史上牛頓關(guān)于光的色散的研究筆記的深入閱讀理解，應(yīng)該能對(duì)科學(xué)研究的可重復(fù)驗(yàn)證和科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

類(lèi)似的情形還有很多。教師可以選取恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容，在某個(gè)點(diǎn)適度深挖一下可重復(fù)驗(yàn)證，例如燒開(kāi)水就可以從平常的1個(gè)課時(shí)的教學(xué)擴(kuò)充為2個(gè)課時(shí)的教學(xué)：

第1課時(shí)，第一次燒水，初步認(rèn)識(shí)什么是沸騰，知道什么狀態(tài)就是水燒開(kāi)了。第二次燒水，各組都用相同的裝備燒水（如酒精燈、石棉網(wǎng)、小燒杯），主要關(guān)注水沸騰時(shí)的溫度、特征等。

第2課時(shí)，第三次燒水，各組選用不同材質(zhì)以及不同大小的容器、不同的加熱方法燒水（如選用玻璃燒瓶、瓦罐、不銹鋼杯、鋁制飯盒等容器，以及酒精燈、電磁爐、電熱水壺等加熱方式），但只要水燒開(kāi)了，關(guān)于水的沸騰的那些科學(xué)結(jié)論，通過(guò)可重復(fù)驗(yàn)證都成立。

第2課時(shí)的后半部分，可以介紹高原地區(qū)的燒開(kāi)水情況，如拉薩的開(kāi)水沸點(diǎn)只有88 ℃，在海拔5000米的地方，沸點(diǎn)只有84 ℃，人們?yōu)榱酥笫焓澄锞椭荒苡酶邏哄仭?00 ℃沸騰的結(jié)論，不能通過(guò)可重復(fù)驗(yàn)證了。這是為什么？要給這個(gè)“水在100 ℃沸騰”的結(jié)論加上一個(gè)什么樣的限制才能成立？這些，將在中學(xué)進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

5結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)一種科學(xué)觀(guān)念、一種科學(xué)思維的習(xí)慣，不可能一蹴而就，而是需要日積月累的訓(xùn)練。教師自己必須站在一個(gè)更高的層面上，有目的有意識(shí)地抓住科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴契機(jī)，潛移默化地滲透在教學(xué)中?？茖W(xué)必須具備可重復(fù)驗(yàn)證這樣的核心思想，應(yīng)該在合適的時(shí)候凸顯出來(lái)的。

事實(shí)上，水變油的大騙局，特異功能的耳朵辨字，某大師的“凌空勁”，熟雞蛋返生……這些層出不窮的騙術(shù)，其實(shí)只要遇到可重復(fù)驗(yàn)證的科學(xué)“試金石”，無(wú)一不原形畢露。掌握這個(gè)科學(xué)“試金石”，培養(yǎng)學(xué)生最基本的科學(xué)精神，則離不開(kāi)小學(xué)這一階段。

參考文獻(xiàn)

[1]張?zhí)烊?科學(xué)是什么[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[2]吳國(guó)盛.什么是科學(xué)[M].廣州：廣東人民出版社，2016.

[3]吳國(guó)盛.科學(xué)的歷程[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

[4]威廉·麥克馬斯.科學(xué)教育中的科學(xué)本質(zhì)：理論和策略[M].桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2014.