从认识论角度谈化学实验的功能

孙佳林　郑长龙　车美玉

(1.东北师范大学化学教育研究所，吉林 长春 130024；2.伊犁师范学院，新疆 伊宁 835000；3.延吉市第二高级中学，吉林 延吉 133000)



学科教学

从认识论角度谈化学实验的功能

孙佳林1，2郑长龙1车美玉3

(1.东北师范大学化学教育研究所，吉林 长春 130024；2.伊犁师范学院，新疆 伊宁 835000；3.延吉市第二高级中学，吉林 延吉 133000)

“化学是一门以实验为基础的学科”，从认识论角度看，化学实验在化学科学发展中扮演了提供“证据”的角色，这些证据成为科学家进行“证实”、“证否”、“范式替代”和“研究纲领更迭”并推动化学科学发展的基础。因此在化学实验教学中不要轻视验证性实验，要正视探究性实验。

化学；实验；认识论；证据

当我们面对世界时，应当如何进行概括、研究，应当运用何种方法来得出结论，运用这种方法是否合理，所获得的“知识”是否可靠，通过何种方法才能够得到真实的知识？这就是哲学认识论的问题。[1]从科学哲学认识论的发展历史脉络来看，科学哲学认识论先后经历了静态的逻辑主义(以石里克为代表的逻辑实证主义、以波普尔为代表的逻辑否证主义)和动态的历史主义(以库恩为代表的“范式”学说和以拉卡托斯为代表的“研究纲领”学说等)两个主要的发展阶段。前者着重于科学本质的研究，即科学是什么和不是什么的问题；后者着重于科学发现和科学进步的研究，即科学知识如何增长的问题。在这两个主要的发展阶段中，人们的认识水平和认识能力与实验技术的发展相得益彰，化学实验作为一种认识手段扮演着提供“证据”的重要角色，对于化学的发展具有认识论意义。

一、化学实验为化学科学的认识提供证据

1.化学实验为“证实”提供证据

关于科学是什么的问题，逻辑实证主义者认为：科学的标准十分清楚，凡是实证的知识，通过经验的或观察实验证明的知识就是科学的，不能实证的所谓知识都是形而上学的、非科学的。[1]逻辑实证主义者检验科学的工具是“证实”，即通过经验或实验证明确实是对的。证明需要证据。事实上，化学家们进行证实的工作沿着这样的思路进行：收集证据—整理证据—基于证据的推理—微观解释，化学实验作为一种化学认识的实践活动，是提供证据的基础，是进行化学认识的重要途径。例如伟大化学家门捷列夫于1871年发现元素周期律以后，科学家们对其发现的规律进行证实的工作一日也没有停止过——他的学说到底是不是科学的呢？他给元素排的“座位”是否合适呢？仅过了4年，1875年的时候，法国的化学家鲁克库就在检查比利牛斯山出产的闪锌矿分光光谱中发现已有元素没有的紫色线条，后经过复杂的分析化验工作终于得到了极微量的新元素，并被命名为镓。他紧接着研究了镓的性质，发现与门捷列夫所预言的元素“类铝”的性质完全一致，更让他吃惊的是不仅主要点完全一致甚至连次要之点也都几无出入。[2]紧接着，“类硼”“钪”元素、“类硅”“锗”元素等都在实验中被发现并证实了门捷列夫所主张的元素周期律确实存在。之后，化学家通过化学实验对元素周期律的证实工作一直在持续，通过实验为这些元素是否符合元素周期律提供了不可否认的、不容怀疑的证据。元素周期表中新成员的加入以及新成员与老成员之间的“血缘关系”都通过化学实验提供的证据给予了完美佐证，这就对元素周期律给予了“证实”——毫不夸张地说，元素周期律是迄今为止化学史上最完美的一件作品！科学家们对元素周期律的崇拜和景仰达到了巅峰。

2.化学实验为“证否”提供证据

关于科学是什么的问题，逻辑否证主义者认为：科学知识总体的性质是一种猜测和假说，不过这种猜测和假说与非科学的臆想和胡说是根本不同的，科学的猜测是具有经验性的，这种经验性可以从经验事实对它能否反驳、能否批判的否证方法中区别出来。[1]逻辑否证主义者检验科学的工具是“证否”，哪怕一千个一万个都是被“证实”的，但是只要一个被“证否”了，那么这个所谓的“科学”就不是科学了。比起“证实”来，好像“证否”的工作量小得多，其实不然，“证否”也不是轻松的事情。18世纪末，伽伐尼无意中发现用金属刀划青蛙腿，青蛙腿会发生抽搐现象，他通过实验屡试不爽，并认定这是因为生物体内存在“生物电”，是生物电导致青蛙腿的抽搐，并很快发表了论文，“生物电”成为当时的新发现、新事物。这一发现引起了同时代的伏打的关注，青蛙腿抽搐真的是因为“生物电”的原因？他按照伽伐尼的实验用品和实验步骤开始了实验——划青蛙腿：一只，抽搐了；两只，抽搐了；三只……直到有一天，他因为一时找不到放置青蛙的金属托盘随手拿了一个木制的托盘后，再用刀划，青蛙腿没有抽搐。他开始怀疑伽伐尼的主张了，然后继续实验。经过无数次的金属托盘——青蛙腿抽搐和木制托盘——青蛙腿不抽搐的对比实验终于得出结论：蛙肌的收缩只是由于蛙肌中含有导电液体，将青蛙肌肉通过不同金属连接成闭合回路，这才是产生电的关键。于是，“生物电”是导致青蛙腿抽搐的原因主张被彻底颠覆了，一个看似科学合理的解释被推翻了。我们可从伏打锲而不舍的实验中看到科学家不唯真理的可贵精神。通过实验“证否”的证据，伏打完成了真理的找寻和对科学的甄别。

3.化学实验为“范式替代”提供“证据”

库恩说，范式一词无论实际上还是逻辑上，都很接近于“科学共同体”这个词，一种范式是，也仅仅是一个“科学共同体”成员所共有的东西。反过来说，也正由于他们掌握了共有的范式才组成了这个“科学共同体”。[1]他提出，科学的进步是一个从前范式时期—范式的常规科学时期—反常时期—危机—革命(新旧范式更替)—新的常规科学时期循环往复的运动过程。也即是说，他抛弃了逻辑历史主义那种静止看待知识是否科学的问题，而是把知识放在一个动态的历史环境中，只要符合当时的范式就是科学家们共同认可的“科学”，反之则不然。如果知识对当时的范式提出了挑战，即原有的范式无法解决这种冲突而且最终通过实验证明这个知识就是原有范式的“掘墓人”的时候，原有范式进入了反常—危机—革命时期，新的范式替代旧的范式，知识获得增长，科学获得进步。17世纪以前古希腊哲学家的“原子学说”认为“原子”是不可再分的物质，也就是不论用什么方法都不能再分割的最小的微粒。这个学说也就是所谓的物质不可再分的范式统治了几个世纪。直到19世纪初，道尔顿提出了新的原子学说，提出了原子的球形模型设想，主张物质是可分的，原子是最小的微粒。他还通过实验发现参加反应的物质之间存在规律性的关系，借此，他进行了各种相对原子质量的测定，当然结果很粗糙。这时候的原子依然是不可分的。1897年，英国科学家汤姆生通过对阴极射线的定性和定量研究，发现了一种比原子还小的粒子“电子”。[3]自此，原子被打开，同时打破的还有原子不可分的传统范式。之后，通过一系列的实验，现代原子论不仅证明了原子结构的复杂性，而且对微观粒子的运动提出了动态模型[4]，量子化学也建立起来——新的范式建立了，科学家们认可了“现代科学原子学说”。这种新的范式通过科学家们不懈地实验努力一次次对旧有范式提出挑战，最终新的范式替代了旧的范式。我们从中可以看到，如果不是实验，如果不是实验水平的提高和进步，科学家们触摸到科学的大门不知道还要推迟多少年。

4.化学实验为“研究纲领更迭”提供“证据”

拉卡托斯是历史主义的另一位代表人物，他提出了“研究纲领”学说，研究纲领由硬核(基本假设)和保护带(辅助性假设)构成。硬核是科学家共同约定而成的模型，非真非假。当经验事实和实验事实与硬核发生冲突时，由硬核的次级理论即辅助性假设，其本身是经验性理论与经验事实和实验事实进行“正常”与“反常”的较量，当辅助性假设无法解释经验事实和实验事实，硬核也无法解释的时候，原有的研究纲领会发生更迭，新的研究纲领会取代原有的研究纲领，知识增长，科学进步。17世纪末18世纪初，化学理论最引人注目的学说是“燃素学说”——解释燃烧的问题。物质为什么会燃烧呢？当时以斯塔尔为代表的化学家认为一切物质能够燃烧，都是由于其中含有“燃素”的物质。当“燃素”逸至空气中时就引起了燃烧现象。[2]“燃素”大兴其说了许多年。之后，科学家提出疑问，如果物质的燃烧是因为其中含有“燃素”的话，为什么燃烧之后物质的质量减少了呢？这个疑问是“燃素学说”解答不了的，更有甚者，许多化学家的实验研究让“燃素学说”到处暴露出了矛盾、冲突、混乱和牵强附会的种种迹象。化学家舍勒对空气进行了研究，他进行了一系列实验，如硫肝实验、白磷燃烧实验等并收集了能够帮助燃烧的气体。最终他得出的结论是空气由两部分组成：一部分是“火空气”，可以帮助燃烧；另一部分是“浊空气”，不支持燃烧甚至阻碍燃烧。但是“火空气”又是什么呢？拉瓦锡从1772年至他逝世前一直进行着燃烧学说的实验，经过艰苦卓绝地实验并得到普利斯特列发现“脱燃素空气”的启发，他最终为他的燃烧学说画上了圆满的句号——空气中能够支持燃烧的气体是氧气，它约占空气体积的1/5。拉瓦锡所建立的以氧为中心的新的燃烧学说，对于碰到的所有的关于燃烧的矛盾和疑难都会迎刃而解，显示了无比的优越性，令人信服。化学实验所提供的证据证明燃素是不存在的，燃烧的问题就这样解决了，“氧为中心的燃烧学说”代替了“燃素学说”。

二、化学实验的认识论功能对化学实验教学的启示

1.不要轻视验证性实验

验证性实验，顾名思义，就是验证已知的结果。看起来好像验证性实验对训练学生探索精神意义不大，在启发学生思维方面也不如探究性实验深刻，但是，我们依然不能轻视验证性实验的作用。首先，验证性实验有着较为清晰的实验步骤，能够使学生熟悉实验的一般环节和实验基本操作；其次，验证性实验对于学生的认识来说，具有收集“证实”证据的意义，学生通过自己操作，证实实验结果，所谓“眼过千遍不如手过一遍”就是这个道理；第三，验证性实验也有突发情况，如果学生没有得到预先设想的实验结果，同样也可以启发学生的思维，让学生找寻原因，在这个过程中发现“证否”的证据也或未可知。

2.正视探究性实验

“发展科学探究能力”是化学新课程的一种重要目标。“化学实验是进行科学探究的主要方式”，是发展科学探究能力的重要途径，它对于这一目标的实现，具有“其他教学手段无法代替”的重要作用。[5]我们一直以来都强调在化学教学中发展学生的科学探究能力，化学实验无疑是最好的途径。化学实验探究活动贯穿着学生设计实验、动手实验、调整实验方案、获取实验结论、总结经验规律等一系列的活动，是学生综合能力的反映，真正体现了学生“做中学、学中做”的重要思想。但是，开展以实验为基础的探究性活动，也需要把握“什么样的知识需要探究”即探究内容选择的问题、“探究的限度”即探究的深度的问题、“探究需要什么样的引导”即探究的策略等问题。[6]

[1] 李建华.科学哲学[M].北京:中共中央党校出版社，2004.

[2] 山岗望.化学史传[M].廖正衡，陈耀亭，赵世良，译.北京:商务印书馆，1995.

[3] 郑长龙.现代化实验的发展及其特点[J].东北师大学报(自然科学版)，1997(1):61-65.

[4] 何法信.原子学说发展的几个阶段[J].大学化学，1992，7(6):57-60.

[5] 教育部.全日制义务教育化学课程标准(高中稿)[M].北京：北京师范大学出版社，2001.

[6] 郑长龙.关于科学探究教学若干问题的思考[J].化学教育，2006(8):6-12.

[责任编辑：陈学涛]

2016-04-12

孙佳林(1985-)，男，新疆伊宁人，博士研究生；郑长龙(1964-)，男，吉林长春人，教授，所长，博士生导师；车美玉(1973-)，女，朝鲜族，吉林延吉人，中学一级教师。

G633.8

A

1002-1477(2016)09-0048-03

[DOI]10.16165/j.cnki.22-1096/g4.2016.09.012