史淑惠，張劼

摘要：關(guān)于物理實驗與理論的關(guān)系，在大量文獻中都強調(diào)了實驗對理論的驗證作用，忽視了理論對實驗的決定作用，使人產(chǎn)生了理論來源于實驗的錯誤認識，不利于大學(xué)生創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。本文運用波普爾科學(xué)哲學(xué)教育思想重新審視了大學(xué)物理實驗與物理學(xué)理論的關(guān)系，強調(diào)了理論對實驗的指導(dǎo)意義，即實驗是在理論指導(dǎo)下進行的，實驗可以驗證理論正確與否，實驗中可以產(chǎn)生新的問題從而推動理論的進一步發(fā)展。這種觀點對大學(xué)生認識科學(xué)的本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)批判精神有一定作用，并對在大學(xué)物理實驗中如何訓(xùn)練學(xué)生的能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識做了初步的探索。

關(guān)鍵詞：理論；實驗；創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）12-0098-02

作為大學(xué)教育，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，已成為義不容辭的歷史責(zé)任。如何在大學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，不同的學(xué)者提出了很多的建議，調(diào)整課程體系、改革課程設(shè)置、轉(zhuǎn)變辦學(xué)模式等等諸多問題，已成為廣大高校學(xué)者們研究的熱點。我們課題組依據(jù)我國中長期教育發(fā)展規(guī)劃的要求，對在大學(xué)物理實驗中如何訓(xùn)練學(xué)生的能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識做了初步的探索，研究認為，學(xué)生的實驗改革是目前提高學(xué)生創(chuàng)新能力的一個非常好的教學(xué)環(huán)節(jié)，合理設(shè)置實驗題目、巧妙設(shè)計實驗步驟，在實驗中提出疑問、解決疑問，是學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。

一、問題的提出

實驗——作為理工科教學(xué)的必不可少的一個教學(xué)環(huán)節(jié)，在學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)理念養(yǎng)成中起到了不可替代的作用。實驗的目的是什么，為什么要做科學(xué)實驗，應(yīng)該說在從學(xué)生接受科學(xué)訓(xùn)練的初始就已經(jīng)得到了難以磨滅的熏陶。科學(xué)實驗的目的就是為了驗證科學(xué)理論。幾十年來的教育告訴學(xué)生，科學(xué)理論來源于實驗，或者說實驗是科學(xué)之母。沒有實驗就沒有今天的科學(xué)。這一根深蒂固的理念已成為相當(dāng)一部分受教育者的共識，影響著人們的世界觀，構(gòu)建了公民的科學(xué)素質(zhì)。然而，也正是這樣的一個科學(xué)理念，阻礙著受教育者的創(chuàng)新能力的提高。近代著名的證偽主義科學(xué)哲學(xué)家波普爾認為：“理論先于觀察?！彼麖目茖W(xué)發(fā)展的史學(xué)角度提出了在常規(guī)的科學(xué)教育理論看來不易被人接受、但在當(dāng)前的創(chuàng)新教育看來一個無法回避的科學(xué)理念的哲學(xué)命題，那就是否認理論來源于經(jīng)驗的觀察。他認為，科學(xué)的觀察具有目的性和選擇性，這種目的性和選擇性是由科學(xué)家的理論觀點、興趣和期望等決定的。他認為我們所面對的經(jīng)驗事實是無限復(fù)雜多樣的，觀察只能在其中選擇十分有限的部分。如果你什么都想觀察，其結(jié)果是什么都沒有觀察到。因此必須依據(jù)一定的理論、觀點為指導(dǎo)。其次，在觀察中必須有所理解，無理解的觀察只是熟視無睹，而理解必須在一定理論觀點指導(dǎo)下進行，這就會影響觀察的結(jié)果。或者說，我們所有的科學(xué)實驗都是來源于科學(xué)理論的指導(dǎo)。這是一個教育者默認、但始終在受教育者面前有意或無意回避的一個問題，我們所有的教學(xué)用的實驗儀器、編排的實驗內(nèi)容和實驗步驟，無一不遵從一個默認的規(guī)則，那就是實驗儀器的實驗原理，這一在實驗儀器制造中已經(jīng)潛透在儀器設(shè)計中的規(guī)則。無外乎每次學(xué)生做實驗時，都為實驗儀器設(shè)計的巧妙折服，都為實驗的結(jié)果同理論巧妙的吻合而驚喜。我們不得不承認，實際上每種實驗儀器都是在一定原理的基礎(chǔ)上設(shè)計制造的。而這實驗結(jié)果同理論的吻合來驗證理論的正確性，實際上是對實驗者的一種善意的誘惑或者欺騙。例如楊氏干涉實驗裝置和邁克爾遜干涉儀，雖然是不同的觀察干涉現(xiàn)象的儀器，但是制造它們所依賴的都是光的干涉的基本原理，都是想方設(shè)法產(chǎn)生兩束滿足相干條件的可見光，然后讓這兩束光相遇疊加。如果沒有干涉的基本原理，誰也不會想到制造這種怪模怪樣的東西。我們不得不承認，這種善意的誘騙，在公眾科學(xué)概念形成的早期，或者說對于初受教育者來說，是十分必要的，而且也是必須的。因為這些“神話”對于初受教育者“科學(xué)信仰”的養(yǎng)成是十分必要的、也是必須的。也是符合我們對科學(xué)的認識的。因為“科學(xué)家旨在發(fā)現(xiàn)一個世界，特別是關(guān)于世界規(guī)律性或‘規(guī)律的真實的理論或描述。這種理論或描述應(yīng)該是對可觀察事實的一種解釋”。而我們設(shè)計的學(xué)生實驗恰恰滿足了這種科學(xué)解釋的目的和要求。我們要求學(xué)生每次做實驗前，都明白了本次實驗的原理和目的。如果不明白原理，他們會覺得無從下手，同樣要觀察什么現(xiàn)象，要記錄什么數(shù)據(jù)，就連實驗步驟都是一步一步設(shè)計好了的。好像學(xué)生在尋找著什么，其實是設(shè)計好的結(jié)論。但我們的教育者都明白，這種潛移默化的實驗規(guī)則，對于高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)，尤其是在當(dāng)前《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》對高等教育提出的培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才來說，是滿足不了培養(yǎng)目標(biāo)的。

二、依據(jù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，改革大學(xué)實驗的課程設(shè)計

大學(xué)物理實驗，是大學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練，同時也是對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的訓(xùn)練，和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。我們在實驗中，結(jié)合教學(xué)任務(wù)，變老師指導(dǎo)性實驗為學(xué)生自主設(shè)計實驗。通過我們的實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在設(shè)計實驗過程中所得到的科學(xué)訓(xùn)練，高于過去在老師或?qū)嶒炛v義指導(dǎo)下的實驗對教學(xué)目的的要求。學(xué)生變單純的完成實驗為自主的設(shè)計實驗，對學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的影響。我們的做法是：

1.教師提出實驗?zāi)康?，給出實驗可能使用到的實驗儀器，學(xué)生根據(jù)理論知識，自己選擇實驗方法，設(shè)計實驗步驟，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。大學(xué)實驗的內(nèi)容都是在理論知識的基礎(chǔ)上安排設(shè)計的，學(xué)生既然學(xué)習(xí)了理論知識，就應(yīng)該有能力自己選擇實驗方法，設(shè)計實驗步驟，從而完成所規(guī)定的實驗科目。我們在實驗教學(xué)中，一改過去由老師講述實驗原理，將實驗步驟一步步寫在黑板上的方法，由學(xué)生自己預(yù)習(xí)實驗講述原理，根據(jù)儀器寫出實驗步驟，老師檢查后指出問題，然后開始動手操作。這樣，學(xué)生們的實驗方法可能不一樣，步驟也許不一致，但是基本能達到實驗?zāi)康模覍W(xué)生的體會頗深，認識到了在同一個理論的指導(dǎo)下，不同的實驗方法，可以達到同樣的實驗結(jié)果。比如，讓學(xué)生重做赫茲實驗，體會理論對實驗發(fā)現(xiàn)的指導(dǎo)意義。依照麥克斯韋理論，電擾動能輻射電磁波。通過學(xué)生的自己動手設(shè)計實驗的過程，用幾個簡單的器件，重新體會赫茲實驗獲得了成功的喜悅，體會赫茲的每一步實驗都是有理論基礎(chǔ)的、有一定目的、一定預(yù)期的。加深理解科學(xué)理論對實驗的指導(dǎo)意義，和科學(xué)發(fā)現(xiàn)源于科學(xué)假說的理解。如此實施實驗，不但使學(xué)生訓(xùn)練的實驗技能，加深了對科學(xué)理論的理解。同時也使學(xué)生們意識到科學(xué)理論對實驗的指導(dǎo)作用。任何一個實驗如果沒有理論的指導(dǎo)，將變得無從下手。正如波普爾所說的，歸納法（即認為自然科學(xué)是歸納科學(xué)，歸納法是通過重復(fù)觀察或?qū)嶒瀬斫⒒蜃C明理論的過程）不是科學(xué)研究的方法。人們不可能有足夠多的實驗數(shù)據(jù)能證明一條科學(xué)理論絕對無誤。波普爾的反歸納法強調(diào)了理論對實驗的指導(dǎo)作用，強調(diào)了在科學(xué)研究的過程中發(fā)揮人的主觀能動性、勇于創(chuàng)新的意義。實驗是有目的地去嘗試，是對自然的積極探索。因此科學(xué)實驗的重要性是不言而喻的，當(dāng)然更離不開理論的指導(dǎo)作用。

2.倡導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象和結(jié)果，培養(yǎng)科學(xué)探索精神。波普爾認為，科學(xué)研究的目的，“就是找出需要解釋的東西的令人滿意的解釋，”即解釋我們所發(fā)現(xiàn)和觀察到的大自然的各種現(xiàn)象?？茖W(xué)家的任務(wù)就是給這些現(xiàn)象做出大家所能接受和比較滿意的解釋?？茖W(xué)就是一個猜測與反駁的過程。按照波普爾的科學(xué)知識增長方式，問題1——猜測與假說——消除錯誤——問題2——，對于問題1，人們提出假說嘗試解決。然后通過證偽來消除錯誤，進而產(chǎn)生新的問題2。實驗現(xiàn)象和結(jié)果的分析，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力。學(xué)生可以在實驗現(xiàn)象中體會科學(xué)理論的內(nèi)涵，通過實驗的過程，體會科學(xué)探索的過程和理論對實踐的指導(dǎo)，理解當(dāng)下科學(xué)理論對科學(xué)現(xiàn)象解釋的優(yōu)美，體會科學(xué)大廈構(gòu)建的過程。比如我們所要做的光學(xué)實驗，有的用到光的直線傳播定律——薄透鏡焦距的測定，有的用到光的波動理論——干涉、衍射實驗，有的用到光的粒子性理論——光電效應(yīng)實驗。怎樣認識科學(xué)理論與實驗現(xiàn)象的聯(lián)系？在實驗過程中，我們抓住觀察實驗現(xiàn)象的機會，向?qū)W生灌輸科學(xué)思想。例如在做光的單縫衍射實驗時，當(dāng)縫的寬度很小時，我們通過單縫衍射儀觀察到了清晰的衍射直條紋，學(xué)生們知道用光的波動理論可以對此現(xiàn)象進行解釋。但是隨著縫寬的增加，看到的直條紋越來越少，直到最后成了一條。這時用光的直線傳播理論就能加以解釋了，即此時的一個直條紋就是單縫通過衍射儀里面的透鏡所形成的像，和我們做過的光經(jīng)薄透鏡成像實驗原理一樣。通過這樣的解釋，學(xué)生們明白了，光的直線傳播理論是光的波動理論的近似。即所謂的科學(xué)理論是當(dāng)下人們對自然現(xiàn)象和規(guī)律的一種令大多數(shù)人所滿意的解釋。人們對光的認識起初就是從光的直線傳播理論開始，它能解釋反射、折射現(xiàn)象，觀察到干涉、衍射現(xiàn)象時，用原來的理論解釋不了了，所以有了光的波動理論，再后來發(fā)展到光的波粒二象性理論。熱輻射現(xiàn)象的新的實驗觀測結(jié)果對當(dāng)時的經(jīng)典物理學(xué)理論提出了置疑，麥克斯韋電磁場理論雖然能夠比較好地解釋電磁波以及光的傳播，但是對于熱輻射的發(fā)射跟吸收卻無能為力了。正是對熱輻射的研究引發(fā)了一系列物理學(xué)新的發(fā)現(xiàn)。大家都已經(jīng)知道，量子理論的起點是源于熱輻射的研究。通過實驗過程的理解，可以使學(xué)生認識到，科學(xué)是人類創(chuàng)造的一種合適的、為當(dāng)下人們所滿意的解釋。這種科學(xué)理念一旦建立起來，人們的科學(xué)懷疑和批判精神自然就建立了起來，創(chuàng)新精神就會自然地在人們的世界觀中形成了。

通過對學(xué)生的科學(xué)實驗的改革，變老師指導(dǎo)為學(xué)生自我設(shè)計，雖然加深了實驗的難度，增加了實驗的課時數(shù)，同時也增加了指導(dǎo)老師的難度，但加深了學(xué)生對科學(xué)的理解，加深了學(xué)生對科學(xué)概念的理性化的信仰，使學(xué)生認識到了科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過程，在增強學(xué)生對科學(xué)信仰的同時，增強了學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)的批判精神，培養(yǎng)的學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。同時培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用科學(xué)哲學(xué)分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生走向社會后的創(chuàng)新能力的養(yǎng)成和對社會的適應(yīng)能力的增強奠定了基礎(chǔ)。

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基金項目：邯鄲市教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題（0904002）

作者簡介：史淑惠（1970-），河北保定人，副教授，研究方向：科學(xué)教育方法；張劼（1957-），河北邢臺人，教授，研究方向：科學(xué)哲學(xué)。