蔡呈騰

科學探究實驗要有自洽的邏輯，以符合科學探究實驗從科學現(xiàn)象到科學概念的形成，再探索科學概念與概念之間的關(guān)系，從而形成科學規(guī)律。當然，探究實驗過程中的科學規(guī)律并非如科學家工作式的“科學發(fā)現(xiàn)”，但這種科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對學生來說，也是探索式的，所以也要遵循科學探究過程的邏輯特征，這種邏輯有它自身的邏輯基礎(chǔ)。

一、科學探究實驗的邏輯以學生原有知識儲備為基礎(chǔ)

教學過程中，將教材中的驗證性實驗改為探究性實驗，以提高學生的科學素養(yǎng)，滿足不同層次學生的需求。

但并非所有驗證實驗都能改為探究性實驗。有些驗證性實驗改為探究性實驗后，非但起不到原有的提高科學素養(yǎng)的要求，而且也讓探究性實驗失去了實證邏輯性的公信力。

浙教版科學七年級上冊第四章第1節(jié)《物質(zhì)的結(jié)構(gòu)》第1課時，在設(shè)計“分子之間存在空隙”實驗時，一些教師將教材的驗證性實驗改為探究性實驗。

教材實驗如下：

1.往一端封閉的細徑玻璃管內(nèi)注入近一半的清水，再沿內(nèi)管壁緩緩注入酒精，使酒精上液面距管口約5 厘米，標出酒精上液面的位置。

2.用手指封住管口，將玻璃管反復顛倒幾次，使酒精和水充分混合。此時混合液的液面將______原先所標的液面位置。

為了進一步理解以上實驗的結(jié)果，我們做了一個模擬實驗：

1.在量筒中先倒入黃豆，再倒入芝麻。記下黃豆和芝麻的總體積： ? ? ? ? ?毫升。

2.將量筒反復搖晃幾次，使黃豆和芝麻混合?？梢钥吹剑?混合后的總體積將 ? ? ? ? ?混合前的總體積。

顯然，教材先提出“分子之間存在空隙”，再通過“水和酒精混合后體積減小”的實驗來驗證“水和酒精分子之間存在空隙”。但由于分子是微觀粒子，對學生來說比較抽象，沒有生活體驗，教材順勢增加了“芝麻和黃豆混合”實驗來模擬“水和酒精混合”實驗，通過類比更好地理解“分子之間存在空隙”。

如果我們將“分子之間存在空隙，水分子和酒精分子之間存在空隙，所以水與酒精混合后體積會減小”作為正命題，用“水與酒精混合”實驗來驗證“分子之間存在空隙”的結(jié)論是合乎邏輯的。

正命題成立，是否意味著逆命題也成立？通過實驗發(fā)現(xiàn)“水和酒精混合體積減小了”，是否能推論得到“水和酒精分子之間存在空隙”呢？實踐表明，按學生的邏輯思維無法形成上述的結(jié)論。

一次教學公開課活動中，教師將上述實驗改為探究性實驗。

活動：水和酒精混合，體積減小。

問：水和酒精混合后總體積小于兩者原有體積之和，這說明什么問題？

生1：說明水和酒精發(fā)生了化學反應，總體積變小了。

生2：說明水分子和酒精分子在它們混合后，水分子或酒精分子自身的體積變小了。

生3：說明水和酒精分子之間存在空隙，混合后分子彼此進入對方的空隙，體積變小了。

三位學生的邏輯推理都是合理的，而且邏輯思維能力都是可圈可點，不見得生3的答案邏輯思維能力就比生1、生2強。

對七年級學生來說，由于學生還沒有“化學反應”的知識，也不能理解“水與酒精混合時，分子自身體積大小不會變化”，所以，不可能證偽生1、生2的回答。

這位教師在遇到學生如上的三個答案后，有些束手無策。最后只能告訴學生，生1、生2的推論不可能成立。

卡爾·波普爾在其著作《猜想與反駁》中提出，[1]科學和非科學劃分的依據(jù)是其是否具有可證偽性。非科學的本質(zhì)不在于它的正確與否，而是在于它的不可證偽性。我們不能說基于七年級學生的學力水平，不能證偽學生1、2的推論，就說本探究實驗的結(jié)論就是個偽科學，但是，由于它們在本實驗過程中的不可證偽性，使本探究性實驗結(jié)論形成的合理性存在嚴重問題。

這種將驗證性實驗改為探究性實驗，只是增加了探究性實驗的形式，完全失去了探究性實驗應具有的探究本質(zhì)，這樣，不但不能達成提高科學素養(yǎng)的目的，而且造成嚴重的科學態(tài)度的偏頗，成為典型的偽探究實驗。所以，當要將驗證性實驗改為探究性實驗時，要嚴格評估改變后的教學風險、可能造成的利弊以及對可能出現(xiàn)的突發(fā)現(xiàn)象進行預設(shè)。

二、科學探究實驗的邏輯以科學思維發(fā)展自洽為基礎(chǔ)

科學邏輯自洽是按照科學自身的邏輯推演，自己可以證明自己不是矛盾或者錯誤的?？茖W探究實驗的邏輯必須是自洽性的。一個類似于“同義反復”的條件與結(jié)論論證，毫無科學性而言。

浙教版科學九年級上冊第二章第2節(jié)是《金屬的化學性質(zhì)》，主要介紹金屬活動性。教材第1課時介紹了金屬與氧氣反應（代表金屬有鎂、銅）、金屬與酸反應（代表金屬有鎂、鋅、銅），通過比較反應的速率來說明：不同金屬的金屬活動性是不同的;鎂的金屬活動性大于鋅，鋅的金屬活動性大于銅。本課時結(jié)束，教材沒有要求形成上述幾種金屬活動性強弱的結(jié)論，只是介紹了置換反應的概念。

第2課時的主要內(nèi)容是金屬的活動性順序。教材首先通過一個探究實驗來展開：比較鐵與銅、銅與銀的化學活動性。提供的實驗物品包括銅絲、鐵絲、硫酸亞鐵溶液、硫酸銅溶液、硝酸銀溶液等。顯然，這個探究實驗是想通過“活動性較強的金屬能把另一種活動性較弱的金屬從它的鹽的水溶液中置換出來”，用來達到活動目的，即鐵絲能將硫酸銅溶液中的銅置換出來，說明鐵的金屬活動性強于銅，銅絲若能將硝酸銀溶液中的銀置換出來，說明銅的金屬活動性強于銀。教材提供的實驗方案中，“提出問題，建立假設(shè)”是這樣的：一種活動性較強的金屬能把另一種活動性較弱的金屬從它的鹽的水溶液中置換出來。

顯然，此探究實驗的方案的邏輯是不能自洽的。如果這個探究實驗的目的是為了“比較鐵與銅、銅與銀的化學活動性”，則“一種活動性較強的金屬能把另一種活動性較弱的金屬從它的鹽的水溶液中置換出來”就不應該是假設(shè)，而是完成本實驗的理論基礎(chǔ)和前提條件，而如果實驗是為了驗證“一種活動性較強的金屬能把另一種活動性較弱的金屬從它的鹽的水溶液中置換出來”，則“鐵的金屬活動性強于銅、銅的金屬活動性強于銀”就應該是本探究實驗的事實前提與基礎(chǔ)，而不應該是探究實驗的目的。此實驗方案的目的與假設(shè)是兩個互為探究前提的內(nèi)容，這嚴重違背了邏輯自洽性原則。endprint

其實，只要我們進行適當?shù)恼{(diào)整，教材探究實驗的內(nèi)容還是可以達成正常的邏輯自洽的。首先，第1課時結(jié)束時，通過控制變量的方法，通過實驗，形成“鎂的金屬活動性比鋅強，鋅比銅強”的結(jié)論。其次，第2課時的實驗目的就是探究“一種活動性較強的金屬是否能把另一種活動性較弱的金屬從它的鹽的水溶液中置換出來”，金屬與鹽之間的反應還是在鎂、鋅、銅之間進行。

邏輯自洽是科學探究實驗的邏輯基礎(chǔ)，沒有自洽的邏輯，科學探究實驗違反了科學最基本存在的條件。

三、科學探究實驗的邏輯以操作性定義為基礎(chǔ)

操作主義者認為，科學概念與相應的操作是同義的，凡是不能與操作相聯(lián)系、不能由操作定義的概念都是沒有意義的。而對初中學生來說，科學概念是抽象的，是難以在實驗中直接體現(xiàn)的，這就需要給科學概念下操作性定義，使之轉(zhuǎn)換為可以直接被測量、被觀察的對象?？茖W探究實驗的邏輯就是以操作性定義為基礎(chǔ)的。

浙教版科學七年級上冊第四章第4節(jié)是物質(zhì)的比熱，因為比熱概念太過抽象，七年級學生較難理解。

造成學生難以理解的不僅僅是因為概念本身的抽象性，更有教學過程的不切合性。分析此章節(jié)干擾學生實驗建構(gòu)比熱概念的因素大體有：沒有掌握熱量的概念，難以區(qū)別溫度與熱量的關(guān)系，難以將熱量、溫度、比熱等概念“生活化”等。這些科學概念在學生頭腦中還僅僅是停留在科學術(shù)語階段的文字，而沒有與實踐生活中的具體形象相關(guān)聯(lián)，即還沒有達到實驗可操作的程度。我們需要將科學概念進行實驗可表達的轉(zhuǎn)化，這就是下操作性定義，它是基于把科學概念與經(jīng)驗過程、操作過程聯(lián)系起來，是操作主義的主要觀點。

在進行下操作性定義時，要對形成科學概念的前提條件的種種細節(jié)要素進行分析。根據(jù)學生已有的經(jīng)驗，將這些經(jīng)驗分解為一系列可理解的要素，盡可能準確地描述或再現(xiàn)經(jīng)驗。

在探究“物體吸熱的多少與哪些因素有關(guān)”的實驗中，用“夏天的沙灘上，沙子的溫度為什么比海水要高”導入是比較貼切的，這個問題直接引導學生提出問題：物體吸熱的多少是否與物質(zhì)種類有關(guān)，即為建構(gòu)比熱概念服務。而“質(zhì)量”“變化的溫度”兩個因素對吸熱的影響的實驗探究，并非本課題的內(nèi)容（本課題主要是建立比熱概念），但為使整個探究實驗較完整，可以引導學生用生活實例去說明。如“用同樣的熱源燒一壺水比燒半壺水時間更久（吸熱更多），這是質(zhì)量大小影響吸熱多少”“用同樣熱源燒一壺水到80℃比到100℃用的時間短（吸熱更少），這是變化的溫度影響吸熱的例子”。

但此時，最好不要讓學生嘗試去解決“沙子溫度比海水高”，問題指向與實驗研究目的指向并非同向，嘗試解決問題反而會對形成比熱概念產(chǎn)生干擾。

為了解決幾個實驗概念易混淆的問題，我們需要對幾個概念進行下操作性定義。比如，同樣的熱源，吸收熱量的多少用“同樣的熱源加熱物體，加熱時間越長，吸熱越多”理解，這樣抽象的、不可操作的熱量就轉(zhuǎn)化為可實驗測量的“加熱時間”;而物質(zhì)溫度的變化，可以用溫度計去測量。

用實驗探究“物體吸熱的多少與物體種類有關(guān)”時，各取50克水和50克沙子，用同樣的熱源（兩盞相同的酒精燈或放在同一個電爐上）給它們加熱，保持水和沙子的初溫相同，要求學生每半分鐘讀一次水和沙子的溫度，并設(shè)計表格進行記錄

實驗結(jié)果顯示，用相同的熱源加熱相同質(zhì)量、相同初溫的水和沙子，當加熱時間相同時，沙子升高的溫度較高，這說明，水和沙子的物質(zhì)種類不同，影響了它們的吸熱多少。

僅僅獲得這樣的結(jié)果，還是無法建構(gòu)比熱的概念，也無法解決“夏天沙灘上沙子溫度比海水高”的問題，只是通過實驗重復了一次“沙子比海水溫度高”的現(xiàn)象而已。

科學解決問題的精要之處，就在于通過現(xiàn)象看本質(zhì)，抽象現(xiàn)象背后的本質(zhì)，形成抽象的概念。為了建構(gòu)比熱的概念，繼續(xù)要求學生對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行比較：

水和沙子升高相同的溫度，它們吸收的熱量相同嗎？

顯然，實驗數(shù)據(jù)顯示，水和沙子達到相同的溫度（如50℃），它們加熱的時間不同，加熱水的時間比沙子長，即加熱水和沙子到相同的溫度，水需要吸收更多的熱量。

這說明水和沙子吸熱本領(lǐng)（能力）的不同。就像不同的人吃飯一樣，名字叫“水”的人吃了三碗飯才飽，而名字就“沙子”的人吃了兩碗就飽了，我們說名字叫“水”的人會吃飯（吃飯本領(lǐng)強）。

至此，比熱概念得以建構(gòu)。

上述實驗的目的并非為了直接去建構(gòu)比熱的概念，即實驗不是去比較“水和沙子吸熱本領(lǐng)誰大”，而是說明“水和沙子吸熱本領(lǐng)不同，影響了它們吸熱的多少”，只是在分析實驗數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)水和沙子的吸熱本領(lǐng)不同，從而建構(gòu)了比熱的概念。這兩者的邏輯關(guān)系是不一樣的：本實驗的自變量是物質(zhì)種類（即比熱），但由于比熱概念正是需要此節(jié)課去建構(gòu)的，所以獲取實驗數(shù)據(jù)進行分析時，在“質(zhì)量”和“升溫”相同情況下，通過“吸收的熱量”不同，建構(gòu)比熱的概念。

比熱概念的構(gòu)建，基于實驗之前的操作性定義。如果混淆了“吸收熱量”與“升高溫度”的關(guān)系，比熱概念的構(gòu)建幾乎是不可能的。

當科學探究實驗在結(jié)論形成過程中存在邏輯缺陷時，探究性實驗本身就失去了存在的意義，探究性的存在價值沒有“法理”基礎(chǔ)。而科學探究實驗的邏輯缺陷就是缺失了邏輯基礎(chǔ)造成的。

參考文獻：

[1] 卡爾·波普爾. 猜想與反駁[M].上海：上海譯文出版社，2005.endprint