孫佳林　鄭長龍　車美玉

(1.東北師范大學化學教育研究所，吉林 長春 130024；2.伊犁師范學院，新疆 伊寧 835000；3.延吉市第二高級中學，吉林 延吉 133000)

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學科教學

從認識論角度談化學實驗的功能

孫佳林1，2鄭長龍1車美玉3

(1.東北師范大學化學教育研究所，吉林 長春 130024；2.伊犁師范學院，新疆 伊寧 835000；3.延吉市第二高級中學，吉林 延吉 133000)

“化學是一門以實驗為基礎的學科”，從認識論角度看，化學實驗在化學科學發(fā)展中扮演了提供“證據(jù)”的角色，這些證據(jù)成為科學家進行“證實”、“證否”、“范式替代”和“研究綱領更迭”并推動化學科學發(fā)展的基礎。因此在化學實驗教學中不要輕視驗證性實驗，要正視探究性實驗。

化學；實驗；認識論；證據(jù)

當我們面對世界時，應當如何進行概括、研究，應當運用何種方法來得出結論，運用這種方法是否合理，所獲得的“知識”是否可靠，通過何種方法才能夠得到真實的知識？這就是哲學認識論的問題。[1]從科學哲學認識論的發(fā)展歷史脈絡來看，科學哲學認識論先后經(jīng)歷了靜態(tài)的邏輯主義(以石里克為代表的邏輯實證主義、以波普爾為代表的邏輯否證主義)和動態(tài)的歷史主義(以庫恩為代表的“范式”學說和以拉卡托斯為代表的“研究綱領”學說等)兩個主要的發(fā)展階段。前者著重于科學本質(zhì)的研究，即科學是什么和不是什么的問題；后者著重于科學發(fā)現(xiàn)和科學進步的研究，即科學知識如何增長的問題。在這兩個主要的發(fā)展階段中，人們的認識水平和認識能力與實驗技術的發(fā)展相得益彰，化學實驗作為一種認識手段扮演著提供“證據(jù)”的重要角色，對于化學的發(fā)展具有認識論意義。

一、化學實驗為化學科學的認識提供證據(jù)

1.化學實驗為“證實”提供證據(jù)

關于科學是什么的問題，邏輯實證主義者認為：科學的標準十分清楚，凡是實證的知識，通過經(jīng)驗的或觀察實驗證明的知識就是科學的，不能實證的所謂知識都是形而上學的、非科學的。[1]邏輯實證主義者檢驗科學的工具是“證實”，即通過經(jīng)驗或?qū)嶒炞C明確實是對的。證明需要證據(jù)。事實上，化學家們進行證實的工作沿著這樣的思路進行：收集證據(jù)—整理證據(jù)—基于證據(jù)的推理—微觀解釋，化學實驗作為一種化學認識的實踐活動，是提供證據(jù)的基礎，是進行化學認識的重要途徑。例如偉大化學家門捷列夫于1871年發(fā)現(xiàn)元素周期律以后，科學家們對其發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進行證實的工作一日也沒有停止過——他的學說到底是不是科學的呢？他給元素排的“座位”是否合適呢？僅過了4年，1875年的時候，法國的化學家魯克庫就在檢查比利牛斯山出產(chǎn)的閃鋅礦分光光譜中發(fā)現(xiàn)已有元素沒有的紫色線條，后經(jīng)過復雜的分析化驗工作終于得到了極微量的新元素，并被命名為鎵。他緊接著研究了鎵的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與門捷列夫所預言的元素“類鋁”的性質(zhì)完全一致，更讓他吃驚的是不僅主要點完全一致甚至連次要之點也都幾無出入。[2]緊接著，“類硼”“鈧”元素、“類硅”“鍺”元素等都在實驗中被發(fā)現(xiàn)并證實了門捷列夫所主張的元素周期律確實存在。之后，化學家通過化學實驗對元素周期律的證實工作一直在持續(xù)，通過實驗為這些元素是否符合元素周期律提供了不可否認的、不容懷疑的證據(jù)。元素周期表中新成員的加入以及新成員與老成員之間的“血緣關系”都通過化學實驗提供的證據(jù)給予了完美佐證，這就對元素周期律給予了“證實”——毫不夸張地說，元素周期律是迄今為止化學史上最完美的一件作品！科學家們對元素周期律的崇拜和景仰達到了巔峰。

2.化學實驗為“證否”提供證據(jù)

關于科學是什么的問題，邏輯否證主義者認為：科學知識總體的性質(zhì)是一種猜測和假說，不過這種猜測和假說與非科學的臆想和胡說是根本不同的，科學的猜測是具有經(jīng)驗性的，這種經(jīng)驗性可以從經(jīng)驗事實對它能否反駁、能否批判的否證方法中區(qū)別出來。[1]邏輯否證主義者檢驗科學的工具是“證否”，哪怕一千個一萬個都是被“證實”的，但是只要一個被“證否”了，那么這個所謂的“科學”就不是科學了。比起“證實”來，好像“證否”的工作量小得多，其實不然，“證否”也不是輕松的事情。18世紀末，伽伐尼無意中發(fā)現(xiàn)用金屬刀劃青蛙腿，青蛙腿會發(fā)生抽搐現(xiàn)象，他通過實驗屢試不爽，并認定這是因為生物體內(nèi)存在“生物電”，是生物電導致青蛙腿的抽搐，并很快發(fā)表了論文，“生物電”成為當時的新發(fā)現(xiàn)、新事物。這一發(fā)現(xiàn)引起了同時代的伏打的關注，青蛙腿抽搐真的是因為“生物電”的原因？他按照伽伐尼的實驗用品和實驗步驟開始了實驗——劃青蛙腿：一只，抽搐了；兩只，抽搐了；三只……直到有一天，他因為一時找不到放置青蛙的金屬托盤隨手拿了一個木制的托盤后，再用刀劃，青蛙腿沒有抽搐。他開始懷疑伽伐尼的主張了，然后繼續(xù)實驗。經(jīng)過無數(shù)次的金屬托盤——青蛙腿抽搐和木制托盤——青蛙腿不抽搐的對比實驗終于得出結論：蛙肌的收縮只是由于蛙肌中含有導電液體，將青蛙肌肉通過不同金屬連接成閉合回路，這才是產(chǎn)生電的關鍵。于是，“生物電”是導致青蛙腿抽搐的原因主張被徹底顛覆了，一個看似科學合理的解釋被推翻了。我們可從伏打鍥而不舍的實驗中看到科學家不唯真理的可貴精神。通過實驗“證否”的證據(jù)，伏打完成了真理的找尋和對科學的甄別。

3.化學實驗為“范式替代”提供“證據(jù)”

庫恩說，范式一詞無論實際上還是邏輯上，都很接近于“科學共同體”這個詞，一種范式是，也僅僅是一個“科學共同體”成員所共有的東西。反過來說，也正由于他們掌握了共有的范式才組成了這個“科學共同體”。[1]他提出，科學的進步是一個從前范式時期—范式的常規(guī)科學時期—反常時期—危機—革命(新舊范式更替)—新的常規(guī)科學時期循環(huán)往復的運動過程。也即是說，他拋棄了邏輯歷史主義那種靜止看待知識是否科學的問題，而是把知識放在一個動態(tài)的歷史環(huán)境中，只要符合當時的范式就是科學家們共同認可的“科學”，反之則不然。如果知識對當時的范式提出了挑戰(zhàn)，即原有的范式無法解決這種沖突而且最終通過實驗證明這個知識就是原有范式的“掘墓人”的時候，原有范式進入了反?！C—革命時期，新的范式替代舊的范式，知識獲得增長，科學獲得進步。17世紀以前古希臘哲學家的“原子學說”認為“原子”是不可再分的物質(zhì)，也就是不論用什么方法都不能再分割的最小的微粒。這個學說也就是所謂的物質(zhì)不可再分的范式統(tǒng)治了幾個世紀。直到19世紀初，道爾頓提出了新的原子學說，提出了原子的球形模型設想，主張物質(zhì)是可分的，原子是最小的微粒。他還通過實驗發(fā)現(xiàn)參加反應的物質(zhì)之間存在規(guī)律性的關系，借此，他進行了各種相對原子質(zhì)量的測定，當然結果很粗糙。這時候的原子依然是不可分的。1897年，英國科學家湯姆生通過對陰極射線的定性和定量研究，發(fā)現(xiàn)了一種比原子還小的粒子“電子”。[3]自此，原子被打開，同時打破的還有原子不可分的傳統(tǒng)范式。之后，通過一系列的實驗，現(xiàn)代原子論不僅證明了原子結構的復雜性，而且對微觀粒子的運動提出了動態(tài)模型[4]，量子化學也建立起來——新的范式建立了，科學家們認可了“現(xiàn)代科學原子學說”。這種新的范式通過科學家們不懈地實驗努力一次次對舊有范式提出挑戰(zhàn)，最終新的范式替代了舊的范式。我們從中可以看到，如果不是實驗，如果不是實驗水平的提高和進步，科學家們觸摸到科學的大門不知道還要推遲多少年。

4.化學實驗為“研究綱領更迭”提供“證據(jù)”

拉卡托斯是歷史主義的另一位代表人物，他提出了“研究綱領”學說，研究綱領由硬核(基本假設)和保護帶(輔助性假設)構成。硬核是科學家共同約定而成的模型，非真非假。當經(jīng)驗事實和實驗事實與硬核發(fā)生沖突時，由硬核的次級理論即輔助性假設，其本身是經(jīng)驗性理論與經(jīng)驗事實和實驗事實進行“正常”與“反?！钡妮^量，當輔助性假設無法解釋經(jīng)驗事實和實驗事實，硬核也無法解釋的時候，原有的研究綱領會發(fā)生更迭，新的研究綱領會取代原有的研究綱領，知識增長，科學進步。17世紀末18世紀初，化學理論最引人注目的學說是“燃素學說”——解釋燃燒的問題。物質(zhì)為什么會燃燒呢？當時以斯塔爾為代表的化學家認為一切物質(zhì)能夠燃燒，都是由于其中含有“燃素”的物質(zhì)。當“燃素”逸至空氣中時就引起了燃燒現(xiàn)象。[2]“燃素”大興其說了許多年。之后，科學家提出疑問，如果物質(zhì)的燃燒是因為其中含有“燃素”的話，為什么燃燒之后物質(zhì)的質(zhì)量減少了呢？這個疑問是“燃素學說”解答不了的，更有甚者，許多化學家的實驗研究讓“燃素學說”到處暴露出了矛盾、沖突、混亂和牽強附會的種種跡象?；瘜W家舍勒對空氣進行了研究，他進行了一系列實驗，如硫肝實驗、白磷燃燒實驗等并收集了能夠幫助燃燒的氣體。最終他得出的結論是空氣由兩部分組成：一部分是“火空氣”，可以幫助燃燒；另一部分是“濁空氣”，不支持燃燒甚至阻礙燃燒。但是“火空氣”又是什么呢？拉瓦錫從1772年至他逝世前一直進行著燃燒學說的實驗，經(jīng)過艱苦卓絕地實驗并得到普利斯特列發(fā)現(xiàn)“脫燃素空氣”的啟發(fā)，他最終為他的燃燒學說畫上了圓滿的句號——空氣中能夠支持燃燒的氣體是氧氣，它約占空氣體積的1/5。拉瓦錫所建立的以氧為中心的新的燃燒學說，對于碰到的所有的關于燃燒的矛盾和疑難都會迎刃而解，顯示了無比的優(yōu)越性，令人信服?；瘜W實驗所提供的證據(jù)證明燃素是不存在的，燃燒的問題就這樣解決了，“氧為中心的燃燒學說”代替了“燃素學說”。

二、化學實驗的認識論功能對化學實驗教學的啟示

1.不要輕視驗證性實驗

驗證性實驗，顧名思義，就是驗證已知的結果?？雌饋砗孟耱炞C性實驗對訓練學生探索精神意義不大，在啟發(fā)學生思維方面也不如探究性實驗深刻，但是，我們依然不能輕視驗證性實驗的作用。首先，驗證性實驗有著較為清晰的實驗步驟，能夠使學生熟悉實驗的一般環(huán)節(jié)和實驗基本操作；其次，驗證性實驗對于學生的認識來說，具有收集“證實”證據(jù)的意義，學生通過自己操作，證實實驗結果，所謂“眼過千遍不如手過一遍”就是這個道理；第三，驗證性實驗也有突發(fā)情況，如果學生沒有得到預先設想的實驗結果，同樣也可以啟發(fā)學生的思維，讓學生找尋原因，在這個過程中發(fā)現(xiàn)“證否”的證據(jù)也或未可知。

2.正視探究性實驗

“發(fā)展科學探究能力”是化學新課程的一種重要目標?！盎瘜W實驗是進行科學探究的主要方式”，是發(fā)展科學探究能力的重要途徑，它對于這一目標的實現(xiàn)，具有“其他教學手段無法代替”的重要作用。[5]我們一直以來都強調(diào)在化學教學中發(fā)展學生的科學探究能力，化學實驗無疑是最好的途徑?；瘜W實驗探究活動貫穿著學生設計實驗、動手實驗、調(diào)整實驗方案、獲取實驗結論、總結經(jīng)驗規(guī)律等一系列的活動，是學生綜合能力的反映，真正體現(xiàn)了學生“做中學、學中做”的重要思想。但是，開展以實驗為基礎的探究性活動，也需要把握“什么樣的知識需要探究”即探究內(nèi)容選擇的問題、“探究的限度”即探究的深度的問題、“探究需要什么樣的引導”即探究的策略等問題。[6]

[1] 李建華.科學哲學[M].北京:中共中央黨校出版社，2004.

[2] 山崗望.化學史傳[M].廖正衡，陳耀亭，趙世良，譯.北京:商務印書館，1995.

[3] 鄭長龍.現(xiàn)代化實驗的發(fā)展及其特點[J].東北師大學報(自然科學版)，1997(1):61-65.

[4] 何法信.原子學說發(fā)展的幾個階段[J].大學化學，1992，7(6):57-60.

[5] 教育部.全日制義務教育化學課程標準(高中稿)[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

[6] 鄭長龍.關于科學探究教學若干問題的思考[J].化學教育，2006(8):6-12.

[責任編輯：陳學濤]

2016-04-12

孫佳林(1985-)，男，新疆伊寧人，博士研究生；鄭長龍(1964-)，男，吉林長春人，教授，所長，博士生導師；車美玉(1973-)，女，朝鮮族，吉林延吉人，中學一級教師。

G633.8

A

1002-1477(2016)09-0048-03

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