大学物理实验中创新能力养成的哲学思考

史淑惠，张劼

摘要：关于物理实验与理论的关系，在大量文献中都强调了实验对理论的验证作用，忽视了理论对实验的决定作用，使人产生了理论来源于实验的错误认识，不利于大学生创新意识的养成。本文运用波普尔科学哲学教育思想重新审视了大学物理实验与物理学理论的关系，强调了理论对实验的指导意义，即实验是在理论指导下进行的，实验可以验证理论正确与否，实验中可以产生新的问题从而推动理论的进一步发展。这种观点对大学生认识科学的本质，培养科学批判精神有一定作用，并对在大学物理实验中如何训练学生的能力、培养学生的创新意识做了初步的探索。

关键词：理论；实验；创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0098-02

作为大学教育，学生创新能力的培养，已成为义不容辞的历史责任。如何在大学教学中培养学生的创新能力，不同的学者提出了很多的建议，调整课程体系、改革课程设置、转变办学模式等等诸多问题，已成为广大高校学者们研究的热点。我们课题组依据我国中长期教育发展规划的要求，对在大学物理实验中如何训练学生的能力、培养学生的创新意识做了初步的探索，研究认为，学生的实验改革是目前提高学生创新能力的一个非常好的教学环节，合理设置实验题目、巧妙设计实验步骤，在实验中提出疑问、解决疑问，是学生创新思维训练的一个不可缺少的环节。

一、问题的提出

实验——作为理工科教学的必不可少的一个教学环节，在学生的创新能力和科学理念养成中起到了不可替代的作用。实验的目的是什么，为什么要做科学实验，应该说在从学生接受科学训练的初始就已经得到了难以磨灭的熏陶。科学实验的目的就是为了验证科学理论。几十年来的教育告诉学生，科学理论来源于实验，或者说实验是科学之母。没有实验就没有今天的科学。这一根深蒂固的理念已成为相当一部分受教育者的共识，影响着人们的世界观，构建了公民的科学素质。然而，也正是这样的一个科学理念，阻碍着受教育者的创新能力的提高。近代著名的证伪主义科学哲学家波普尔认为：“理论先于观察。”他从科学发展的史学角度提出了在常规的科学教育理论看来不易被人接受、但在当前的创新教育看来一个无法回避的科学理念的哲学命题，那就是否认理论来源于经验的观察。他认为，科学的观察具有目的性和选择性，这种目的性和选择性是由科学家的理论观点、兴趣和期望等决定的。他认为我们所面对的经验事实是无限复杂多样的，观察只能在其中选择十分有限的部分。如果你什么都想观察，其结果是什么都没有观察到。因此必须依据一定的理论、观点为指导。其次，在观察中必须有所理解，无理解的观察只是熟视无睹，而理解必须在一定理论观点指导下进行，这就会影响观察的结果。或者说，我们所有的科学实验都是来源于科学理论的指导。这是一个教育者默认、但始终在受教育者面前有意或无意回避的一个问题，我们所有的教学用的实验仪器、编排的实验内容和实验步骤，无一不遵从一个默认的规则，那就是实验仪器的实验原理，这一在实验仪器制造中已经潜透在仪器设计中的规则。无外乎每次学生做实验时，都为实验仪器设计的巧妙折服，都为实验的结果同理论巧妙的吻合而惊喜。我们不得不承认，实际上每种实验仪器都是在一定原理的基础上设计制造的。而这实验结果同理论的吻合来验证理论的正确性，实际上是对实验者的一种善意的诱惑或者欺骗。例如杨氏干涉实验装置和迈克尔逊干涉仪，虽然是不同的观察干涉现象的仪器，但是制造它们所依赖的都是光的干涉的基本原理，都是想方设法产生两束满足相干条件的可见光，然后让这两束光相遇叠加。如果没有干涉的基本原理，谁也不会想到制造这种怪模怪样的东西。我们不得不承认，这种善意的诱骗，在公众科学概念形成的早期，或者说对于初受教育者来说，是十分必要的，而且也是必须的。因为这些“神话”对于初受教育者“科学信仰”的养成是十分必要的、也是必须的。也是符合我们对科学的认识的。因为“科学家旨在发现一个世界，特别是关于世界规律性或‘规律的真实的理论或描述。这种理论或描述应该是对可观察事实的一种解释”。而我们设计的学生实验恰恰满足了这种科学解释的目的和要求。我们要求学生每次做实验前，都明白了本次实验的原理和目的。如果不明白原理，他们会觉得无从下手，同样要观察什么现象，要记录什么数据，就连实验步骤都是一步一步设计好了的。好像学生在寻找着什么，其实是设计好的结论。但我们的教育者都明白，这种潜移默化的实验规则，对于高等教育的培养目标，尤其是在当前《国家中长期教育改革和发展规划纲要》对高等教育提出的培养适应社会发展要求的创新型人才来说，是满足不了培养目标的。

二、依据创新型人才培养目标，改革大学实验的课程设计

大学物理实验，是大学生实验技能的训练，同时也是对学生科学素养的训练，和创新能力的训练。我们在实验中，结合教学任务，变老师指导性实验为学生自主设计实验。通过我们的实践发现，学生在设计实验过程中所得到的科学训练，高于过去在老师或实验讲义指导下的实验对教学目的的要求。学生变单纯的完成实验为自主的设计实验，对学生的创新能力的培养起到了积极的影响。我们的做法是：

1.教师提出实验目的，给出实验可能使用到的实验仪器，学生根据理论知识，自己选择实验方法，设计实验步骤，以培养学生创新能力。大学实验的内容都是在理论知识的基础上安排设计的，学生既然学习了理论知识，就应该有能力自己选择实验方法，设计实验步骤，从而完成所规定的实验科目。我们在实验教学中，一改过去由老师讲述实验原理，将实验步骤一步步写在黑板上的方法，由学生自己预习实验讲述原理，根据仪器写出实验步骤，老师检查后指出问题，然后开始动手操作。这样，学生们的实验方法可能不一样，步骤也许不一致，但是基本能达到实验目的，而且学生的体会颇深，认识到了在同一个理论的指导下，不同的实验方法，可以达到同样的实验结果。比如，让学生重做赫兹实验，体会理论对实验发现的指导意义。依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。通过学生的自己动手设计实验的过程，用几个简单的器件，重新体会赫兹实验获得了成功的喜悦，体会赫兹的每一步实验都是有理论基础的、有一定目的、一定预期的。加深理解科学理论对实验的指导意义，和科学发现源于科学假说的理解。如此实施实验，不但使学生训练的实验技能，加深了对科学理论的理解。同时也使学生们意识到科学理论对实验的指导作用。任何一个实验如果没有理论的指导，将变得无从下手。正如波普尔所说的，归纳法（即认为自然科学是归纳科学，归纳法是通过重复观察或实验来建立或证明理论的过程）不是科学研究的方法。人们不可能有足够多的实验数据能证明一条科学理论绝对无误。波普尔的反归纳法强调了理论对实验的指导作用，强调了在科学研究的过程中发挥人的主观能动性、勇于创新的意义。实验是有目的地去尝试，是对自然的积极探索。因此科学实验的重要性是不言而喻的，当然更离不开理论的指导作用。

2.倡导学生分析实验现象和结果，培养科学探索精神。波普尔认为，科学研究的目的，“就是找出需要解释的东西的令人满意的解释，”即解释我们所发现和观察到的大自然的各种现象。科学家的任务就是给这些现象做出大家所能接受和比较满意的解释。科学就是一个猜测与反驳的过程。按照波普尔的科学知识增长方式，问题1——猜测与假说——消除错误——问题2——，对于问题1，人们提出假说尝试解决。然后通过证伪来消除错误，进而产生新的问题2。实验现象和结果的分析，可以很好地培养学生科学探索能力。学生可以在实验现象中体会科学理论的内涵，通过实验的过程，体会科学探索的过程和理论对实践的指导，理解当下科学理论对科学现象解释的优美，体会科学大厦构建的过程。比如我们所要做的光学实验，有的用到光的直线传播定律——薄透镜焦距的测定，有的用到光的波动理论——干涉、衍射实验，有的用到光的粒子性理论——光电效应实验。怎样认识科学理论与实验现象的联系？在实验过程中，我们抓住观察实验现象的机会，向学生灌输科学思想。例如在做光的单缝衍射实验时，当缝的宽度很小时，我们通过单缝衍射仪观察到了清晰的衍射直条纹，学生们知道用光的波动理论可以对此现象进行解释。但是随着缝宽的增加，看到的直条纹越来越少，直到最后成了一条。这时用光的直线传播理论就能加以解释了，即此时的一个直条纹就是单缝通过衍射仪里面的透镜所形成的像，和我们做过的光经薄透镜成像实验原理一样。通过这样的解释，学生们明白了，光的直线传播理论是光的波动理论的近似。即所谓的科学理论是当下人们对自然现象和规律的一种令大多数人所满意的解释。人们对光的认识起初就是从光的直线传播理论开始，它能解释反射、折射现象，观察到干涉、衍射现象时，用原来的理论解释不了了，所以有了光的波动理论，再后来发展到光的波粒二象性理论。热辐射现象的新的实验观测结果对当时的经典物理学理论提出了置疑，麦克斯韦电磁场理论虽然能够比较好地解释电磁波以及光的传播，但是对于热辐射的发射跟吸收却无能为力了。正是对热辐射的研究引发了一系列物理学新的发现。大家都已经知道，量子理论的起点是源于热辐射的研究。通过实验过程的理解，可以使学生认识到，科学是人类创造的一种合适的、为当下人们所满意的解释。这种科学理念一旦建立起来，人们的科学怀疑和批判精神自然就建立了起来，创新精神就会自然地在人们的世界观中形成了。

通过对学生的科学实验的改革，变老师指导为学生自我设计，虽然加深了实验的难度，增加了实验的课时数，同时也增加了指导老师的难度，但加深了学生对科学的理解，加深了学生对科学概念的理性化的信仰，使学生认识到了科学的发现过程，在增强学生对科学信仰的同时，增强了学生的创新能力和科学的批判精神，培养的学生的科学素质。同时培养了学生应用科学哲学分析问题和解决问题的能力，为学生走向社会后的创新能力的养成和对社会的适应能力的增强奠定了基础。

参考文献：

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[2]何云宝.充分认识物理理论与物理实验的关系[J].内蒙古科技与经济，2001，（4）.

[3]英卡尔·波普尔，著.猜想与反驳[M].傅季重，译.北京：中国美术学院出版社，2003，6.

[4]波普尔，著.科学知识进化论——波普尔科学哲学选集[M].纪树立，编译.北京：生活·读书·新知三联出版社，1987，11.

基金项目：邯郸市教育科学“十一五”规划课题（0904002）

作者简介：史淑惠（1970-），河北保定人，副教授，研究方向：科学教育方法；张劼（1957-），河北邢台人，教授，研究方向：科学哲学。