论科学探究实验的逻辑基础

蔡呈腾

科学探究实验要有自洽的逻辑，以符合科学探究实验从科学现象到科学概念的形成，再探索科学概念与概念之间的关系，从而形成科学规律。当然，探究实验过程中的科学规律并非如科学家工作式的“科学发现”，但这种科学规律的发现对学生来说，也是探索式的，所以也要遵循科学探究过程的逻辑特征，这种逻辑有它自身的逻辑基础。

一、科学探究实验的逻辑以学生原有知识储备为基础

教学过程中，将教材中的验证性实验改为探究性实验，以提高学生的科学素养，满足不同层次学生的需求。

但并非所有验证实验都能改为探究性实验。有些验证性实验改为探究性实验后，非但起不到原有的提高科学素养的要求，而且也让探究性实验失去了实证逻辑性的公信力。

浙教版科学七年级上册第四章第1节《物质的结构》第1课时，在设计“分子之间存在空隙”实验时，一些教师将教材的验证性实验改为探究性实验。

教材实验如下：

1.往一端封闭的细径玻璃管内注入近一半的清水，再沿内管壁缓缓注入酒精，使酒精上液面距管口约5 厘米，标出酒精上液面的位置。

2.用手指封住管口，将玻璃管反复颠倒几次，使酒精和水充分混合。此时混合液的液面将______原先所标的液面位置。

为了进一步理解以上实验的结果，我们做了一个模拟实验：

1.在量筒中先倒入黄豆，再倒入芝麻。记下黄豆和芝麻的总体积：          毫升。

2.将量筒反复摇晃几次，使黄豆和芝麻混合。可以看到， 混合后的总体积将          混合前的总体积。

显然，教材先提出“分子之间存在空隙”，再通过“水和酒精混合后体积减小”的实验来验证“水和酒精分子之间存在空隙”。但由于分子是微观粒子，对学生来说比较抽象，没有生活体验，教材顺势增加了“芝麻和黄豆混合”实验来模拟“水和酒精混合”实验，通过类比更好地理解“分子之间存在空隙”。

如果我们将“分子之间存在空隙，水分子和酒精分子之间存在空隙，所以水与酒精混合后体积会减小”作为正命题，用“水与酒精混合”实验来验证“分子之间存在空隙”的结论是合乎逻辑的。

正命题成立，是否意味着逆命题也成立？通过实验发现“水和酒精混合体积减小了”，是否能推论得到“水和酒精分子之间存在空隙”呢？实践表明，按学生的逻辑思维无法形成上述的结论。

一次教学公开课活动中，教师将上述实验改为探究性实验。

活动：水和酒精混合，体积减小。

问：水和酒精混合后总体积小于两者原有体积之和，这说明什么问题？

生1：说明水和酒精发生了化学反应，总体积变小了。

生2：说明水分子和酒精分子在它们混合后，水分子或酒精分子自身的体积变小了。

生3：说明水和酒精分子之间存在空隙，混合后分子彼此进入对方的空隙，体积变小了。

三位学生的逻辑推理都是合理的，而且逻辑思维能力都是可圈可点，不见得生3的答案逻辑思维能力就比生1、生2强。

对七年级学生来说，由于学生还没有“化学反应”的知识，也不能理解“水与酒精混合时，分子自身体积大小不会变化”，所以，不可能证伪生1、生2的回答。

这位教师在遇到学生如上的三个答案后，有些束手无策。最后只能告诉学生，生1、生2的推论不可能成立。

卡尔·波普尔在其著作《猜想与反驳》中提出，[1]科学和非科学划分的依据是其是否具有可证伪性。非科学的本质不在于它的正确与否，而是在于它的不可证伪性。我们不能说基于七年级学生的学力水平，不能证伪学生1、2的推论，就说本探究实验的结论就是个伪科学，但是，由于它们在本实验过程中的不可证伪性，使本探究性实验结论形成的合理性存在严重问题。

这种将验证性实验改为探究性实验，只是增加了探究性实验的形式，完全失去了探究性实验应具有的探究本质，这样，不但不能达成提高科学素养的目的，而且造成严重的科学态度的偏颇，成为典型的伪探究实验。所以，当要将验证性实验改为探究性实验时，要严格评估改变后的教学风险、可能造成的利弊以及对可能出现的突发现象进行预设。

二、科学探究实验的逻辑以科学思维发展自洽为基础

科学逻辑自洽是按照科学自身的逻辑推演，自己可以证明自己不是矛盾或者错误的。科学探究实验的逻辑必须是自洽性的。一个类似于“同义反复”的条件与结论论证，毫无科学性而言。

浙教版科学九年级上册第二章第2节是《金属的化学性质》，主要介绍金属活动性。教材第1课时介绍了金属与氧气反应（代表金属有镁、铜）、金属与酸反应（代表金属有镁、锌、铜），通过比较反应的速率来说明：不同金属的金属活动性是不同的;镁的金属活动性大于锌，锌的金属活动性大于铜。本课时结束，教材没有要求形成上述几种金属活动性强弱的结论，只是介绍了置换反应的概念。

第2课时的主要内容是金属的活动性顺序。教材首先通过一个探究实验来展开：比较铁与铜、铜与银的化学活动性。提供的实验物品包括铜丝、铁丝、硫酸亚铁溶液、硫酸铜溶液、硝酸银溶液等。显然，这个探究实验是想通过“活动性较强的金属能把另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来”，用来达到活动目的，即铁丝能将硫酸铜溶液中的铜置换出来，说明铁的金属活动性强于铜，铜丝若能将硝酸银溶液中的银置换出来，说明铜的金属活动性强于银。教材提供的实验方案中，“提出问题，建立假设”是这样的：一种活动性较强的金属能把另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来。

显然，此探究实验的方案的逻辑是不能自洽的。如果这个探究实验的目的是为了“比较铁与铜、铜与银的化学活动性”，则“一种活动性较强的金属能把另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来”就不应该是假设，而是完成本实验的理论基础和前提条件，而如果实验是为了验证“一种活动性较强的金属能把另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来”，则“铁的金属活动性强于铜、铜的金属活动性强于银”就应该是本探究实验的事实前提与基础，而不应该是探究实验的目的。此实验方案的目的与假设是两个互为探究前提的内容，这严重违背了逻辑自洽性原则。endprint

其实，只要我们进行适当的调整，教材探究实验的内容还是可以达成正常的逻辑自洽的。首先，第1课时结束时，通过控制变量的方法，通过实验，形成“镁的金属活动性比锌强，锌比铜强”的结论。其次，第2课时的实验目的就是探究“一种活动性较强的金属是否能把另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来”，金属与盐之间的反应还是在镁、锌、铜之间进行。

逻辑自洽是科学探究实验的逻辑基础，没有自洽的逻辑，科学探究实验违反了科学最基本存在的条件。

三、科学探究实验的逻辑以操作性定义为基础

操作主义者认为，科学概念与相应的操作是同义的，凡是不能与操作相联系、不能由操作定义的概念都是没有意义的。而对初中学生来说，科学概念是抽象的，是难以在实验中直接体现的，这就需要给科学概念下操作性定义，使之转换为可以直接被测量、被观察的对象。科学探究实验的逻辑就是以操作性定义为基础的。

浙教版科学七年级上册第四章第4节是物质的比热，因为比热概念太过抽象，七年级学生较难理解。

造成学生难以理解的不仅仅是因为概念本身的抽象性，更有教学过程的不切合性。分析此章节干扰学生实验建构比热概念的因素大体有：没有掌握热量的概念，难以区别温度与热量的关系，难以将热量、温度、比热等概念“生活化”等。这些科学概念在学生头脑中还仅仅是停留在科学术语阶段的文字，而没有与实践生活中的具体形象相关联，即还没有达到实验可操作的程度。我们需要将科学概念进行实验可表达的转化，这就是下操作性定义，它是基于把科学概念与经验过程、操作过程联系起来，是操作主义的主要观点。

在进行下操作性定义时，要对形成科学概念的前提条件的种种细节要素进行分析。根据学生已有的经验，将这些经验分解为一系列可理解的要素，尽可能准确地描述或再现经验。

在探究“物体吸热的多少与哪些因素有关”的实验中，用“夏天的沙滩上，沙子的温度为什么比海水要高”导入是比较贴切的，这个问题直接引导学生提出问题：物体吸热的多少是否与物质种类有关，即为建构比热概念服务。而“质量”“变化的温度”两个因素对吸热的影响的实验探究，并非本课题的内容（本课题主要是建立比热概念），但为使整个探究实验较完整，可以引导学生用生活实例去说明。如“用同样的热源烧一壶水比烧半壶水时间更久（吸热更多），这是质量大小影响吸热多少”“用同样热源烧一壶水到80℃比到100℃用的时间短（吸热更少），这是变化的温度影响吸热的例子”。

但此时，最好不要让学生尝试去解决“沙子温度比海水高”，问题指向与实验研究目的指向并非同向，尝试解决问题反而会对形成比热概念产生干扰。

为了解决几个实验概念易混淆的问题，我们需要对几个概念进行下操作性定义。比如，同样的热源，吸收热量的多少用“同样的热源加热物体，加热时间越长，吸热越多”理解，这样抽象的、不可操作的热量就转化为可实验测量的“加热时间”;而物质温度的变化，可以用温度计去测量。

用实验探究“物体吸热的多少与物体种类有关”时，各取50克水和50克沙子，用同样的热源（两盏相同的酒精灯或放在同一个电炉上）给它们加热，保持水和沙子的初温相同，要求学生每半分钟读一次水和沙子的温度，并设计表格进行记录

实验结果显示，用相同的热源加热相同质量、相同初温的水和沙子，当加热时间相同时，沙子升高的温度较高，这说明，水和沙子的物质种类不同，影响了它们的吸热多少。

仅仅获得这样的结果，还是无法建构比热的概念，也无法解决“夏天沙滩上沙子温度比海水高”的问题，只是通过实验重复了一次“沙子比海水温度高”的现象而已。

科学解决问题的精要之处，就在于通过现象看本质，抽象现象背后的本质，形成抽象的概念。为了建构比热的概念，继续要求学生对获得的实验数据进行比较：

水和沙子升高相同的温度，它们吸收的热量相同吗？

显然，实验数据显示，水和沙子达到相同的温度（如50℃），它们加热的时间不同，加热水的时间比沙子长，即加热水和沙子到相同的温度，水需要吸收更多的热量。

这说明水和沙子吸热本领（能力）的不同。就像不同的人吃饭一样，名字叫“水”的人吃了三碗饭才饱，而名字就“沙子”的人吃了两碗就饱了，我们说名字叫“水”的人会吃饭（吃饭本领强）。

至此，比热概念得以建构。

上述实验的目的并非为了直接去建构比热的概念，即实验不是去比较“水和沙子吸热本领谁大”，而是说明“水和沙子吸热本领不同，影响了它们吸热的多少”，只是在分析实验数据的过程中，发现水和沙子的吸热本领不同，从而建构了比热的概念。这两者的逻辑关系是不一样的：本实验的自变量是物质种类（即比热），但由于比热概念正是需要此节课去建构的，所以获取实验数据进行分析时，在“质量”和“升温”相同情况下，通过“吸收的热量”不同，建构比热的概念。

比热概念的构建，基于实验之前的操作性定义。如果混淆了“吸收热量”与“升高温度”的关系，比热概念的构建几乎是不可能的。

当科学探究实验在结论形成过程中存在逻辑缺陷时，探究性实验本身就失去了存在的意义，探究性的存在价值没有“法理”基础。而科学探究实验的逻辑缺陷就是缺失了逻辑基础造成的。

参考文献：

[1] 卡尔·波普尔. 猜想与反驳[M].上海：上海译文出版社，2005.endprint