蔡呈騰

科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)要有自洽的邏輯，以符合科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)從科學(xué)現(xiàn)象到科學(xué)概念的形成，再探索科學(xué)概念與概念之間的關(guān)系，從而形成科學(xué)規(guī)律。當(dāng)然，探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的科學(xué)規(guī)律并非如科學(xué)家工作式的“科學(xué)發(fā)現(xiàn)”，但這種科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，也是探索式的，所以也要遵循科學(xué)探究過(guò)程的邏輯特征，這種邏輯有它自身的邏輯基礎(chǔ)。

一、科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯以學(xué)生原有知識(shí)儲(chǔ)備為基礎(chǔ)

教學(xué)過(guò)程中，將教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，滿足不同層次學(xué)生的需求。

但并非所有驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都能改為探究性實(shí)驗(yàn)。有些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)后，非但起不到原有的提高科學(xué)素養(yǎng)的要求，而且也讓探究性實(shí)驗(yàn)失去了實(shí)證邏輯性的公信力。

浙教版科學(xué)七年級(jí)上冊(cè)第四章第1節(jié)《物質(zhì)的結(jié)構(gòu)》第1課時(shí)，在設(shè)計(jì)“分子之間存在空隙”實(shí)驗(yàn)時(shí)，一些教師將教材的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)。

教材實(shí)驗(yàn)如下：

1.往一端封閉的細(xì)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(biāo)出酒精上液面的位置。

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

為了進(jìn)一步理解以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，我們做了一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)：

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(fù)搖晃幾次，使黃豆和芝麻混合。可以看到， 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(guò)“水和酒精混合后體積減小”的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證“水和酒精分子之間存在空隙”。但由于分子是微觀粒子，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，沒(méi)有生活體驗(yàn)，教材順勢(shì)增加了“芝麻和黃豆混合”實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬“水和酒精混合”實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(huì)減小”作為正命題，用“水與酒精混合”實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐表明，按學(xué)生的邏輯思維無(wú)法形成上述的結(jié)論。

一次教學(xué)公開(kāi)課活動(dòng)中，教師將上述實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)。

活動(dòng)：水和酒精混合，體積減小。

問(wèn)：水和酒精混合后總體積小于兩者原有體積之和，這說(shuō)明什么問(wèn)題？

生1：說(shuō)明水和酒精發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，總體積變小了。

生2：說(shuō)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(shuō)明水和酒精分子之間存在空隙，混合后分子彼此進(jìn)入對(duì)方的空隙，體積變小了。

三位學(xué)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(diǎn)，不見(jiàn)得生3的答案邏輯思維能力就比生1、生2強(qiáng)。

對(duì)七年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于學(xué)生還沒(méi)有“化學(xué)反應(yīng)”的知識(shí)，也不能理解“水與酒精混合時(shí)，分子自身體積大小不會(huì)變化”，所以，不可能證偽生1、生2的回答。

這位教師在遇到學(xué)生如上的三個(gè)答案后，有些束手無(wú)策。最后只能告訴學(xué)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(xué)和非科學(xué)劃分的依據(jù)是其是否具有可證偽性。非科學(xué)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(shuō)基于七年級(jí)學(xué)生的學(xué)力水平，不能證偽學(xué)生1、2的推論，就說(shuō)本探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)論就是個(gè)偽科學(xué)，但是，由于它們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)過(guò)程中的不可證偽性，使本探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)論形成的合理性存在嚴(yán)重問(wèn)題。

這種將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，只是增加了探究性實(shí)驗(yàn)的形式，完全失去了探究性實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有的探究本質(zhì)，這樣，不但不能達(dá)成提高科學(xué)素養(yǎng)的目的，而且造成嚴(yán)重的科學(xué)態(tài)度的偏頗，成為典型的偽探究實(shí)驗(yàn)。所以，當(dāng)要將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)時(shí)，要嚴(yán)格評(píng)估改變后的教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)、可能造成的利弊以及對(duì)可能出現(xiàn)的突發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)設(shè)。

二、科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯以科學(xué)思維發(fā)展自洽為基礎(chǔ)

科學(xué)邏輯自洽是按照科學(xué)自身的邏輯推演，自己可以證明自己不是矛盾或者錯(cuò)誤的?？茖W(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯必須是自洽性的。一個(gè)類似于“同義反復(fù)”的條件與結(jié)論論證，毫無(wú)科學(xué)性而言。

浙教版科學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第二章第2節(jié)是《金屬的化學(xué)性質(zhì)》，主要介紹金屬活動(dòng)性。教材第1課時(shí)介紹了金屬與氧氣反應(yīng)（代表金屬有鎂、銅）、金屬與酸反應(yīng)（代表金屬有鎂、鋅、銅），通過(guò)比較反應(yīng)的速率來(lái)說(shuō)明：不同金屬的金屬活動(dòng)性是不同的;鎂的金屬活動(dòng)性大于鋅，鋅的金屬活動(dòng)性大于銅。本課時(shí)結(jié)束，教材沒(méi)有要求形成上述幾種金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的結(jié)論，只是介紹了置換反應(yīng)的概念。

第2課時(shí)的主要內(nèi)容是金屬的活動(dòng)性順序。教材首先通過(guò)一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)來(lái)展開(kāi)：比較鐵與銅、銅與銀的化學(xué)活動(dòng)性。提供的實(shí)驗(yàn)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(gè)探究實(shí)驗(yàn)是想通過(guò)“活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬能把另一種活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃柠}的水溶液中置換出來(lái)”，用來(lái)達(dá)到活動(dòng)目的，即鐵絲能將硫酸銅溶液中的銅置換出來(lái)，說(shuō)明鐵的金屬活動(dòng)性強(qiáng)于銅，銅絲若能將硝酸銀溶液中的銀置換出來(lái)，說(shuō)明銅的金屬活動(dòng)性強(qiáng)于銀。教材提供的實(shí)驗(yàn)方案中，“提出問(wèn)題，建立假設(shè)”是這樣的：一種活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬能把另一種活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃柠}的水溶液中置換出來(lái)。

顯然，此探究實(shí)驗(yàn)的方案的邏輯是不能自洽的。如果這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的目的是為了“比較鐵與銅、銅與銀的化學(xué)活動(dòng)性”，則“一種活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬能把另一種活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃柠}的水溶液中置換出來(lái)”就不應(yīng)該是假設(shè)，而是完成本實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)和前提條件，而如果實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證“一種活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬能把另一種活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃柠}的水溶液中置換出來(lái)”，則“鐵的金屬活動(dòng)性強(qiáng)于銅、銅的金屬活動(dòng)性強(qiáng)于銀”就應(yīng)該是本探究實(shí)驗(yàn)的事實(shí)前提與基礎(chǔ)，而不應(yīng)該是探究實(shí)驗(yàn)的目的。此實(shí)驗(yàn)方案的目的與假設(shè)是兩個(gè)互為探究前提的內(nèi)容，這嚴(yán)重違背了邏輯自洽性原則。endprint

其實(shí)，只要我們進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，教材探究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容還是可以達(dá)成正常的邏輯自洽的。首先，第1課時(shí)結(jié)束時(shí)，通過(guò)控制變量的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，形成“鎂的金屬活動(dòng)性比鋅強(qiáng)，鋅比銅強(qiáng)”的結(jié)論。其次，第2課時(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康木褪翘骄俊耙环N活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬是否能把另一種活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)乃柠}的水溶液中置換出來(lái)”，金屬與鹽之間的反應(yīng)還是在鎂、鋅、銅之間進(jìn)行。

邏輯自洽是科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯基礎(chǔ)，沒(méi)有自洽的邏輯，科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)違反了科學(xué)最基本存在的條件。

三、科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯以操作性定義為基礎(chǔ)

操作主義者認(rèn)為，科學(xué)概念與相應(yīng)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(méi)有意義的。而對(duì)初中學(xué)生來(lái)說(shuō)，科學(xué)概念是抽象的，是難以在實(shí)驗(yàn)中直接體現(xiàn)的，這就需要給科學(xué)概念下操作性定義，使之轉(zhuǎn)換為可以直接被測(cè)量、被觀察的對(duì)象?？茖W(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯就是以操作性定義為基礎(chǔ)的。

浙教版科學(xué)七年級(jí)上冊(cè)第四章第4節(jié)是物質(zhì)的比熱，因?yàn)楸葻岣拍钐^(guò)抽象，七年級(jí)學(xué)生較難理解。

造成學(xué)生難以理解的不僅僅是因?yàn)楦拍畋旧淼某橄笮?，更有教學(xué)過(guò)程的不切合性。分析此章節(jié)干擾學(xué)生實(shí)驗(yàn)建構(gòu)比熱概念的因素大體有：沒(méi)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(xué)概念在學(xué)生頭腦中還僅僅是停留在科學(xué)術(shù)語(yǔ)階段的文字，而沒(méi)有與實(shí)踐生活中的具體形象相關(guān)聯(lián)，即還沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)可操作的程度。我們需要將科學(xué)概念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可表達(dá)的轉(zhuǎn)化，這就是下操作性定義，它是基于把科學(xué)概念與經(jīng)驗(yàn)過(guò)程、操作過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，是操作主義的主要觀點(diǎn)。

在進(jìn)行下操作性定義時(shí)，要對(duì)形成科學(xué)概念的前提條件的種種細(xì)節(jié)要素進(jìn)行分析。根據(jù)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，將這些經(jīng)驗(yàn)分解為一系列可理解的要素，盡可能準(zhǔn)確地描述或再現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)。

在探究“物體吸熱的多少與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，用“夏天的沙灘上，沙子的溫度為什么比海水要高”導(dǎo)入是比較貼切的，這個(gè)問(wèn)題直接引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)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(wù)。而“質(zhì)量”“變化的溫度”兩個(gè)因素對(duì)吸熱的影響的實(shí)驗(yàn)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(gè)探究實(shí)驗(yàn)較完整，可以引導(dǎo)學(xué)生用生活實(shí)例去說(shuō)明。如“用同樣的熱源燒一壺水比燒半壺水時(shí)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(shí)間短（吸熱更少），這是變化的溫度影響吸熱的例子”。

但此時(shí)，最好不要讓學(xué)生嘗試去解決“沙子溫度比海水高”，問(wèn)題指向與實(shí)驗(yàn)研究目的指向并非同向，嘗試解決問(wèn)題反而會(huì)對(duì)形成比熱概念產(chǎn)生干擾。

為了解決幾個(gè)實(shí)驗(yàn)概念易混淆的問(wèn)題，我們需要對(duì)幾個(gè)概念進(jìn)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(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)測(cè)量的“加熱時(shí)間”;而物質(zhì)溫度的變化，可以用溫度計(jì)去測(cè)量。

用實(shí)驗(yàn)探究“物體吸熱的多少與物體種類有關(guān)”時(shí)，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(gè)電爐上）給它們加熱，保持水和沙子的初溫相同，要求學(xué)生每半分鐘讀一次水和沙子的溫度，并設(shè)計(jì)表格進(jìn)行記錄

實(shí)驗(yàn)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(dāng)加熱時(shí)間相同時(shí)，沙子升高的溫度較高，這說(shuō)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(wú)法建構(gòu)比熱的概念，也無(wú)法解決“夏天沙灘上沙子溫度比海水高”的問(wèn)題，只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了一次“沙子比海水溫度高”的現(xiàn)象而已。

科學(xué)解決問(wèn)題的精要之處，就在于通過(guò)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(xué)生對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，水和沙子達(dá)到相同的溫度（如50℃），它們加熱的時(shí)間不同，加熱水的時(shí)間比沙子長(zhǎng)，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(shuō)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(shuō)名字叫“水”的人會(huì)吃飯（吃飯本領(lǐng)強(qiáng)）。

至此，比熱概念得以建構(gòu)。

上述實(shí)驗(yàn)的目的并非為了直接去建構(gòu)比熱的概念，即實(shí)驗(yàn)不是去比較“水和沙子吸熱本領(lǐng)誰(shuí)大”，而是說(shuō)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，在“質(zhì)量”和“升溫”相同情況下，通過(guò)“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(shí)驗(yàn)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(dāng)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)在結(jié)論形成過(guò)程中存在邏輯缺陷時(shí)，探究性實(shí)驗(yàn)本身就失去了存在的意義，探究性的存在價(jià)值沒(méi)有“法理”基礎(chǔ)。而科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的邏輯缺陷就是缺失了邏輯基礎(chǔ)造成的。

參考文獻(xiàn)：

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