鄧耿 孫海源

摘要： 闡述科學(xué)理論中理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，分析化學(xué)史上理論與實(shí)驗(yàn)相互交錯(cuò)、彼此共進(jìn)的歷程，對當(dāng)代化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀作了描述。同時(shí)，結(jié)合若干中學(xué)化學(xué)教學(xué)案例，對如何在教學(xué)中處理好理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵字： 化學(xué)理論； 化學(xué)實(shí)驗(yàn)； 化學(xué)發(fā)展史； 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2018）4-0094-03 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

一般中學(xué)化學(xué)課本中都會把實(shí)驗(yàn)放在化學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)地位。例如人教社的高中教材《化學(xué)1（必修）》就把“從實(shí)驗(yàn)學(xué)化學(xué)”作為全書第一章，并在壓題文字中這樣論述道：“化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為主的自然科學(xué)。科學(xué)規(guī)律是通過對自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、探究和反復(fù)驗(yàn)證形成的?；瘜W(xué)研究主要用的是實(shí)驗(yàn)方法，所以，學(xué)習(xí)化學(xué)也離不開實(shí)驗(yàn)。[1]”對于教材的這種表述，我們應(yīng)有正確全面的理解。

1 理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

科學(xué)采用可證偽的邏輯方法研究知識，把我們的認(rèn)識上升為邏輯和規(guī)律?？茖W(xué)的內(nèi)容總是包括來自直接認(rèn)識的知識（實(shí)驗(yàn)）和來自系統(tǒng)總結(jié)的知識（理論）兩大部分，后者來自對前者的正確歸納，又可以演繹地得到前者，并對未知知識給出可證偽的預(yù)言?？茖W(xué)發(fā)展的過程一般是從實(shí)驗(yàn)得到知識，對知識進(jìn)行正確歸納得到理論，再由理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新知識。這也是英國哲學(xué)家培根從十七世紀(jì)建立至今的傳統(tǒng)科學(xué)方法[2]。

由此可見，化學(xué)作為科學(xué)的一種，自然應(yīng)當(dāng)重視實(shí)驗(yàn)，但也同時(shí)應(yīng)當(dāng)重視理論，并關(guān)注如何從實(shí)驗(yàn)得到理論，以求得科學(xué)知識的系統(tǒng)發(fā)展。如果過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)地位，忽視理論，就會陷入經(jīng)驗(yàn)主義的錯(cuò)誤中。事實(shí)上，今天化學(xué)家們已經(jīng)不僅僅靠實(shí)驗(yàn)來發(fā)展化學(xué)了，2017年12月，張希院士在第31屆中國化學(xué)奧林匹克（決賽）暨冬令營上的講話中指出，“化學(xué)不再只是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算成為了化學(xué)發(fā)展的三大支柱”。其中，實(shí)驗(yàn)化學(xué)包括了傳統(tǒng)的無機(jī)、有機(jī)和高分子（超分子）化學(xué)研究的范疇；理論化學(xué)則主要指的是物理化學(xué)及其在無機(jī)、有機(jī)和高分子領(lǐng)域的應(yīng)用；而計(jì)算化學(xué)則是利用量子力學(xué)、物理化學(xué)等基本原理對實(shí)際體系進(jìn)行模擬和計(jì)算，成為溝通實(shí)驗(yàn)與理論的工具。在今天主流的化學(xué)研究工作中，實(shí)驗(yàn)、理論與計(jì)算三種研究方法已經(jīng)相互滲透、相互促進(jìn)，共同為化學(xué)進(jìn)步服務(wù)。

從化學(xué)史的發(fā)展來看，實(shí)驗(yàn)與理論的關(guān)系始終是相互交錯(cuò)、彼此共進(jìn)的，在不同的歷史階段，有時(shí)候是實(shí)驗(yàn)占據(jù)了研究的主流，有時(shí)候是理論引領(lǐng)了化學(xué)發(fā)展的方向?；瘜W(xué)歷史上的科學(xué)革命，都是由實(shí)驗(yàn)催生理論、理論反過來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，二者共同推動的結(jié)果。這也符合人類認(rèn)識自然的一般規(guī)律。例如拉瓦錫的氧化理論，來自他對燃燒實(shí)驗(yàn)的精密研究，同時(shí)也得益于他前期發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量守恒定律，以定量實(shí)驗(yàn)無可辯駁地否定了燃素說，開啟了現(xiàn)代化學(xué)的新篇章。又如二十世紀(jì)以來量子化學(xué)的大發(fā)展，來自于光電效應(yīng)、氫原子光譜等物理實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果，引發(fā)物理學(xué)家對量子力學(xué)基本原理的深入研究，這些結(jié)果被化學(xué)家應(yīng)用于化學(xué)結(jié)構(gòu)，成為現(xiàn)代化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

新原子論的建立與完善，很好地說明了理論與實(shí)驗(yàn)之間相互推動的關(guān)系。十九世紀(jì)初的化學(xué)界，初步明確了元素的概念和質(zhì)量守恒定律，道爾頓在化學(xué)元素和質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)，指出元素在化合物中是以固定組成比相互化合的，因此說明微觀上應(yīng)當(dāng)存在著各自不同的原子，并且原子間的組合具有固定的數(shù)目，即化合價(jià)。新原子論將化學(xué)從半定量的時(shí)代帶入到定量實(shí)驗(yàn)的時(shí)代，催生了一大批元素和化合物的發(fā)現(xiàn)，并推動測定了最早的一批原子量數(shù)據(jù)。但當(dāng)時(shí)人們對分子尚未有較為清晰的認(rèn)識，尤其是不能理解諸如氫氣、氧氣、氮?dú)膺@樣的氣體雙原子分子，導(dǎo)致在蒸氣壓和原子量測量上長期存在錯(cuò)誤（例如氧的原子量曾被定為8倍）。

1811年，阿伏伽德羅在蓋-呂薩克的氣體定律基礎(chǔ)上提出分子假說，完善了新原子論，解決了原子量與氣體定律不相符合的問題。但在它提出時(shí)卻沒有得到主流化學(xué)界認(rèn)可，其中一個(gè)重要的原因是當(dāng)時(shí)化學(xué)界受到電化二元論的影響，認(rèn)為同種原子帶同種電荷，不能形成多原子分子。同時(shí)，針對砷、銻、鉍蒸氣的實(shí)驗(yàn)說明這些單質(zhì)以單原子分子形式存在，不能正面支持阿伏伽德羅的假說。直到1860年，康尼查羅在卡爾斯魯厄召開的國際化學(xué)會議上發(fā)布了自己的論文，系統(tǒng)總結(jié)了過去半個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)和理論，證明阿伏伽德羅的理論是正確的，才使得分子假說被化學(xué)家廣泛接受。

回顧上述歷史，不難看出化學(xué)理論建立在對實(shí)驗(yàn)事實(shí)的系統(tǒng)總結(jié)和思考基礎(chǔ)上，同時(shí)又推動了實(shí)驗(yàn)事實(shí)的積累與發(fā)展。但實(shí)驗(yàn)與理論的發(fā)展并不是線性進(jìn)步的，而是螺旋前進(jìn)的。一方面，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的最終標(biāo)準(zhǔn)，不成熟的理論（如電化二元論）在發(fā)展的過程中逐漸被揚(yáng)棄，成熟的理論（如分子假說）終將被接受。另一方面，由于一定階段實(shí)驗(yàn)事實(shí)積累總是有限的，而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的理論尚不成熟，有時(shí)實(shí)驗(yàn)對理論發(fā)展也具有反作用，例如上文中提到的單原子蒸氣實(shí)驗(yàn)阻礙了分子假說的推廣。因此，不能簡單地說“實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，而要說“全面完整的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，同時(shí)也要補(bǔ)充“正確的理論是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的必要條件”。

2 化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的發(fā)展現(xiàn)狀

依照化學(xué)的研究內(nèi)容，化學(xué)的理論部分應(yīng)當(dāng)包括物質(zhì)組成理論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論、結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系理論和化學(xué)反應(yīng)理論。在現(xiàn)代學(xué)科體系中，處理這些學(xué)科還包括結(jié)構(gòu)化學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等學(xué)科。當(dāng)代以來，化學(xué)理論的發(fā)展略顯落后于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)步，這一現(xiàn)象有著多方面的成因。

一般而言，對基礎(chǔ)理論的消化需要時(shí)間，例如量子力學(xué)建立的原理很基本，但利用它求解復(fù)雜體系很困難，需要很多時(shí)間探索，從對最簡單氫分子離子H+2結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)描述（1927年）到實(shí)現(xiàn)生物大分子結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)描述用了超過半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。另一方面，新理論的發(fā)展依賴于研究者對數(shù)學(xué)、物理學(xué)的方法和化學(xué)自身的問題都要有深刻的認(rèn)識。在當(dāng)代學(xué)科分野日益深入的環(huán)境下，理論創(chuàng)新的難度在增大。這是理論變革一般不能連續(xù)進(jìn)行的主要原因。

理論發(fā)展的滯后帶來一系列現(xiàn)實(shí)問題。從空間尺度上看，今天的化學(xué)對分子及其結(jié)構(gòu)認(rèn)識已經(jīng)比較完善，但對于分子間、大分子、超分子和納米尺度上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識還很膚淺，尤其是對介觀尺度上物質(zhì)間相互作用和組裝的基本規(guī)律還沒有形成系統(tǒng)性理論。在更大的尺度上，對非晶體、液體結(jié)構(gòu)認(rèn)識還不清楚。而上述問題原本是超分子化學(xué)、納米化學(xué)、表面化學(xué)、溶液化學(xué)等學(xué)科的基本問題，如果沒有對這些問題的系統(tǒng)解決，就不能從根本上改變這些學(xué)科嚴(yán)重依賴實(shí)驗(yàn)探索、理論指導(dǎo)實(shí)踐能力不足的現(xiàn)狀。

從時(shí)間尺度上看，受制于對分子運(yùn)動和分子所處環(huán)境運(yùn)動（擴(kuò)散、分離與碰撞）的不夠了解，傳統(tǒng)唯象理論和統(tǒng)計(jì)理論都不夠完善，對于化學(xué)過程時(shí)間尺度的從頭預(yù)測精度還不能與熱力學(xué)平衡（能夠準(zhǔn)確從量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)出發(fā)計(jì)算）相比。更進(jìn)一步地，化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)之間的理論關(guān)聯(lián)還不夠緊密，能夠同時(shí)處理含時(shí)與不含時(shí)問題的統(tǒng)一理論尚未建立。時(shí)間是化學(xué)變化不可忽略的變量，但在化學(xué)過去發(fā)展歷程中取得成功的平衡態(tài)物理化學(xué)不能很好地處理含時(shí)問題。如何更好地處理非平衡、非經(jīng)典的實(shí)際化學(xué)過程中含時(shí)問題，也是化學(xué)研究中重要的課題。

理論與實(shí)驗(yàn)發(fā)展的不均衡、不匹配，是科學(xué)發(fā)展中的常態(tài)，也是新的科學(xué)機(jī)遇。它提示我們在化學(xué)未來的發(fā)展中需要有更多工作關(guān)注實(shí)驗(yàn)與理論的聯(lián)系，推動實(shí)驗(yàn)事實(shí)向理性知識轉(zhuǎn)化，完成科學(xué)體系的進(jìn)步。

3 化學(xué)教學(xué)中的理論與實(shí)驗(yàn)關(guān)系

在中學(xué)化學(xué)的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)與理論是互相輔助、螺旋上升的關(guān)系。一方面，對于剛開始接觸化學(xué)的學(xué)生來說，化學(xué)理論是抽象的、不鮮活的，實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)理論知識，親自經(jīng)歷化學(xué)所關(guān)注的過程。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過自己的行動一步步呈現(xiàn)出來的過程通常是有趣的，而且能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，使得他們產(chǎn)生“責(zé)任感”，對自己親自參與制作的“產(chǎn)品”，也更有探索的欲望。

另一方面，在實(shí)驗(yàn)的過程中，新的問題會自然而然地浮現(xiàn)出來，或者由教師在合適的時(shí)機(jī)予以引導(dǎo)而發(fā)現(xiàn)。這些問題源于實(shí)驗(yàn)，其解決方案需要我們回歸化學(xué)理論。這兩種方法在實(shí)際的教學(xué)過程中都是有效的。

在理論教學(xué)之前，可以設(shè)置一些探究性的小實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選擇，比如硫酸銅晶體的制備、彈性硫的制備、水中花園的制作等等。有的學(xué)生對硫酸銅晶體的制備感興趣，甚至計(jì)劃制作一枚“心型”的晶體，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，他們發(fā)現(xiàn)雖然制作過程不一樣，但硫酸銅晶體的形狀卻是一致或者高度近似的，制作“心型”晶體的計(jì)劃失敗了。對這個(gè)現(xiàn)象的討論，就要回歸到晶體相關(guān)理論的學(xué)習(xí)中來。

有的小組選擇了水中花園的制作，通過查找相關(guān)資料，他們發(fā)現(xiàn)水中花園的形成與滲透壓有著一定的關(guān)聯(lián)，而通過微粒觀念，是可以定性解釋滲透壓出現(xiàn)的原因的，這在介紹離子概念的時(shí)候也有所涉及。實(shí)際上，阿侖尼烏斯的電離理論就與滲透壓有著緊密的聯(lián)系。

理論的學(xué)習(xí)也可以幫助學(xué)生更好地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而完成對理論的深化。在水的電解實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過水的電解實(shí)驗(yàn)，觀察到了水電解形成兩種氣體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且確認(rèn)正極產(chǎn)生了氧氣而負(fù)極產(chǎn)生了氫氣。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的時(shí)候，有的學(xué)生將這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與化學(xué)中的分子熱運(yùn)動理論、水的化學(xué)組成聯(lián)系在一起，提出了如下的問題： 正極產(chǎn)生了氧氣，那么在氧氣產(chǎn)生的一瞬間，水分子中的“氫原子”以什么形式存在呢？

經(jīng)過思考，他們認(rèn)為，即使“氫原子”跑去了負(fù)極產(chǎn)生了氫氣，但是由于單個(gè)水分子很小，不能同時(shí)接觸正極和負(fù)極，而且微粒的運(yùn)動不能無限快，所以單個(gè)水分子不可能同時(shí)在正負(fù)極形成氫氣和氧氣。借助于教師提供的額外資料，學(xué)生改進(jìn)了電解水的實(shí)驗(yàn)，通過電解含有酚酞的硫酸鈉溶液，驗(yàn)證了負(fù)極生成了OH-。這一結(jié)果使得學(xué)生對電解水的過程有了進(jìn)一步的認(rèn)識，也為后面更好地學(xué)習(xí)電解理論知識做了鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）（第一版）[M].北京： 人民教育出版社， 2004.

[2]Bacon， F.許寶骙譯.新工具[M].北京： 商務(wù)印書館， 1984.