漫談科學實驗的可重復驗證性

趙龍

摘要國家大力提倡科學素養的教育，而對于科學本質屬性的理解，尤其是對于科學是可以重復檢驗的這一根本特征的認識，就十分重要。科學有四大本質屬性，可重復驗證性是其中重要的一條。比薩斜塔上的鐵球自由下落實驗、發現哈雷彗星等科學發展史，就是一部不斷重復驗證的歷史。加強科學的可重復驗證性的教育在小學科學課中不僅可行而且重要。

關鍵詞科學;可重復檢驗;科學史

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.029

On the Repeatability of Scientific Experiments

ZHAO Long

（Hunan Science and Technology Press，Changsha，Hunan 410003）

Abstract：The state vigorously advocates the education of scientific literacy，and it is very important to understand the essential attribute of science，especially the fundamental feature that science can be tested repeatedly. Science has four essential attributes，of which repeatability is an important one. The history of scientific development such as the free fall experiment of the iron ball on the Leaning Tower of Pisa and the discovery of Halley，s comet is a history of repeated verification. Strengthening the education of scientific repeatability is not only feasible but also important in primary school science class.

Keywords：science;repeatable inspection;history of science

1科學的四個本質屬性

2017年教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》指出，科學素養包括：了解必要的科學技術知識及其對社會與個人的影響，知道基本的科學方法，認識科學本質，樹立科學思想，崇尚科學精神，并具備一定的運用它們處理實際問題、參與公共事務的能力。

認識科學的一些本質屬性，可以說是科學素養的一個非常重要的方面。以下，是科學的四個本質屬性：

科學是理性客觀的——因而，科學是需要經得起重復驗證的;

科學是可證偽的（數學不可證偽，迷信不可證偽，宗教不可證偽，它們都不是科學）;

科學是有適用范圍的（科學本身也是發展的）;科學在其適用范圍內是有著普遍必然性的。

科學的這四個本質屬性，要在小學階段既全面又扎實地建立，誠然不現實，其中有許多方面需要通過中學、大學乃至一生去加深認識。不過，一些基礎性的認識是可以在小學作鋪墊的，甚至可以做一些有針對性的強調，例如科學是要經得起重復驗證的。

2科學可重復驗證的重要性

首先，從科學哲學視角來看，科學本質屬性的第一條“科學是理性客觀的“，就必然要求科學的可重復驗證。理論上，科學事實在相同條件下就應該而且能夠被重復驗證。

一個科學實驗，你去做這樣的實驗，我去做這樣的實驗，或者他去做，各人難免存在各自的主觀因素干擾;不同的時間、地點、方式，對同一個人做此實驗也可能產生不同的客觀、主觀因素干擾，既然科學要求所反映的必須是理性和客觀的，那就應該盡量去排除一切可能的主觀因素干擾。于是，可重復驗證就成了科學研究的一個必然要求。

其次，科學實驗的可重復驗證是科學知識真實性和確定性的基礎，為判斷科學活動的可靠性提供依據，一定程度上意味著科學知識的普遍性。因此，可重復驗證成為重要的科學原則，也只有能經過重復驗證的科學發現才能夠被納入科學知識體系。

科學實驗的可重復驗證要求：

實驗的樣本量足夠大，在相同實驗條件下要有足夠的重復觀察次數，突出其必然規律，以避免實驗結果的偶然性。

任何實驗結果的可靠性應經得起獨立實驗重復的考驗，重復實驗是檢查實驗結果可靠性的唯一方法。

在大量重復實驗的基礎上，可以得到從個別到一般規律的歸納;得出規律性結論后還需要不斷的可重復驗證，使得規律、結論的必然性得到加強。如遇到重復驗證不成立的情況下亦可證偽，并在此基礎上進一步修正認識，使得科學得以前進。

沒有重復驗證，就不可能發現與原有認識（理論）相同的事實，也就無從進一步證實已知理論。沒有重復驗證，就沒有可能發現與原有認識（理論）不一致（相悖）的事實，也就無從證偽，也就無從提出新的理論，也更無從有新的發現，沒有科學的發展。

證實與證偽是矛盾統一的，統一的目的在于促進科學的發展，統一的方法即重復驗證。

3科學的發展史就是一部不斷重復驗證的歷史

3.1比薩斜塔上的鐵球自由下落實驗

伽利略的比薩斜塔上的鐵球自由下落實驗，常常用來教育不要迷信權威——課程標準中的“科學態度”項目的要求即有“在科學探究中能以事實為依據，不從眾，不輕易相信權威與書本”。此前，人們普遍相信亞里士多德的重物比輕物下落速度更快的判斷，從來沒有誰去做過實驗的驗證，但恰恰是伽利略第一個做科學實驗進行可重復驗證，立刻就否定了這個結論。

由于伽利略的實驗思想及其對后世科學發展的重大影響，伽利略也被公認為實驗科學的開拓者。

3.2發現哈雷彗星等證實了牛頓的萬有引力定律

1758年的平安夜（12月24日），德國德雷斯登的一位農夫在自家院里架起天文望遠鏡，朝向西北方的天際，在那里，他驚喜地發現了一顆閃亮的彗星。這位農夫因此成為人類歷史上第一個在預定時間觀測到彗星的人。不過，歷史并沒有記錄下他的名字，而是用一個十幾年前就去世的科學家的名字命名了這顆彗星——哈雷彗星。

原來，在運用牛頓的萬有引力定律和結合天文資料的艱苦計算后，哈雷發現1531年、1607年和1682年出現的三顆彗星軌道看起來如出一轍，于是大膽地假設它們是同一顆彗星。再經過反復測算，考慮木星、土星等星體的引力攝動之后，1708年，他預言這顆彗星將在1758年底或1759年初再次回歸，并給出了它的軌道數據。

牛頓的萬有引力定律準確地描述了人們已知的水星、金星、地球、火星、木星、土星等行星的運轉軌道規律。18世紀赫歇耳偶然發現了天王星之后，對于天王星的跟蹤觀察發現，天王星總是跟萬有引力定律預報的位置有偏差，所以預言在天王星外面有一個星體對它造成了影響，并且根據這種影響計算出了那個星體所在的位置，果然在預告的位置上發現了海王星。科學家在發現海王星之后，在運用萬有引力定律的計算中，又發現了就算加上海王星的影響也不足以造成天王星這么大的偏差，于是再次計算新星體的位置，結果發現了冥王星。

牛頓的萬有引力定律，在不同的科學實驗和觀察中，得到了可重復驗證。

3.3人類首次有了可用的穩定連續電源

人類現代生活中的電，也是來自不斷可重復驗證的實驗推動。1786年的一天，伽伐尼在實驗室解剖青蛙，剝了皮的蛙腿，在用刀尖碰蛙腿上外露的神經時，蛙腿劇烈地痙攣，同時出現電火花。伽伐尼還在實驗中意外地發現，若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，當兩種金屬的另一端相碰時，蛙腿也會發生抽動。伽伐尼沒有弄清其中的原因，他稱之為動物電。

伏打讀過伽伐尼的《論在肌肉運動中的電力》，在重復了伽伐尼的實驗后，起初他是同意伽伐尼關于動物電的結論的。伏打還注意到，如果把兩種相互接觸的不同金屬放在舌上，就會引起一種特殊的感覺，有時是酸性，有時是堿性。進一步，伏打認為問題的關鍵在于這兩種相互接觸的不同金屬（如銅和鋅），而不是動物電——蛙腿只不過是一種非常靈敏的探測器。

伏打繼續深入研究，終于在1800年3月公布了他發明的伏打電堆，關于這個發明的介紹文章的標題就是《論不同導電物質接觸產生的電》。

伏打電堆是由多層鋅片和銀片疊合而成，其中間隔有浸漬了鹽水的紙板，亦稱伏打電池。伏打電堆很快就被無數的人重復驗證了，電堆能產生連續的電流，其強度的數量級比此前從靜電起電機能得到的電流大。

伏打重復驗證了伽伐尼的實驗，對該實驗的更進一步研究和分析，最終找出現象背后的真實科學原理。隨著伏打后來的改進，才有了人類首次可用的穩定連續電源（電池）的發明，由此開始了一場電學的科學革命。

3.4植物光合作用的發現

生物實驗因為操作、環境、實驗對象復雜性等原因，重復性的確不如物理或者化學實驗好。但任何科學實驗，可重復性都是必須要強調的，可重復性不夠好不可與不能重復畫等號。如果一個實驗結果需要特定的人在特定的時間和地點來重復，那么這只能是一個站不住腳的、片面的實驗結果。因果關系沒有搞清楚，這個數據的權威性就要受到質疑。

1774年，英國的普利斯特列發現，將一只小鼠放在密閉的鐘罩內不久就會窒息死亡，但把小鼠和一株植物同時放在密閉的鐘罩里，小鼠會活得很好。他據此得出結論：植物會吸收空氣中的“污濁之氣”使空氣重新變得新鮮。后來人們知道了那“污濁之氣”是二氧化碳。

1779年，荷蘭的英根豪斯重復了普利斯特列的實驗，發現普利斯特列的實驗只有在陽光照射下才能成功;只有植物體的綠葉才能更新空氣。后來的科學家證明了綠葉產生的氣體是氧氣。

英根豪斯對普利斯特列的實驗不僅僅做了簡單的可重復性的驗證，他更細致地做了相關實驗條件控制的研究。普利斯特列和英根豪斯都是植物光合作用科學研究史上的重要奠基人。

4小學科學教學應重視科學的可重復驗證

科學課教學，要幫助學生樹立科學的理性客觀意識，懂得重復驗證的重要，了解并掌握重復檢驗的基本原理和方法。這在以往的教材編寫和教學實踐中是容易被忽視的部分，今后應該加強。作為教師，樹立科學需要重復驗證的這一理念尤為重要，只有教師的理念樹立了，落實到具體的教學行動中，才能向學生傳播這一理念。

一般地，教師在教學中基本做到了不同的班級、不同的時間和地點，做同樣的科學實驗，可以得到同樣的科學結論。教師也鼓勵學生不迷信權威和書本，樂于親歷探究，用實驗來驗證那些權威或書本的結論。而在某些比較特別的實驗中，關于“科學是要經得起重復驗證”還應進一步挖掘。

例如，用凡士林把火柴棒粘在金屬棒上，用酒精燈在鐵棒的另一端加熱，觀察火柴棒的掉落順序，發現熱總是從物體的高溫部分向低溫部分傳導。之后，再加熱涂蠟的金屬圓片，觀察熱在金屬圓片中的傳遞，也是如此。

又如，在做熱水上升冷水下降的實驗時，不單要做“紅色熱水在上，冷水在下”的實驗，還要做“紅色熱水在下，冷水在上”的實驗（如圖1）。為了排除水染成紅色的這個干擾因素，還需要將冷水染紅，再做一次上述實驗。為什么要這樣呢？這其實已經初步涉及了科學的認識方法論上的可重復驗證，這是可以也是有必要讓學生分析和了解的。

關于認識方法論上的可重復驗證，最著名的莫過于牛頓用三棱鏡在做光的色散實驗時，寫下的科學筆記。想必，當學生在學習光的色散內容時，有了對科學史上牛頓關于光的色散的研究筆記的深入閱讀理解，應該能對科學研究的可重復驗證和科學的嚴謹有更深刻的認識。

類似的情形還有很多。教師可以選取恰當的內容，在某個點適度深挖一下可重復驗證，例如燒開水就可以從平常的1個課時的教學擴充為2個課時的教學：

第1課時，第一次燒水，初步認識什么是沸騰，知道什么狀態就是水燒開了。第二次燒水，各組都用相同的裝備燒水（如酒精燈、石棉網、小燒杯），主要關注水沸騰時的溫度、特征等。

第2課時，第三次燒水，各組選用不同材質以及不同大小的容器、不同的加熱方法燒水（如選用玻璃燒瓶、瓦罐、不銹鋼杯、鋁制飯盒等容器，以及酒精燈、電磁爐、電熱水壺等加熱方式），但只要水燒開了，關于水的沸騰的那些科學結論，通過可重復驗證都成立。

第2課時的后半部分，可以介紹高原地區的燒開水情況，如拉薩的開水沸點只有88 ℃，在海拔5000米的地方，沸點只有84 ℃，人們為了煮熟食物就只能用高壓鍋——水在100 ℃沸騰的結論，不能通過可重復驗證了。這是為什么？要給這個“水在100 ℃沸騰”的結論加上一個什么樣的限制才能成立？這些，將在中學進一步學習。

5結語

培養一種科學觀念、一種科學思維的習慣，不可能一蹴而就，而是需要日積月累的訓練。教師自己必須站在一個更高的層面上，有目的有意識地抓住科學素養培養的點點滴滴契機，潛移默化地滲透在教學中。科學必須具備可重復驗證這樣的核心思想，應該在合適的時候凸顯出來的。

事實上，水變油的大騙局，特異功能的耳朵辨字，某大師的“凌空勁”，熟雞蛋返生……這些層出不窮的騙術，其實只要遇到可重復驗證的科學“試金石”，無一不原形畢露。掌握這個科學“試金石”，培養學生最基本的科學精神，則離不開小學這一階段。

參考文獻

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