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摘要：關于物理實驗與理論的關系，在大量文獻中都強調了實驗對理論的驗證作用，忽視了理論對實驗的決定作用，使人產(chǎn)生了理論來源于實驗的錯誤認識，不利于大學生創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。本文運用波普爾科學哲學教育思想重新審視了大學物理實驗與物理學理論的關系，強調了理論對實驗的指導意義，即實驗是在理論指導下進行的，實驗可以驗證理論正確與否，實驗中可以產(chǎn)生新的問題從而推動理論的進一步發(fā)展。這種觀點對大學生認識科學的本質，培養(yǎng)科學批判精神有一定作用，并對在大學物理實驗中如何訓練學生的能力、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識做了初步的探索。

關鍵詞：理論  實驗  創(chuàng)新

        國家教育中長期發(fā)展規(guī)劃中明確指出，我國目前的教育面對未來的機遇和挑戰(zhàn)，必須清楚的認識到，“我國教育還不完全適應國家經(jīng)濟社會發(fā)展和人民群眾接受良好教育的要求。教育觀念相對落后，內(nèi)容方法比較陳舊，中小學生課業(yè)負擔過重，素質教育推進困難；學生適應社會和就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力不強，創(chuàng)新型、實用型、復合型人才緊缺；教育體制機制不完善，學校辦學活力不足；”同時指出，公民接受良好教育已成為人民群眾強烈期盼，深化教育改革成為全社會共同心聲。

        作為大學的教育，學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，已成為義不容辭的歷史責任。如何在大學教學中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，不同的學者提出了很多的建議，調整課程體系、改革課程設置、轉變辦學模式等等諸多問題，已成為廣大高校學者們研究的熱點。我們課題組依據(jù)我國中長期教育發(fā)展規(guī)劃的要求，對在大學物理實驗中如何訓練學生的能力、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識做了初步的探索，我們認為，學生的實驗改革是目前提高學生創(chuàng)新能力的一個非常好的教學環(huán)節(jié)，合理設置實驗題目、巧妙設計實驗步驟，在實驗中提出疑問、解決疑問，是學生創(chuàng)新思維訓練的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。

        一、問題的提出

        實驗---作為理工科教學的必不可少的一個教學環(huán)節(jié)，在學生的創(chuàng)新能力和科學理念養(yǎng)成中起到了不可替代的作用。我們實驗的目的是什么？為什么要做科學實驗，應給說在從學生接受科學訓練的初始就已經(jīng)得到了難以磨滅的熏陶。科學實驗的目的就是為了驗證科學理論。幾十年來我們的教育告訴我們的學生，科學理論來源于實驗，或者說實驗是科學之母。沒有實驗就沒有我們今天的科學。這一根深蒂固的理念已成為相當一部分受教育者的共識，影響著人們的世界觀，構建了我們公民的科學素質。然而，也正是這樣的一個科學理念，阻礙著受教育者的創(chuàng)新能力的提高。近代著名的證偽主義科學哲學家波普爾認為：“理論先于觀察”，他從科學發(fā)展的史學角度提出了在我們常規(guī)的科學教育理論看來不易被人接受、但在當前的創(chuàng)新教育看來一個無法回避的科學理念的哲學命題，那就是否認理論來源于經(jīng)驗的觀察。他認為，科學的觀察具有目的性和選擇性，這種目的性和選擇性是由科學家理論觀點、興趣和期望等決定的。他認為我們所面對的經(jīng)驗事實是無限復雜多樣的，觀察只能在其中選擇十分有限的部分。如果你什么都想觀察，其結果是什么都沒有觀察到。因此必須依據(jù)一定的理論、觀點為指導。其次，在觀察中必須有所理解，無理解的觀察只是熟視無睹，而理解必須在一定理論觀點指導下進行，這就會影響觀察的結果?；蛘哒f，我們所有的科學實驗都是來源于科學理論的指導。這是一個我們的教育者默認、但始終在受教育者面前有意或無意回避的一個問題，

        我們所有的教學用的實驗儀器，和我們編排的實驗內(nèi)容和實驗步驟，無一不遵從一個默認的規(guī)則，那就是實驗儀器的實驗原理，這一在實驗儀器制造中已經(jīng)潛透在儀器設計中的規(guī)則。無外乎每次學生做實驗時，都為實驗儀器設計的巧妙折服，都為實驗的結果同理論巧妙的吻合而驚喜。我們不得不承認，實際上每種實驗儀器都是在一定原理的基礎上設計制造的。而這實驗結果同理論的吻合來驗證理論的正確性，實際上是對實驗者的一種善意的誘惑或者欺騙。例如楊氏干涉實驗裝置和邁克爾遜干涉儀，雖然是不同的觀察干涉現(xiàn)象的儀器，但是制造它們所依賴的都是光的干涉的基本原理，都是想方設法產(chǎn)生兩束滿足相干條件的可見光，然后讓這兩束光相遇疊加。如果沒有干涉的基本原理，誰也不會想到制造這種怪模怪樣的東西。

        我們不得不承認，這種善意的誘騙，在公眾科學概念形成的早期，或者說對于初受教育者來說，是十分必要的，而且也是必須的。因為這些“神話”對于初受教育者“科學信仰”的養(yǎng)成是十分必要的、也是必須的。也是符合我們對科學的認識的。因為“科學家旨在發(fā)現(xiàn)一個世界，特別是關于世界規(guī)律性或‘規(guī)律’的真實的理論或描述。這種理論或描述應該是可觀察事實的一種解釋”（猜測132）。而我們設計的學生實驗恰恰滿足了這種科學解釋的目的和要求。我們要求學生每次做實驗前，都明白了本次實驗的原理和目的。如果不明白原理，我們會覺得無從下手，同樣要觀察什么現(xiàn)象，要記錄什么數(shù)據(jù)，就連實驗步驟都是一步一步設計好了的。好像學生在尋找著什么，其實是設計好的結論。但我們的教育者都明白，這種潛移默化的實驗規(guī)則，對于我們高等教育的培養(yǎng)目標，尤其是在當前《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》對高等教育提出的培養(yǎng)適應社會發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才來說，是滿足不了培養(yǎng)目標的。

        二、依據(jù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，改革大學實驗的課程設計

        大學物理實驗，是大學生實驗技能的訓練，同時也是對學生科學素養(yǎng)的訓練，和創(chuàng)新能力的訓練。我們在實驗中，結合教學任務，變老師指導性實驗為學生自主設計實驗。通過我們的實踐發(fā)現(xiàn)，學生在設計實驗過程中所得到的科學訓練，高于過去在老師或實驗講義指導下的實驗對教學目的的要求。學生變單純的完成實驗為自主的設計實驗，對學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的影響。我們的做法是：

        1.教師提出實驗目的，給出實驗可能使用到的實驗儀器，學生根據(jù)理論知識，自己選擇實驗方法，設計實驗步驟，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。#p#分頁標題#e#

        大學實驗的內(nèi)容都是在理論知識的基礎上安排設計的，學生既然學習了理論知識，就應該有能力自己選擇實驗方法，設計實驗步驟，從而完成所規(guī)定的實驗科目。我們在實驗教學中，一改過去由老師講述實驗原理，將實驗步驟一步步寫在黑板上的方法，由學生自己預習實驗講述原理，根據(jù)儀器寫出實驗步驟，老師檢查后指出問題，然后開始動手操作。這樣，學生們的實驗方法可能不一樣，步驟也許不一致，但是基本能達到實驗目的，例如學生做牛頓環(huán)的實驗時，同學們都知道要觀察干涉條紋，但是觀察方法出現(xiàn)了不同。有的設計了從反射光中觀察干涉條紋，有的則利用透射光觀察到了干涉條紋，雖然觀察的方法各自不同，指導老師沒有指出具體的方法，但是同學們根據(jù)理論的指導，各自完成了實驗，同時訓練了技能和方法。同樣利用分光計測棱鏡的折射率時，學生們有的用測最小偏向角的方法，有的用測極限角的方法。雖然方法不一，但最終都達到了實驗目的。而且學生的體會頗深，認識到了在同一個理論的指導下，不同的實驗方法，可以達到同樣的實驗結果。

        再如，讓學生重做赫茲實驗，體會理論對實驗發(fā)現(xiàn)的指導意義。依照麥克斯韋理論，電擾動能輻射電磁波。通過學生的自己動手設計實驗的過程，用幾個簡單的器件，重新體會赫茲實驗獲得了成功的喜悅，體會赫茲的每一步實驗都是有理論基礎的、有一定目的、一定預期的。加深理解科學理論對實驗的指導意義，和科學發(fā)現(xiàn)源于科學假說的理解。

        如此實施實驗，不但使學生訓練的實驗技能，加深了對科學理論的理解。同時也使學生們意識到科學理論對實驗的指導作用。任何一個實驗如果沒有理論的指導，將變得無從下手。正如波普爾所說的，歸納法（即認為自然科學是歸納科學，歸納法是通過重復觀察或實驗來建立或證明理論的過程）不是科學研究的方法。人們不可能有足夠多的實驗數(shù)據(jù)能證明一條科學理論絕對無誤。波普爾的反歸納法強調了理論對實驗的指導作用，強調了在科學研究的過程中發(fā)揮人的主觀能動性、勇于創(chuàng)新的意義。實驗是有目的的去嘗試，是對自然的積極探索。因此科學實驗的重要性是不言而喻的，當然更離不開理論的指導作用。

        2.倡導學生分析實驗現(xiàn)象和結果，培養(yǎng)科學探索精神。

        波普爾認為，我們科學研究的目的，“就是找出我們需要解釋的東西的令人滿意的解釋，”即解釋我們所發(fā)現(xiàn)和觀察到的大自然的各種現(xiàn)象?？茖W家的任務就是給這些現(xiàn)象做出大家所能接受和比較滿意的解釋。科學就是一個猜測與反駁的過程。按照波普爾的科學知識增長方式，問題1---猜測與假說-----消除錯誤-----問題2----，對于問題1，人們提出假說嘗試解決。然后通過證偽來消除錯誤，進而產(chǎn)生新的問題2。隨著問題的深入，對問題作嘗試解決的理論的正確性就越來越高?？茖W知識的積累不僅僅是數(shù)量上的增長，而更應該是新理論代替舊理論的質變。

        實驗現(xiàn)象和結果的分析，可以很好的培養(yǎng)學生科學探索能力。學生可以在實驗現(xiàn)象中體會科學理論的內(nèi)涵，通過實驗的過程，體會科學探索的過程和理論對實踐的指導。理解我們當下科學理論對科學現(xiàn)象解釋的優(yōu)美。體會科學大廈構建的過程。

        比如我們所要做的光學實驗，有的用到光的直線傳播定律—--薄透鏡焦距的測定，有的用到光的波動理論—--干涉、衍射實驗，有的用到光的粒子性理論—--光電效應實驗。怎樣認識科學理論與實驗現(xiàn)象的聯(lián)系？在實驗過程中，我們抓住觀察實驗現(xiàn)象的機會，向學生灌輸科學思想。例如在做光的單縫衍射實驗時，當縫的寬度很小時，我們通過單縫衍射儀觀察到了清晰的衍射直條紋，學生們知道用光的波動理論可以對此現(xiàn)象進行解釋。但是隨著縫寬的增加，看到的直條紋越來越少，直到最后成了一條。這時用光的直線傳播理論就能加以解釋了，即此時的一個直條紋就是單縫通過衍射儀里面的透鏡所形成的像，和我們做過的光經(jīng)薄透鏡成像實驗原理一樣。通過這樣的解釋，學生們明白了，光的直線傳播理論是光的波動理論的近似。即所謂的科學理論是當下人們對自然現(xiàn)象和規(guī)律的一種令大多數(shù)人所滿意的解釋。人們對光的認識起初就是從光的直線傳播理論開始，它能解釋反射、折射現(xiàn)象，觀察到干涉、衍射現(xiàn)象時，用原來的理論解釋不了了，所以有了光的波動理論，再后來發(fā)展到光的波粒二象性理論。

        熱輻射現(xiàn)象的新的實驗觀測對當時的經(jīng)典物理學理論提出了置疑，麥克斯韋電磁場理論雖然能夠比較好地解釋電磁波以及光的傳播，但是對于熱輻射的發(fā)射跟吸收無能為力。正是對熱輻射的研究引發(fā)了一系列物理學新的發(fā)現(xiàn)。我們大家都已經(jīng)知道，量子理論的起點是源于熱輻射的研究。

        通過實驗過程的理解，可以使學生認識到，科學是人類創(chuàng)造的一種合適的、為當下人們滿意的解釋。這種科學理念一旦建立起來，人們的科學懷疑和批判精神自然就建立了起來，創(chuàng)新精神就會自然地在人們的世界觀中形成了。

        三、結論

        我們通過學生的科學實驗的改革，變老師指導為學生自我設計，雖然加深了實驗的難度，增加了實驗的課時數(shù)，同時也增加了指導老師的難度，但加深了學生對科學的理解，加深了學生對科學概念的理性化的信仰，使學生認識到了科學的發(fā)現(xiàn)過程，在增強學生對科學信仰的同時，增強了學生的創(chuàng)新能力和科學的批判精神，培養(yǎng)的學生的科學素質。同時培養(yǎng)了學生應用科學哲學分析問題和解決問題的能力，為學生走向社會后的創(chuàng)新能力的養(yǎng)成和對社會的適應能力的增強奠定了基礎。