漫谈科学实验的可重复验证性

赵龙

摘要国家大力提倡科学素养的教育，而对于科学本质属性的理解，尤其是对于科学是可以重复检验的这一根本特征的认识，就十分重要。科学有四大本质属性，可重复验证性是其中重要的一条。比萨斜塔上的铁球自由下落实验、发现哈雷彗星等科学发展史，就是一部不断重复验证的历史。加强科学的可重复验证性的教育在小学科学课中不仅可行而且重要。

关键词科学;可重复检验;科学史

中图分类号：G424文献标识码：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科学的四个本质属性

2017年教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》指出，科学素养包括：了解必要的科学技术知识及其对社会与个人的影响，知道基本的科学方法，认识科学本质，树立科学思想，崇尚科学精神，并具备一定的运用它们处理实际问题、参与公共事务的能力。

认识科学的一些本质属性，可以说是科学素养的一个非常重要的方面。以下，是科学的四个本质属性：

科学是理性客观的——因而，科学是需要经得起重复验证的;

科学是可证伪的（数学不可证伪，迷信不可证伪，宗教不可证伪，它们都不是科学）;

科学是有适用范围的（科学本身也是发展的）;科学在其适用范围内是有着普遍必然性的。

科学的这四个本质属性，要在小学阶段既全面又扎实地建立，诚然不现实，其中有许多方面需要通过中学、大学乃至一生去加深认识。不过，一些基础性的认识是可以在小学作铺垫的，甚至可以做一些有针对性的强调，例如科学是要经得起重复验证的。

2科学可重复验证的重要性

首先，从科学哲学视角来看，科学本质属性的第一条“科学是理性客观的“，就必然要求科学的可重复验证。理论上，科学事实在相同条件下就应该而且能够被重复验证。

一个科学实验，你去做这样的实验，我去做这样的实验，或者他去做，各人难免存在各自的主观因素干扰;不同的时间、地点、方式，对同一个人做此实验也可能产生不同的客观、主观因素干扰，既然科学要求所反映的必须是理性和客观的，那就应该尽量去排除一切可能的主观因素干扰。于是，可重复验证就成了科学研究的一个必然要求。

其次，科学实验的可重复验证是科学知识真实性和确定性的基础，为判断科学活动的可靠性提供依據，一定程度上意味着科学知识的普遍性。因此，可重复验证成为重要的科学原则，也只有能经过重复验证的科学发现才能够被纳入科学知识体系。

科学实验的可重复验证要求：

实验的样本量足够大，在相同实验条件下要有足够的重复观察次数，突出其必然规律，以避免实验结果的偶然性。

任何实验结果的可靠性应经得起独立实验重复的考验，重复实验是检查实验结果可靠性的唯一方法。

在大量重复实验的基础上，可以得到从个别到一般规律的归纳;得出规律性结论后还需要不断的可重复验证，使得规律、结论的必然性得到加强。如遇到重复验证不成立的情况下亦可证伪，并在此基础上进一步修正认识，使得科学得以前进。

没有重复验证，就不可能发现与原有认识（理论）相同的事实，也就无从进一步证实已知理论。没有重复验证，就没有可能发现与原有认识（理论）不一致（相悖）的事实，也就无从证伪，也就无从提出新的理论，也更无从有新的发现，没有科学的发展。

证实与证伪是矛盾统一的，统一的目的在于促进科学的发展，统一的方法即重复验证。

3科学的发展史就是一部不断重复验证的历史

3.1比萨斜塔上的铁球自由下落实验

伽利略的比萨斜塔上的铁球自由下落实验，常常用来教育不要迷信权威——课程标准中的“科学态度”项目的要求即有“在科学探究中能以事实为依据，不从众，不轻易相信权威与书本”。此前，人们普遍相信亚里士多德的重物比轻物下落速度更快的判断，从来没有谁去做过实验的验证，但恰恰是伽利略第一个做科学实验进行可重复验证，立刻就否定了这个结论。

由于伽利略的实验思想及其对后世科学发展的重大影响，伽利略也被公认为实验科学的开拓者。

3.2发现哈雷彗星等证实了牛顿的万有引力定律

1758年的平安夜（12月24日），德国德雷斯登的一位农夫在自家院里架起天文望远镜，朝向西北方的天际，在那里，他惊喜地发现了一颗闪亮的彗星。这位农夫因此成为人类历史上第一个在预定时间观测到彗星的人。不过，历史并没有记录下他的名字，而是用一个十几年前就去世的科学家的名字命名了这颗彗星——哈雷彗星。

原来，在运用牛顿的万有引力定律和结合天文资料的艰苦计算后，哈雷发现1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星轨道看起来如出一辙，于是大胆地假设它们是同一颗彗星。再经过反复测算，考虑木星、土星等星体的引力摄动之后，1708年，他预言这颗彗星将在1758年底或1759年初再次回归，并给出了它的轨道数据。

牛顿的万有引力定律准确地描述了人们已知的水星、金星、地球、火星、木星、土星等行星的运转轨道规律。18世纪赫歇耳偶然发现了天王星之后，对于天王星的跟踪观察发现，天王星总是跟万有引力定律预报的位置有偏差，所以预言在天王星外面有一个星体对它造成了影响，并且根据这种影响计算出了那个星体所在的位置，果然在预告的位置上发现了海王星。科学家在发现海王星之后，在运用万有引力定律的计算中，又发现了就算加上海王星的影响也不足以造成天王星这么大的偏差，于是再次计算新星体的位置，结果发现了冥王星。

牛顿的万有引力定律，在不同的科学实验和观察中，得到了可重复验证。

3.3人类首次有了可用的稳定连续电源

人类现代生活中的电，也是来自不断可重复验证的实验推动。1786年的一天，伽伐尼在实验室解剖青蛙，剥了皮的蛙腿，在用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现电火花。伽伐尼还在实验中意外地发现，若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，当两种金属的另一端相碰时，蛙腿也会发生抽动。伽伐尼没有弄清其中的原因，他称之为动物电。

伏打读过伽伐尼的《论在肌肉运动中的电力》，在重复了伽伐尼的实验后，起初他是同意伽伐尼关于动物电的结论的。伏打还注意到，如果把两种相互接触的不同金属放在舌上，就会引起一种特殊的感觉，有时是酸性，有时是碱性。进一步，伏打认为问题的关键在于这两种相互接触的不同金属（如铜和锌），而不是动物电——蛙腿只不过是一种非常灵敏的探测器。

伏打继续深入研究，终于在1800年3月公布了他发明的伏打电堆，关于这个发明的介绍文章的标题就是《论不同导电物质接触产生的电》。

伏打电堆是由多层锌片和银片叠合而成，其中间隔有浸渍了盐水的纸板，亦称伏打电池。伏打电堆很快就被无数的人重复验证了，电堆能产生连续的电流，其强度的数量级比此前从静电起电机能得到的电流大。

伏打重复验证了伽伐尼的实验，对该实验的更进一步研究和分析，最终找出现象背后的真实科学原理。随着伏打后来的改进，才有了人类首次可用的稳定连续电源（电池）的发明，由此开始了一场电学的科学革命。

3.4植物光合作用的发现

生物实验因为操作、环境、实验对象复杂性等原因，重复性的确不如物理或者化学实验好。但任何科学实验，可重复性都是必须要强调的，可重复性不够好不可与不能重复画等号。如果一个实验结果需要特定的人在特定的时间和地点来重复，那么这只能是一个站不住脚的、片面的实验结果。因果关系没有搞清楚，这个数据的权威性就要受到质疑。

1774年，英国的普利斯特列发现，将一只小鼠放在密闭的钟罩内不久就会窒息死亡，但把小鼠和一株植物同时放在密闭的钟罩里，小鼠会活得很好。他据此得出结论：植物会吸收空气中的“污浊之气”使空气重新变得新鲜。后来人们知道了那“污浊之气”是二氧化碳。

1779年，荷兰的英根豪斯重复了普利斯特列的实验，发现普利斯特列的实验只有在阳光照射下才能成功;只有植物体的绿叶才能更新空气。后来的科学家证明了绿叶产生的气体是氧气。

英根豪斯对普利斯特列的实验不仅仅做了简单的可重复性的验证，他更细致地做了相关实验条件控制的研究。普利斯特列和英根豪斯都是植物光合作用科学研究史上的重要奠基人。

4小学科学教学应重视科学的可重复验证

科学课教学，要帮助学生树立科学的理性客观意识，懂得重复验证的重要，了解并掌握重复检验的基本原理和方法。这在以往的教材编写和教学实践中是容易被忽视的部分，今后应该加强。作为教师，树立科学需要重复验证的这一理念尤为重要，只有教师的理念树立了，落实到具体的教学行动中，才能向学生传播这一理念。

一般地，教师在教学中基本做到了不同的班级、不同的时间和地点，做同样的科学实验，可以得到同样的科学结论。教师也鼓励学生不迷信权威和书本，乐于亲历探究，用实验来验证那些权威或书本的结论。而在某些比较特别的实验中，关于“科学是要经得起重复验证”还应进一步挖掘。

例如，用凡士林把火柴棒粘在金属棒上，用酒精灯在铁棒的另一端加热，观察火柴棒的掉落顺序，发现热总是从物体的高温部分向低温部分传导。之后，再加热涂蜡的金属圆片，观察热在金属圆片中的传递，也是如此。

又如，在做热水上升冷水下降的实验时，不单要做“红色热水在上，冷水在下”的实验，还要做“红色热水在下，冷水在上”的实验（如图1）。为了排除水染成红色的这个干扰因素，还需要将冷水染红，再做一次上述实验。为什么要这样呢？这其实已经初步涉及了科学的认识方法论上的可重复验证，这是可以也是有必要让学生分析和了解的。

关于认识方法论上的可重复验证，最著名的莫过于牛顿用三棱镜在做光的色散实验时，写下的科学笔记。想必，当学生在学习光的色散内容时，有了对科学史上牛顿关于光的色散的研究笔记的深入阅读理解，应该能对科学研究的可重复验证和科学的严谨有更深刻的认识。

类似的情形还有很多。教师可以选取恰当的内容，在某个点适度深挖一下可重复验证，例如烧开水就可以从平常的1个课时的教学扩充为2个课时的教学：

第1课时，第一次烧水，初步认识什么是沸腾，知道什么状态就是水烧开了。第二次烧水，各组都用相同的装备烧水（如酒精灯、石棉网、小烧杯），主要关注水沸腾时的温度、特征等。

第2课时，第三次烧水，各组选用不同材质以及不同大小的容器、不同的加热方法烧水（如选用玻璃烧瓶、瓦罐、不锈钢杯、铝制饭盒等容器，以及酒精灯、电磁炉、电热水壶等加热方式），但只要水烧开了，关于水的沸腾的那些科学结论，通过可重复验证都成立。

第2课时的后半部分，可以介绍高原地区的烧开水情况，如拉萨的开水沸点只有88 ℃，在海拔5000米的地方，沸点只有84 ℃，人们为了煮熟食物就只能用高压锅——水在100 ℃沸腾的结论，不能通过可重复验证了。这是为什么？要给这个“水在100 ℃沸腾”的结论加上一个什么样的限制才能成立？这些，将在中学进一步学习。

5结语

培养一种科学观念、一种科学思维的习惯，不可能一蹴而就，而是需要日积月累的训练。教师自己必须站在一個更高的层面上，有目的有意识地抓住科学素养培养的点点滴滴契机，潜移默化地渗透在教学中。科学必须具备可重复验证这样的核心思想，应该在合适的时候凸显出来的。

事实上，水变油的大骗局，特异功能的耳朵辨字，某大师的“凌空劲”，熟鸡蛋返生……这些层出不穷的骗术，其实只要遇到可重复验证的科学“试金石”，无一不原形毕露。掌握这个科学“试金石”，培养学生最基本的科学精神，则离不开小学这一阶段。

参考文献

[1]张天蓉.科学是什么[M].北京：清华大学出版社，2019.

[2]吴国盛.什么是科学[M].广州：广东人民出版社，2016.

[3]吴国盛.科学的历程[M].长沙：湖南科学技术出版社，2018.

[4]威廉·麦克马斯.科学教育中的科学本质：理论和策略[M].桂林：广西师范大学出版社，2014.