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科学实验

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科学实验,英文名称scientific experiment,是人们为实现预定目的,在人工控制条件下,通过干预和控制科研对象而观察和探索科研对象有关规律和机制的一种研究方法。它是人类获得知识、检验知识的一种实践形式。
中文名
科学实验
外文名
scientific experiment
类 型
是观察的一种形式
实验分类数
两类

基本信息 编辑

科学实验是观察的一种形式。由于科学实验在经验自然科学研究中具有特殊重要的地位,因此,需要对科学实验单独加以论述。
当人们不满足在自然条件下去观察对象,要求对被研究对象进行积极的干预时,这就导致科学实验的产生。
古代社会,科学实验就已在人们探索自然界奥秘的过程中逐步酝酿产生。但是那时的实验还只是以原始朴素形式出现,它还没有成为一种独立的社会实践活动形式。严格意义上的科学实验是从近代开始的。实验方法的运用成为近代自然科学的主要特点。这种情况之所以在近代出现,根本原因在于工业生产在这时得到了长足的发展。恩格斯说:“从十字军远征以来,工业有了巨大的发展,并产生了很多力学上的(纺织、钟表制造、磨坊)、化学上的(染色、冶金、酿酒)、以及物理学上的(眼镜)新事实,这
www.33eee.com 科学实验 科学实验
些事实不但提供了大量可供观察的材料,而且自身也提供了和已往完全不同的实验手段,并使新的工具的制造成为可能。可以说,真正有系统的实验科学,这时候才第一次成为可能。”(《www.33eee.com马克思恩格斯选集》 第3 卷人民出版社1972年版,第523-524页)
从近代到现代,科学实验经历了很大发展,科学实验的社会性也逐步提高。到了1940年代以后,科学实验的规模愈来愈大。科学实验再也不是科学家个人的事业,而成为整个社会事业的一个有机部分。
科学实验和科学观察一样,也是搜集科学事实、获得感性材料的基本方法,同时也是检验科学假说,形成科学理论的实践基础,二者互相联系、互为补充。但实验是在变革自然中认识自然,因而有着独特的认识功能。原因是科学实验中多种仪器的使用,使获得的感性材料更丰富、更精确 ,且能排除次要因素的干扰,更快揭示出研究对象的本质。

www.33eee.com主要步骤 编辑

科学的方法应该包括六个重要步骤:

观察

观察即对事实和事件的详细记录。

定义

对问题进行定义是有确切程序可操作的。

假设

提出假设是对一种事物或一种关系的暂时性解释。

检验

收集证据和检验假设,一方面要能提供假设所需的客观条件,一方面要找到方法来测量相关参数。

发表

发表研究结果:科学信息必须公开透明,真正的科学关注的是解决问题。

建构

即建构理论。孤立的问题无法建立理论,科学的理论是可以被证伪的。

实验特点 编辑

科学实验之所以受到人们的重视,之所以能比自然观察优越,这是和科学实验本身的特点密切相关的。

纯化条件

科学实验具有纯化观察对象的条件的作用。
自然界的对象和现象是处在错综复杂的普遍联系中的,其内部又包含着各种各样的因素。因此,任何一个具体的对象,都是多祥性的统一。这种情况带来了认识上的困难,因为对象的某些特性或者是被掩盖了起来,或者受到其他因素的干扰,以致对象的某些特性,或者是人们不容易认识清楚,或者是通常情况下根本就不能察觉到。而在科学实验中,人们则可以利用各种实验手段,对研究对象进行各种的人工
巴斯德肉汤实验 巴斯德肉汤实验
变革和控制,使其摆脱各种偶然因素的干扰,这样被研究对象的特性就能以纯粹的本来面目而暴露出来。人们就能获得被研究对象在自然状态下难以被观察到的特性。
例如,肉汤腐败这个常见的现象究竟是什么原因引起的?巴斯德认为煮沸的肉汤后来又变质,这是由于空气中的微生物进入肉汤造成的结果。但是,在自然的条件下,肉汤总要接触空气,而空气中又必然会有无数尘埃,尘埃上则携着微生物。所以在自然条件下,要使空气中的微生物不进入肉汤里是不可能的。于是,巴斯德就求助于实验的纯化作用。他设计了一种曲颈瓶,把肉汤注入瓶内并加热杀菌。由于瓶子是曲颈的,它使外界空气中的尘埃很不容易进入瓶内。结果肉汤并不腐败。这就是通过一定的实验手段,排除了空气中的微生物对肉汤的作用,观察到了肉汤在比较纯粹的状态下是不会腐败的。

强化条件

科学实验具有强化观察对象的条件的作用。
超导态 超导态
在科学实验中,人们可以利用各种实验手段,创造出在地球表面的自然状态下无法出现的或几乎无法出现的特殊条件,如超高温、超高压、超低温、超真空等等。在这种强化了的特殊条件下,人们遇到了许多前所未知的在自然状态中不不能或不易遇到的新现象,使人们发现了许多具有重大意义的新事实。
例如,人们能通过一定实验手段,造成接近绝对零度的超低温,从而使我们能把几乎所有的气体液化。在这种超低温下,人们也能发现某些材料具有特殊优良的导电性能,即具有无电阻、抗磁等超导态特性。

可重复性

科学实验具有可重复的性质。
在自然条件下发生的现象,往往是一去不复返的,因此无法对其反复地观察。在科学实验中,人们可以通过一定实验手段使被观察对象重复出现,这样,既有利于人们长期进行观察研究,又有利于人们进行反复比较观察,对以往的实验结果加以核对。
例如,英国化学家普利斯特列在1774 年用聚光镜加热汞的氧化物而分解出一种气体,它比空气的助燃性要强好多倍。普利斯特列把这种气体称之为失燃气体。当普利斯特列把这个消息告诉法国科学家
普利斯特氧气实验 普利斯特氧气实验
拉瓦锡后,拉瓦锡马上动手重复了这个实验,使他终于发现加热氧化汞而分解出来的能助燃的气体不是别的而是氧气。
正是由于科学实验具有这些特点,因此科学实验越来越广泛地被应用,并且在现代科学中占有越来越重要的地位。在现代科学中,人们需要解决的研究课题日益复杂,日益多样,使得科学实验的形式也不断丰富和多样。

实验分类 编辑

人们对利实验类型的分类,还缺少较系统的研究。我们也只是粗略地介绍以下两种分类:

按实验目的

按照实验的目的不同,可以把科学实验分为定性实验定量实验结构分析实验
定性实验是用以判定某种因素、性质是否存在的实验。
定量实验是用以测定某种数值或数量间关系的实验。
结构分析实验是用以了解被研究对象内部各种成份之间空间结构的实验。

按手段作用

根据实验手段(仪器、设备工具等)是否直接作用于被研究为标准,实验可分为直接实验、间接实验和模型实验
直接实验就是实验手段直接作用于被研究对象的实验。
建筑采光模型实验 建筑采光模型实验
模型实验就是根据相似原理,用模型来代替被研究对象,即代替原型,实验手段则直接作用于模型而不是原型的一种实验。在现代自然科学中,模型已不限于与原型具有同样物理性质的物理模型,而是又发展出数学模型、控制论模型等等。数学摸型是建立在模型和原型的数学形式相似的基础上。控制论模型是建立在控制功能的相似性基础上的。因此,人们就可以在具有不同运动形式的对象之间进行模拟实验。

按对象性质

根据实验对象性质的多样性,可以分为物理实验、化学实验、生命实验、人体实验等。

按预定目的

根据实验者的预定目的可分为定性实验定量实验、测量实验、对照实验验证性实验、判定性实验和中间实验等。

按实验对象

根据实验对象的透明度,可以分为黑箱实验、灰箱实验和白箱实验等。
另外,研究者应充分利用试验方法来研究特定的事物,但是必须懂得实验方法的局限性,如实验不能替代理论研究;实验总是特殊的,特殊的结果与普遍的理论之间总是有距离的;实验只能是在有限的范围内进行,许多问题是无法通过实验进行研究的。

实验程序 编辑

准备阶段

科学实验过[1] 程的第一个阶段,可以叫做实验的准备阶段
一项科学实验的价值,它的成功或失败,很大程度上取决于科学实验的准备阶段。在这一阶段,人们需要进行四项工作。其中的每项工作,都不能离开理论的运用,不能离开逻辑思维活动。

确立实验目的

这是为了明确我们为什么而进行实验。
例如,迈克尔逊和莫雷关于光的干涉实验,其目的就在于检验当时流行的以太理论是否正确。这个目的的
迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪
实现,对于推动物理学的发展有着十分重要的作用。确定实验目的是一个理论的逻辑演绎的过程。明确指导实验设计的理论
在确立实验目的之后,并不能马上着手设计实验,而是要先明确以什么理论来指导实验的设计。这种指导性理论,就是启发实验者应采用什么方法并从什么方向上去实现已确立的目的。没有这一步骤,就不能从实验目的过渡到具体的实际设计上去。
例如,恩格斯早就提出生命是通过化学进化的途径产生的。在恩格斯之后,很多科学家都想用实验来检验恩格斯的论断。但在很长一段时间里,人们始终不能进入具体的实验设计。其原因就在于实验设计所依据的指导性理论还不具备,人们还不知从何处着手去设计这种实验。也就是说,在实验目的和具体实验设计之间还缺少一个把两者联系起来的中间环节。
进入20世纪后,人们才提出了一个理论:在原始的不同于今天的大气条件下,在漫长的岁月里,非生命物质可以转化为生命。以后,海登又提出了原始大气和原始汤液的概念。这些理论相继提出之后,实验设计就有了依据,有了方向。人们就可以根据这些理论进一步作出逻辑推理:假定我们模拟了原始地球大气成分,并创造相应的条件,那么就可以进行模拟原始地球时期使无机物转化为生命所必需的有机物的实验。1953 年米勒的实验就是依据这种指导性理论而进行设计并取得成功的。指导性理论不仅关系到一个实验目的应从何处着手实现的问题,而且还直接影响到实验设计的成效。

着手实验设计

马克思说:“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到渐愧。但是,最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方,是他在用蜂蜡建筑蜂房以前,已经在自己的头脑中把它建成了。劳动过程结束时得到的结果,在这个过程开始时就已经在劳动者的表象中存在着,即已经观念地存在着。”(《马克思恩格斯全集》第23 卷,人民出版社1972年版,第202 页)这就是说,人们在实际行动之前,要先考虑到自己在未来应如何行动,采取哪些步骤,每步行动可能带来什么结果,假如某些条件突然改变了,将发生什么影响等等问题。科学实验是人们为了认识自然界而进行的一种变革自然界对象的社会实践活动。人们当然更要在采取具体实验行动之前,先在思维中以观念形态大致完成这个变革的行动过程。哪些干扰因素应设法排除,哪些次要因素要暂时撇开,这一切都应在实验设计中给以考虑。实验设计的任务,就是为了在实施实验之前,先把这个实验在自己的观念中完成。
药物效应实验 药物效应实验
实验设计是运用一定理论进行逻辑推论的过程。实验设计的优劣很大程度上取决于设计过程中的逻辑思维是否严密。比如,在实验设计中,要细致思考到,在实验的实施中可能会有哪些偶然性因素发生,这些偶然性因素会对实验效应带来什么影响。拿某种药物效应的实验来说,在实验设计时就要考虑到,如果病人知道了是在做药物效应的实验,那么他的心理反映就可能影响到生理上,从而使实验发生偏差,如果某医生知道了哪些病人属实验组,哪些病人属对照组,那么他的心理反应也可能会影响到诊断上,从而使实验发生偏差。因此,在实验设计中就要采取相应的严格措施,以消除这种偶然因素对实验效应的影响。这些思考过程,都是运用一定理论而进行的逻辑分析和逻辑推理的过程。
当然,在实验设计中还有许多具体的工艺和技术方面的问题。但是贯穿实验设计的一根主线,则是运用一定理论而进行的逻辑推论。相应的工艺和技术问题也只有在一定逻辑思维基础上,才能联结成为一个完整的设计。

实验准备

人们往住把实验仪器、设备、材料的准备,当作是一种纯物质的活动。其实,每一种仪器都是以某种或某些理论为依据而进行设计和制造的。例如,伽利略、托里拆利等人使用的温度计,就
孟德尔豌豆实验 孟德尔豌豆实验
是根据液体和气体与“受热程度”按比例膨胀的假定而制作的。1878 年国际度量衡委员会关于标准温度计的决议则作如下规定:“温度应当用化学上纯的氢在定容情况下的压力来测量,它在冰的熔解点时的压力为1000 毫米水银柱高”。所以,每采取一种仪器,实际上就意味着引进了一些理论。材料的选用也是根据一定的理论进行的。
例如,孟德尔选择豌豆作为实验材料,就是因为豌豆有严格的自花授粉,易于栽培,生长期短,有明显的可区分性状等特点。离开了一定的理论和逻辑思维,实验仪器、设备、材料的准备工作就无法进行。

实施阶段

科学实验的第二个阶段,可以叫做实验的实施阶段
这个阶段就是实验者操作一定的仪器设备使其作用于实验对象,以取得某种实验效应和数据。仪器设备与实验对象的相互作用是不依人的意志为转移的合乎规律的表现。因此,这个阶段的活动是—种客观的物质活动。作为客观的感性物质活动的实验实施过程正是对人们已有认识的检验,也是提供了给人们认识的新事实。

结果处理阶段

科学实验的第三个阶段,可以叫做实验结果的处理阶段
在这—阶段上,人们对实验结果进行分析。因为尽管人们在实验设计中作了周密考虑,但在实验的实施过程,仍会有一些事前没估计到的主客观因素影响到实验结果。所谓客观因素主要是指实验仪器设备的偶然变化,实验初始条件、环境条件的偶然变化、实验材料在品种规格上的某些差异等等。所谓主观因素主要是指,在实验设计时,遗漏了对一些可能产生的系统误差的考虑,在读取数据时,感官上造成的偏差,等等。这些因素造成的影响是混合在一起的。因此,人们就必须对实验最初所呈现出来的结果作出分析,以区分什么是应该消除的误差,什么是实验应有的结果。
在科学实验中,人们变革着客观的物质对象,这就使它和人们的生产活动有相同的方面。因为生产活动作为人们能动地改造客观世界的活动,也是一种变革物质对象的活动。正是由于这一点,科学实验也和生产活动一样,属于改造客观世界的实践活动的范畴,成为实践的一种基本形式。但是科学实验和生产活动又有区别。
首先,它们的直接目的不同。科学实验的直接目的在于解决一定的科学研究任务。生产活动的直接目的在于提供人们生活和再生产所需要的物质财富。
其次,它们产生的结果不同。科学实验产生的结果是人们获得了对事实的认识,是检验一定的理论。而生产活动产生的结果,则是使人们获得了所需要的产品。当然,这种区别不是绝对的。尤其是在现代,科学实验和生产活动已经明显地互相渗透。生产的发展为科学实验提供了前提和条件,科学实验则为发展生产指明方向、开辟道路。不仅如此,很多科学实验直接解决生产中的问题,成为生产
牛顿 牛顿
活动的一部分,而很多生产活动又带有科学实验的性质,它在生产物质产品的同时矛也解答了某些科学研究的课题。关于科学实验与生产活动的互相关系问题,这是科学社会学研究的一个重要课题。
实验法是指经过特别安排,在人为控制下确定事物相互关系的研究方法。实验法是自然科学研究领域最早被人们普遍使用的研究方法之一,是近代自然科学建立的基础,以致国外有的学者竟认为,研究(research)就是实验、实验、再实验,反复(re)寻找(search)的过程。达·芬奇、伽利略、牛顿等人都充分利用实验方法做出了巨大的科学成就。

实验构成 编辑

无论何种类型的科学实验,它们都是由三个部分构成的。

实验者

这是组织、设计和进行科学实验的人。实验目的的确定,实验方案的设计、实验步骤的制定、实验过程的操作、实验结果的处理解释等,没有一个环节可以脱离实验者。实验者是实验活动的主体。实验者从事科学实验是为了取得对自然界特定对象的认识。没有实验者这个认识主体,科学实验就不会发生。不过在此需要指出的是,不能把实验者理解为孤立的个人。在任何情况下。实验者都不是作为孤立的个人在活动,而是作为社会的人在活动。实验者继承着前辈们所已经建树起来的积极成果,也借鉴着同时代的成功经验与失败教训,同时还依赖着人们之间进行的各方面的协作劳动。因此,实验者所取得的任何一点有益成果,都将融汇到社会精神财富的总体中去。这样说,并不是要否认实验者个人的创造能力,而是说这种创造能力只有不脱离社会这个基础时才能得到发挥。

实验对象

这是实验者所要认识的对象。实验对象可以是自然界的物体及其现象,例如太阳光,也可以是人们生产出来的物体及其现象,例如机床、布匹。但是,不管何种种实验对象,它既是实验者进行变革和控制的对象,又是实验者的认识对象。因此,从认识论上看。实验对象是处于认识客体的地位。

实验手段

实验手段是由实验的仪器工具设备等客观物质条件组成,实验仪器是其中的主要成分。
实验手段的作用主要表现在两个方面:
一方面是实验者通过实验手段把自己变革和控制实验对象的意图传递给实验对象,使实验者的意图得到物化。
另一方面,实验手段又显示实验对象的特性,而把实验对象在经受变革与控制后呈现的状态传递给实验者,使实验者能够获得关于实验对象的有关认识。
所以,实验手段是实验者和实验对象之间的中介环节。没有适当的实验手段,实验对象的某些特性就不能暴露出来,人们就不能获得对这些特性的认识。
在这个意义上,实验手段的状况,决定着科学实验所能达到的认识水平。实验手段的每一步改进,都意味着人们对实验对象的可观察量的增加,意味着科学实验水平的提高。从科学史上可以看出,新的实验手段的采用,往往会带来科学理论上的重大突破和发展。因此,有意识地改进实验手段是一项具有战略意义的措施。但是,一个时代的实验手段又是那个时代生产力水平的具体表现,为当时的生产力发展状况所制约。因此,实验手段的改进,新实验手段的装备,只有伴随着整个社会生产力水平的提高才能实现。
模型实验产生以后,人们用模型来代替原型进行实验。那么模型在科学实验的结构中是属于哪一部分?在科学实验中,模型具有双重的性质。就模型是实验者运用实验手段而对之进行实际的变革和控制的对象来说,模型是实验对象。实验者是对模型进行各种实验,从而取得关于模型的各种认识。但就模型只是原型的替代物,实验者的真正目的是要获取关于原型的认识这一点来说,实验的真正认识对象是原型,而模型则不过仍然是实验者所运用的实验手段。这是一种扩展了的手段。也许正是由于模型的这种双重性质,使它在科学实验中占有特殊重要的地位。

实验作用 编辑

简化和纯化

实验方法可以利用科学仪器和设备所造成的条件,根据研究目的,突出研究对象的主要因素,排除次要因素、偶然因素以及外界的干扰,使要认识的事物的某些属性在特定的状态下显示出来,从而能更准确地认识事物的本质和规律。如1799年英国物理学家亨利·戴维把实验仪器保持在水的冰点,排除了实验物品和周围环境的热交换,证明冰融化所需要的热来自于磨擦,否定了当时占统治地位的“热素说”。

强化或弱化

许多事物在常态下并不能充分暴露其本质,利用实验可以创造出自然界中不可能出现的环境,从而更好地认识研究对象。如1911年荷兰科学家昂尼斯把汞的温度降到O'C以下时,发现汞的电
超导体 超导体
阻突然消失,变成了所谓的超导体,并由此打开了超导研究的大门。美籍科学家吴健雄让钴-60处于超低温这一极端状态,成功地验证了弱相互作用下宇称不守恒这一假设。

自然过程

自然界中许多事物有的转瞬即逝,有的旷日持久,有的事过境迁,给人们认识某些事物带来了困难。而实验方法可以在人为的控制下,根据研究的需要来改变自然界中事物的状态。1953年美国科学家米勒进行地球大气及闪电的实验,他仿照地球雷电交加的自然条件,对放入真空管中的各种气体进行火花放电。经过八天的反复作用,最后得到了五种构成蛋白质的重要氨基酸,而这个过程在自然状态下要经过上亿年。

实验原则 编辑

掌握理论

应熟练掌握与实验课题有关的理论和经验。
实验方法是在人为的控制下对研究对象进行研究的一个过程,所以要精心设计实验方案。在设计实验方案和进行具体实验的过程中,离不开理论的指导和前人经验的积累。实验者只有具备必要的理论知识和实验技能,才能对实验中出现的新事物有敏锐的观察力,当事物表现超出原来的理论框架时,能够及时加以捕捉,并发现其本质。

提出假设

应事先提出假说或需要检验的观点、理论等。
肽链 肽链
实验在科学研究中主要有两种目的:一是探索和发现新现象或新规律;二是检验已有知识或理论的正确性。
1902年到1907年,德国化学家费舍尔对蛋白质的化学结论进行深入研究,提出了蛋白质的肽键理论,然后在实验中合成了18个氨基酸的多肽长链,从而验证了其反映蛋白质结构理论的正确性。

精心设计

应精心设计,严密组织。
俗话说,“知己知彼才能百战不殆”。对所要做的实验,必须精心设计,严密组织,做到心中有数,这样才能使成功率更大。根据一定的理论,结合具体的研究对象,可以采取不同的研究方式。如泰勒通过精心设计和严密组织,利用搬运铁块实验、铁砂和煤炭的挖掘实验、金属切削实验等,提出了科学管理的方法。

做好准备

应选择好实验环境,准备好实验工具。
实验环境对于实验的成功与否有很大关系,如在对天体进行观察时,要选择天气很
丁粒子 丁粒子
好的时候,才能取得理想的效果。
俗话说“磨刀不误砍柴工”,实验工具是实验取得成效很关键的一个方面。它的状况决定着实验能达到的认识水平。如没有高分辨率的光谱食品,就无法认识原子光谱精细结构丁肇中正是由于不断把实验的精度提高,最终发现了丁粒子

保持状态

应保持受实验者的常规状态。
不论研究对象是自然界中的事物,还是人类自己,为了保持实验结果的客观性,要尽量保持受验者的常规状态。只有在常态下,事物或人所表现出来的才是其真实的情况。在保持正常状态下,通过改善工作条件和环境等因素,梅奥通过照明实验、福利实验、电话线圈装配实验、访谈实验等提出了以人为本的管理思想。

控制因素

应能有效地控制影响实验的各种因素。
在实验过程中,要根据研究目的来尽量控制实验中的各种因素。要突出
伽利略落体实验 伽利略落体实验
主要因素,排除次要因素、偶然因素以及外界的干扰,从而能更准确地认识事物的本质规律。伽利略的落体实验、斜面实验和单摆实验都是在突出主要因素、排除次要因素的条件下获得成功的。

仔细观察

应仔细观察,尽可能得到精确的数据。
在科技史上,当某些重大发现公布之后,经常使一些科学家后悔莫及,因为他们也曾见到过类似现象,但由于未加注意而失去了发现的大好良机。法国的约里奥·居里在用。粒子轰击铍时打出了中子,但他没有留心而误认为是Y粒子,让它溜走了。后来,查德威克证明了不是γ射线而是中子,获得了诺贝尔物理学奖。可见,在科学实验过程中只有仔细观察,才能得到理想的结果。

反复实验

应从小到大、反复多次进行实验。
一般说来,在做深入的大规模的实验前,先要做一些探索性的试实验,先简单
引力波 引力波
后复杂,这样可以为以后的实验工作积累相关的信息和思路。实验要注意其可重复性。只有多次重复,才能表明其成果是可以让大家认可的。1959年美国物理学家韦伯曾宣布,他的实验装置已直接收到了从银河系一天体发出的引力辐射,直接验证了爱因斯坦关于引力波的预言。但是,它的实验在世界上十几个实验室都未能重复,因而也就没有被科学界承认。

核对结论

应仔细核对实验后所得出的结论。
实验结束后,要对实验中获得的数据作进一步的加工、整理,从中提取出科学事实或某种规律性的理论。在分析过程中,要利用统计分析的方法,借助于计算机等手段来从数据之间的因果关系、起源关系、功能关系、结构关系等多角度、多层次地进行处理。
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参考资料
  • 1. 《科学逻辑导论》
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