自然科学基础论文

第一篇：自然科学基础论文

科学的三重基础及其分析

[摘要] 本文围绕科学的基础问题，考察了近代以来经验论科学观的变迁和瓦解过程，由此提出了“科学的三重基础”，即经验事实的支撑只是科学的必要条件而非充分条件，科学的基础不是单一的而是多元的，就主要方面而言，科学知识体系的建立必须有经验基础、理念基础、逻辑基础的共同支撑，进而阐述了这“三重基础”在科学建构过程中所起的不同作用及其互动关联，讨论了科学发现或科学进化的机制问题。

[关键词] 科学的基础;经验基础;理念基础;逻辑基础

一、科学的基础问题与传统的经验论科学观

所谓科学的基础问题，也就是我们通常称之为“科学”的知识体系，究竟是建立在一些什么样的基础之上。这个问题由来已久，它不但关乎科学本身的建构及其可靠性，同时也关乎人们对于科学的审察和评判。在后一种意义上，它甚至构成了科学批评的某种非常重要的标准。显然，人们不会认可或接受一门缺乏合理基础的“科学”，尽管它可能具有许多接近或者貌似科学的特征，但这个关于科学之基础的合理性标准，却是往往有着不同的解释和运用的，因为在科学究竟具有什么样的基础这个问题上，古往今来从未真正达成过一致的意见，所谓的一致也只是某种主张可能相对来说较为通行一些。

科学的基础问题虽然有别于科学与非科学的“分界”问题，但两者实际上是密切相关的。大家都还记得休谟的那句“名言”吧，“如果我们手里拿起一本书，例如，关于神学或经院哲学方面的著作，让我们问一下，它包含任何涉及数或量的抽象推理吗?没有，它包含任何涉及事实或存在的经验推理吗?没有，那就将它付之一炬吧，因为它所包含的只不过是些诡辩和幻想。”当然，休谟似乎没有注意到，所谓“涉及事实或存在的经验推理”的说法，其含义是极为宽泛而且模糊的，就像某些批评者曾经指出过的那样，在17世纪关于巫术的浩瀚文献中，充斥着各种各样的涉及事实的经验观察或实验报告，当时英国皇家协会的驻会哲学家J·格兰维尔(Glanvill)甚至还把巫术看作是经验推理的典范!不过，休谟所提供的这个关于科学与非科学(诡辩和幻想)的分界标准，仍然为后来的许多思想家特别是逻辑实证主义者所继承和强化，而潜藏在其背后的，则是一种自培根以来即开始形成而后被逐渐推向极端的关于科学之基础的经验论主张。

按照这一主张，除了基于所谓“抽象推理”的数学、逻辑学等知识外，科学在本质上是经验科学，它必须而且只能建立在由观察或实验所获得的经验事实的基础之上。有趣的是，这种关于科学之基础的彻底的经验论主张，其本身却是缺乏可靠的经验论证据的，它与其说是一种以科学发展实际状况为依据的概括或总结，倒不如说是一种基于“经验主义崇拜”的臆断。科学需要有相应的事实基础，科学思考的必要条件之一是理论必须得到事实的支持，但事实究竟能在多大程度上为科学知识体系的建构提供有效支撑呢?这个科学理论与经验事实之间的关联问题，一直是人们经常讨论或争论的话题，虽说迄今还没有今后恐怕也不可能会有最终的结论，但以往的思考毕竟为我们提供了某些有益的借鉴或启发。

正如人们所了解的那样，近代科学自肇始之初即有着明显的经验论特征，但仅就强调经验观察、实验以及所谓“经验推理”这一点而言，那些伪科学的东西例如巫术、灵术之类，似乎并不比科学差多少。也许，科学之所以成为科学，经验事实的支撑只是某种必要条件而非充分条件。经验主义科学方法论的基本特点是，确信由描述观察或实验事实的经验命题导出科学原理或理论定律的可能性，推崇由个别上升到一般或由特殊上升到普遍的“经验一归纳”程序。当年牛顿曾以“不做假说”为自豪，声称自己只发表由事实所得出的理论，虽说如后人所评论的那样，他所谓从开普勒提供的“现象”推出了自己的科学定律其实是大谬不然的，但牛顿在科学上所取得的巨大成就及其影响力，不但非常有效地掩盖了他自己在科学观上所存在的缺陷，同时也牢固地确立了经验主义在科学领域中的权威。这种权威是那样的顽强，以至于连康德也奈何不了它：康德对于经验论的挑战，无疑是哲学领域中的一颗重磅炸弹，但在科学领域中却如同凉水浇在了鸭背上，未能产生实质性的影响。直到19世纪后半叶，近代科学仍未真正走出所谓“牛顿时代”，无论科学、科学观还是科学方法论，总体上都是以经验论为基础的。

在谈到逻辑实证主义在20世纪的兴起及其广泛传播时，科学哲学家A·F·查尔默斯觉得，其中有两点颇为“令人困惑”。一是逻辑实证主义强调任何真正有意义的科学命题都是观察命题的真值函项，都可以而且应该由描述观察事实的命题推导而来并为后者所证实，可包括量子力学和相对论在内，当时科学领域中所取得的许多重大进展，恰恰是与这种极端形态的经验论主张不相协调的。二是当A·J·艾耶尔以《语言、真理和逻辑》一书，使逻辑实证主义风靡英国哲学界并使自己一举成名时，他所宣扬的这一学说早已遭到K·波普尔等人的“决定性的驳斥”，可这些批评却几乎完全被人们所忽视，只是到后来才受到应有的重视。不过，换个角度来看，这两点其实是不难理解的。前一点涉及科学发展与科学观演变之间的“非同步性”问题，虽说当时科学领域中的许多重大发现，已经意味着对传统经验主义科学观的颠覆，但科学观的变迁往往有“滞后”于科学发展的情形，因而即使是在产生了量子力学和相对论的时代，人们继续坚守和推崇传统的经验论科学观也没有什么奇怪的。至于后一点，情况可能稍微复杂些。一方面，英国哲学界在通过艾耶尔分享逻辑实证主义这道“思想大餐”时，几乎没有多少人知道这一学说已经遭到波普尔的批评，他的那部《研究的逻辑》甚至是在过了20多年之后才被英译为《科学发现的逻辑》出版;另一方面，或许正如波普尔自己所说的那样，他当时的研究成果是“以批判维特根斯坦的意义标准的形式”发表的，虽然与逻辑实证主义者之间曾有交流，但他们似乎并不理解他所提出的问题及其重要性，例如在维也纳学派看来，他的批评的主要贡献，仅仅只是提出了一种用可证伪性意义标准代替可证实性意义标准的“建议”，这让他感到颇为不满同时也感到有些无奈。由此引出的一个问题是：波普尔对逻辑实证主义的批评究竟在何种意义上是具有决定性的?或者结合本文话题说得更具体一点，他在科学观上是否真正摆脱和终结了近代以来的经验论传统?

的确，波普尔曾一再强调他所关注的是分界问题而不是意义问题，甚至认为意义问题只是个假问题，但他的这种区分更多的只是依凭于某些逻辑上的理由，在科学发现以及科学批评的实践中，所谓分界问题往往是与意义问题紧密关联的，虽说一个有意义的命题未必是个科学命题，但至少一个科学命题必须是个有意义的命题，由此看

来，也难怪他当初会被某些逻辑实证主义者所误解。波普尔也曾一再借重于康德和爱因斯坦等哲学或科学巨匠，其科学哲学思想被称为“批判理性主义”，但其证伪主义方法论的落脚点，从某种意义上说仍然是经验论的。这不只是因为他像逻辑实证主义一样，确信并坚持科学的“可检验性”，更主要的还在于，他所强调的“可证伪性”标准，与逻辑实证主义所主张的“可证实性”标准一样，都是以可观察到的经验事实作为最终依据的。虽说一个侧重于反驳、证伪，另一个侧重于辩护、证实，或者说，“证伪主义”与“证实主义”，在方法论程序上确乎不大一样，但有一点却是相同的，即科学的“可检验性”——无论是“可证实性”还是“可证伪性”，最后都是落脚在经验事实或所谓观察命题的检验，而要从逻辑上保障这类检验的有效性，就必须预先承诺科学的经验基础是充分而且可靠的。从这点上说，证伪主义虽然终结了逻辑实证主义所持的那种极端形态的经验论，但它并没有真正摆脱或跳出一般经验论的窠臼。不过，波普尔所倡导的科学发现的“猜想一反驳”方法论，以及他所推崇的科学思考的“假说一演绎”程序，倒是有力地动摇了经验论科学观的权威。波普尔之后，随着科学哲学的发展，当人们发现科学理论既不能依靠经验事实来证实或辩护，也不能依靠经验事实予以证伪或反驳——例如科学理论的核心部分(或称“硬核”)不具有“可证伪性”——时，科学领域中的经验论传统及其权威也就彻底瓦解了。这不仅削弱了人们对科学的经验基础及其可靠性的信任，同时也迫使人们从一个更为广阔的视野来重新思考科学的基础问题。

二、科学的经验基础、理念基础及逻辑基础

科学的基础问题也许比科学本身还要复杂。自爱因斯坦因相对论的巨大成就被推崇为科学思想的权威以来，他所持的科学不能仅仅建立在经验基础之上的观点，已逐渐成为人们的共识，但关于“科学究竟建立在什么样的基础之上”的问题，却很少有进一步的比较系统的探讨和阐述。如果有人拿这个问题去请教科学哲学家，或者去专门的科学哲学著作或教科书里寻找答案，那么他所得到的可能多半只是迷茫和失望，因为即使是那些当代著名的科学哲学家，也不见得有谁已经把这个问题真正阐述清楚了。答案似乎已经有了，又似乎还没有，从那些涉及这个问题的多少有些不着边际的讨论或议论中，往往是很难得到直接而明确的结论或答案的。也许，科学哲学家们拒绝从正面回答这个问题，或者有意无意地回避这个问题，是有他们的考虑和理由的。不过，答案的妥当与否是另外一回事，回答本身还是应该尽可能直截了当一些的，否则人家不明白你想说什么，也就丧失了讨论问题的意义。在此笔者认为：科学的基础并不是单一的而是多元的，就主要的方面而言，科学大厦的建立需要有经验的基础、理念的基础、逻辑的基础。

无论在什么样的情况之下，科学的经验基础都是必不可少的。科学是建立在经验的基础之上的，离开了经验的亦即事实的或实证的基础，科学也就不成其为科学了，它与各种胡猜乱想之间也就没有了实质性的区别。但科学又不能仅仅建立在经验的基础之上，即单有经验的基础是远远不够的，科学的建立还必须有理念的亦即概念的或观念的基础。“科学不能仅仅从经验的基础上成长起来，在建立科学时，我们免不了要自由地创造概念。”所谓“自由地创造概念”，意即有这样一些概念或命题，它们作为科学据以建立的基础性理论设定(假说或公理)，既不是由经验命题归纳而来——在经验命题与理论设定之间不存在有效的逻辑通道，也不是由其他理论命题演绎而来——否则便不具有初始概念或命题的意义，而是科学家头脑或科学智慧的一种富有个性的能动创造，因而又称“思维的自由创造”或“理智的自由发明”。也许就因为这个缘故，爱因斯坦在谈到科学发现或科学理论创新时，尤为推崇“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”。按照G·摩尔的分析，说一个概念或命题是“直觉的”，大抵包含两层意思：其一，它在逻辑上是“自由的”，即“它不是除它之外的任何其他命题之推论”，所以不必受任何逻辑推理规则的限制或约束;其二，它在观念上是“自明的”，即它“仅仅凭它本身就是昭然若揭的或真实的”，因而无需依靠任何经验观察或理论推演方面的论证。这类概念或命题往往具有双重性质，就其尚有待于进一步检验(证实或证伪)而言，它们还只是科学家们所提出的一些未经证明的“假说” (或“猜想”)，而就其作为科学理论之演绎结构的逻辑起点而言，它们又是科学家们所引入的一些无需证明的理论设定或“公理”。当原有的科学理论已经不能解释新的观察事实，或者当原有理论内部存在着无法排除的矛盾或缺陷，科学家们面临着理论创新的任务时，他们往往不是基于理性的思考、推演和论证，而是基于超理性的直觉、灵感和信念等等，提出并引入一些新的概念或命题，作为建构新的科学理论的理念基础和逻辑起点。

不用说，科学本身是理性思维的典范，但科学据以建立的理念基础，即那些作为基础理论设定的概念或命题，却往往是由超理性的思维过程所创造或提供的。这样说并没有贬低理性的地位，而只是表明了理性的限度。当然，这里所涉及的只是“科学理性”或思维领域的理性，大体相当于通常所称理性思维的“理性”，不包括那个处于思维领域之外的歧义丛生的所谓“自然理性”。科学理性的限度，实际上是不言而喻的。虽然科学与艺术有着这样或那样的区别，但科学创新与艺术创造在本质上是相通的。就它们作为思维创造性活动而言，直觉或灵感都是至关重要的，没有科学家个人的直觉或灵感，就不会有科学领域的实质性的概念或理论创新。科学家也像艺术家一样，支撑其直觉或灵感的，往往是信念和想像力而不是理性和逻辑。正像科学史所表明的那样，虽然科学进化的总体趋势和一般前景是可以预料的，例如在所谓“物理学危机”时期，人们有足够的理由相信，物理学领域中正在孕育着某些新的理论发现或创新，但究竟会出现什么样的科学发现或理论创新，却往往是无法具体预测的，至少，恐怕没有哪个科学家曾经预见到会冒出个相对论物理学来。在通向科学发现或理论创新的道路上，科学家们会提出或引入一些什么样的概念或命题，往往取决于他们个人的甚至是因人而异的直觉、灵感、信念等等，而后者虽属于人类理智或人类智慧的范畴，但却不是逻辑的和理性的。科学发现过程中这种超逻辑、超理性的机制，不但意味着不能单纯以“科学的眼光”去看待和理解科学，同时也从根本上排除了所谓“科学发现的逻辑”。

从这个意义上说，科学既不是一棵从经验土壤中生长出来的“树”，也不是一只由理念自身所结成的“茧”，倒不如说，科学更像是一张把理念世界与经验世界连接起来的“网”，而所谓以“科学的方式”把握世界，也就是借助于这张凝聚着人类智慧的科学之“网”，去捕捉并揭示对象世界的秘密。对于科学之“网”的建构来

说，既需要有基于经验观察的事实的或实证的支撑，又需要有基于思维创造的概念的或理念的支撑，这两者都是不可或缺的。从科学认识论的角度看，观念与实在之间的关系并不是单向的：一方面是“实在一观念”即从经验观察到思维创造，另一方面是“观念一实在”即从思维创造到经验观察，它们构成了科学内部的双向互动。不仅如此，如果我们不再把科学仅仅理解为观念对于实在的“反映”，而是把科学理解为一个思维能动地创造观念(概念或理论)以描述和解释实在的过程，那么，在科学的建构中，我们就面临着一个如何贯通理念世界与经验世界的问题，而这意味着除了理念基础和经验基础之外，逻辑的基础对于科学的建构也是至关重要的。无论多么深奥、多么复杂的科学，都是由一系列概念或命题所构成的知识体系，但科学并不是概念或命题的无序堆积，在构成科学知识体系的概念或命题之间，必须有某种内在的而且通常是多层次的逻辑关联。光有许许多多概念或命题，无论它们是经验性的还是理念性的，若彼此之间没有层次性的内在逻辑关联，即使把它们堆积或罗列到一起，也终究称不上科学，可见科学知识体系的建立需要有逻辑基础的支撑。

很自然的，说到“逻辑”(10gic)就难免联系到其希腊语词源“逻各斯”(10gos)。这“log—os”最初是指捆扎在一起的柴火，转而指将若干单个词汇以某种语法捆扎(聚集)在一起，亦即通过一组言词来表达一番道理，因人们用言词表达道理靠的是理性而且必须遵循一定的规则，故“logos”又进一步引申为“理性”、“尺度”、“规则”等等。②虽说“logos”有多种词义，但一般认为，其中最为主要的，是“ratio”(推理、理性)和“oratio”(言语、言词)两种含义。从词源学的角度看， “logic” (逻辑)源自“logos”(逻各斯)，“reason”(理性)源自“ratio”(推理、理性)，而“ratio” (推理、理性)又是“logos”(逻各斯)的主要含义之一，“逻辑”与“理性”之间的近义关系，可以说是不言而喻的。所谓科学的逻辑基础，实际上也就是它的理性基础。合乎逻辑的即是合乎理性的，反过来说也一样，合乎理性的即是合乎逻辑的，这是科学思维的最基本的特征。不仅如此，因“logos”本身兼有“学问、科学”的意思，由其变形而来的“logia”(英文“logy”)，还被直接作为后缀以表示某某“学”(学科或科学)并一直沿用至今，如“地质学”(geology)、“生物学”(biology)、“动物学”(zoology)、“生态学”(ecology)、“生理学”(physiology)、“心理学”(psychology)、“民族学”(ethnology)、“人类学”(anthropologr)、“社会学”(sociology)等等。当然，目前最常用的“science”(科学)一词源自拉丁文“sci—entia”，后者为西塞罗在翻译希腊文“episteme”时所使用，它们都与“logos”没有任何直接的词源学上的联系，但值得注意的是，尽管与“logi—a”通常用来特指“学问、学科、科学”有所不同，“episteme”主要用来一般地泛指“知识、学问、科学”等，可这个“episteme”所指称的“知识、学问、科学”，也是以“logos”本身(言词、理性、推理、论证等)以及对“logos”的推崇(诉诸于言词、理性、推理、论证等)作为其形成的机制、依据和实质的。正因为在“科学”、“理性”、“逻辑”三者之间，存在着这种深刻的内在联系，笔者倾向于把逻辑的亦即理性的基础，看作是科学建构的最重要的方法论基础。

三、科学建构的三重基础与科学的进化机制

经验观察为科学提供事实的或实证的支撑，其特点是从感性的经验知觉过渡到经验理性，即形成描述经验规律的概念或命题，而思维创造则为科学提供概念的或理念的支撑，其特点是从超理性的理智直觉过渡到理论理性，即形成解释非经验规律的概念或命题，它们分别在两个不同的方向上，从外部为科学建构提供了重要的基础和出发点，但没有这两个不同方向或出发点之间的联结和贯通，就不会有真正意义上的科学。一方面，科学无疑是包含着经验命题的，但由经验观察所获得的概念或命题还称不上科学，就像日常经验知识还称不上科学一样。人类认识世界的历史远比科学的历史悠久得多，且不说初级的感性知识，即使是那些达到了经验理性层面的知识(概念或命题)，实际上也还只是“前科学”的;除了时间上处于科学产生之前的经验知识外，所谓“前科学”还包括另一层意思，即逻辑上处于科学体系之外或尚未纳入科学体系的经验知识。另一方面，科学必须依凭于相应的思维创造或理论设定，但仅就概念或命题的思维创造而言，甚至连宗教神学也丝毫不比科学逊色，由思维所创造的概念或命题并不等于科学，就像关于“神”的概念或命题不等于科学一样;而神学之所以不是科学，一个很重要的原因就在于，它所包含的那些纯粹虚构的基本概念或命题，是无法向经验世界贯通并为经验观察所检验的(在形而上学中也有类似情况)。科学既不能停留在具体的经验命题上，也不能停留在抽象的理论设定上。对于科学知识体系的建构来说，最重要的是借助于逻辑的亦即理性的“纽带”，在基于经验观察的经验理性(经验命题)与基于思维创造的理论理性(理论设定)之间，形成多层阶的双向互动的联结和贯通。

当然，无论是从基于经验观察的具体经验知识“上升”到抽象的理论设定，还是从基于思维创造的抽象理论设定“下降”到具体的经验知识，都不是单靠逻辑的即理性的程序可以走通的。这一点，许多科学家或科学哲学家(如爱因斯坦、波普尔、库恩等)都曾经强调过。例如，按照爱因斯坦的说法，逻辑的或理性的作用，似乎主要是在科学理论的内部，即在从基础性理论设定(公理系统)导出具体科学推论(导出命题)的过程中，而在经验命题(直接经验知识)与理论设定(公理系统)之间，以及在科学推论(导出命题)与经验命题(直接经验知识)之间，都是没有逻辑的通道的，或者说，不但从经验知识进到理论设定(假说或公理)的道路是“超逻辑或非逻辑的”，而且科学推论(导出命题)与经验知识之间的联系“实际上也是超逻辑的(直觉的)”。不过，爱因斯坦所谓“超逻辑的”，主要是指“没有必然的逻辑的联系”，意即不存在由此及彼的归纳或演绎推理所要求的那种逻辑上的蕴含关系，而这并不意味着排除更广泛意义上的其他逻辑联系。实际上，蕴含关系相当于狭义的逻辑联系，广义的逻辑联系并不只限于蕴含关系。在经验知识与公理系统之间，以及在导出命题与经验知识之间，虽然不存在逻辑上的蕴含关系，无法凭借归纳或演绎进行由此及彼的推理，但在这两个联结和贯通理论理性与经验理性的环节上，仍然存在着为同一律、矛盾律、排中律所要求的

其他重要逻辑联系。正是这种逻辑的即理性的联系，调整并规范着经验知识与公理系统、导出命题与经验知识之间的关系，使它们在科学思考中形成并保持某种无矛盾性或整合性。虽说逻辑的亦即理性的“纽带”不是万能的，科学不能总是指望从一类命题“导出”另一类命题，但在不同层次或不同类型的命题之间，必须尽可能保持逻辑上的无矛盾性或整合性，这是科学思考及科学知识体系建构的基本要求。

关于科学之三重基础的分析，或许有助于我们更好地了解科学发现及科学进化过程。不用说，即使像牛顿力学、爱因斯坦相对论这类在当时看来几臻完备的科学理论，也不过是物理学进化过程的阶段陛成果。科学本身是一个不断进化的永无止境的过程。在这个过程中，经验知识和理论设定的支撑，无疑是具有实质性内容的，而逻辑的理性的支撑，则相当于科学思考的程序或形式规则。如果我们把科学看作是一场沿着两条道路作相向运动的智力游戏的话，那么，由于从经验观察一经验知识出发进到思维创造一理论设定的道路，与从思维创造一理论设定出发进到经验观察一经验知识的道路，实际上是彼此闭合并循环的，因此，在这场被称为“科学”的智力游戏中，谈论科学发现或理论创新，究竟是基于经验观察(经验知识)还是基于思维创造(理论设定)，充其量也只有局部的片面的意义。科学发现或理论创新的过程，既不是经验论的也不是唯理论的。J·斯帕克斯曾提议引入“反馈”概念，以排除关于科学发现的经验论与唯理论、“经验一归纳”解释与“假说一演绎”解释之争，这个设想是颇有启发的。

在沿着两条道路作相向运动所形成的环状结构中，经验观察与思维创造、经验知识与理论设定(假说或公理)之间，存在着一种双向互动的“反馈”关系。一方面是经验观察影响并决定着思维创造，与神学家或思辨哲学家不同，科学家的思维创造活动，并不是完全超经验的或纯粹思辨的，任何新的科学假说、概念或公理的提出和引入——这是科学发现或理论创新的基本特征——都只是为了更合理地解释已有的或可能有的经验观察及其结果;另一方面是思维创造影响并决定着经验观察，与日常生活或感性知觉层面的经验观察不同，科学领域中的经验观察活动，并不是完全非理论化的或纯粹经验的，任何新的科学观察活动及其结果，包括观察对象的选择、观察实验的设计、观察事实的发现和认定等等，都在不同程度上受到由基础理论设定(假说或公理)及其导出命题(科学推论)所构成的已有科学理论的规范和制约。这两方面的交互作用，不但构成了一个由经验观察到思维创造、由思维创造到经验观察的反馈循环，而且通过这种双向互动的反馈循环机制，使经验观察与思维创造、经验知识与理论设定(假说或公理)被不断提升或更新，在科学进化过程中保持某种总体上的相对均衡状态。

由此也就不难理解，为什么在科学进化过程中，总是存在着科学领域之间的不平衡性。这种不平衡现象或许可称之为“科学发展之惯性定律”，即愈是发展较快的科学领域发展得愈快，愈是发展较慢的科学领域发展得愈慢。科学在总体上所呈现的是一种“长腿短腿”的格局和形象：在科学的某些领域，我们已经取得的成就甚至连我们自己都没有想到，而在科学的另一些领域，我们迄今还仍然处在知之不多甚或未知的阶段。何以如此呢?原因可能是多方面的，但笔者以为，其中最主要的就在于，科学的进化过程是通过基于特定学科视野的经验观察与理论创新之间的反馈循环机制而实现的，而这种特定的学科视野不但设定了科学进化的学科方向，同时也给出了科学发现或创新的可能范围。当然，科学史上也有比较特殊的情形，某些几乎纯属偶然的重大发现或创新，会使某一原本冷冷清清、久无建树的学科领域忽然活跃起来并相继取得诸多进展，甚至可能开创出一个全新的学科领域，但就一般情形而言，科学的发展或进化仍然遵循某种“惯性定律”，科学发现或理论创新受特定学科视野的引导和制约，还是非常明显的。自近代以来，物理学无疑是自然科学领域的“领头羊”，当人们以为关于物理现象的科学解释已经大功告成、已经不大可能再有多少实质性的进展时，物理学由于其自身在实验观察及理论创新方面的“惯性”，仍然出乎意料地取得了一系列巨大成就。相比较而言，其他一些学科领域就没这么“幸运”了，它们往往只能通过借鉴和引入物理学所倡导的方法、概念或理论来谋求自身的发展。在社会科学领域中也有类似情形。社会科学领域的“领头羊”是经济学，其他如政治学、法学、社会学、管理学等学科，几乎都处在所谓“经济学帝国主义”的阴影之下，这些学科在分析人类行为及人类社会生活时，也往往借重于一些由经济学所倡导的方法、概念或理论，以至于给人一种多少有点不伦不类的感觉。由于这种不平衡现象根源于科学进化机制本身，我们很难指望以后会有多少实质性的改变，或许，科学的进化也像其他事物的进化一样，从来就不是也不可能是全面的，某些方面的进化总是伴随着另一些方面的相对退化，因而无论科学还是科学家，都没有理由过分自信甚或自负。

另外需补充说明的是，虽说经验的基础、理念的基础、逻辑的基础，对于科学来说都是缺一不可的，但在科学的不同领域或学科类型中，它们所起的作用或所扮演的角色是不一样的。例如，在通常被称为“经验科学”的那些学科中，基于经验观察的事实的或实证的支撑显得特别重要，而对于像数学及所谓“理论科学”来说，往往更为倚重基于思维创造的概念的或理念的支撑;甚至在逻辑基础的支撑方面，这两类学科也各有其自身的特点，与“经验科学”一般比较强调“经验一归纳”程序不同，数学及“理论科学”则更为推崇“假说一演绎”程序。不过，诸如此类的差异所涉及的，只是经验基础、理念基础、逻辑基础在不同学科领域的相对重要性，而科学之所以为科学，就在于它有经验的、理念的、逻辑的三重基础的共同支撑，而这也是本文关于科学“分界”问题的见解。

(责任编辑：李　刚)

(本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。)

作者：赖金良

第二篇：基础科学

实施基础研究十年规划、推动国家实验室体系有效运行、实施科技支撑碳达峰碳中和行动、实施科技体制改革三年攻坚方案、高水平建设国际科技创新中心和区域科技创新中心……1月6日召开的2022年全国科技工作会议透露，今年，我国科技领域将启动实施多项重大规划和行动方案，从科技规划、基础研究、战略科技力量等10个方面发力，发挥科技对国家发展和安全的战略支撑作用。

随着中国载人飞船、月球探测、量子通信等科技成果的逐渐显现，很多人逐渐认识到加强基础科学研究对国家发展的重大意义。当然，对基础科学缺乏了解、认为其没什么实际用处的也大有人在。

中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平？耗时耗力研究基础科学真的值得吗？
为什么要重视基础科学

什么是基础科学？我认为基础科学应该具有三方面的特征：一是有一定的规律性，反映了自然界的基本规律;二是不能直接应用到实际中，但是它是解决实际问题的基本原理，比如牛顿力学并不能教你怎么盖房子，这是土木工程需要解决的问题，但是牛顿力学是土木工程的基础;三是基础科学内部还有层次性，比如很多领域里虽然有独有的基础研究，但是都离不开数学，所以数学在基础研究里更为基础。

很多人经常问“基础科学看起来离我们生活非常远，好像没什么实际用处”，这种想法有些急功近利。我们无法说出某个方程、某个定律有什么具体的用途，但是整个科学体系是自洽的，基础研究就像盖房子所需的一块块砖头，虽然你不知道某一块砖有什么用，但如果把这块砖抽掉，房子就会坍塌。
王貽芳

包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界，如果我们不了解自然，就没有办法发展和利用它。换句话说，基础研究是社会发展的最根本动力。当然，这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西，包括科研水平的提高，即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。

中国古代虽有四大发明，也有 “勾股定理”等发现，但我们只停在了“发现”阶段，并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学。而早在古希腊时期，西方就出现了几何学、逻辑学等科学，然后通过逻辑推理发展出一整套科学体系。

鸦片战争失败后，中国打开大门向西方学习，引进了大量西方技术，购买枪炮，但北洋舰队还是在甲午战争中失败了，为什么？

如果没有掌握科学规律，人们就不能举一反三，只能单纯就事论事，那么就永远摆脱不了落后的命运。当时我们只认为学习西方的技术才是有用的，而没有把西方的科学体系引进到中国来。相比之下，日本在明治维新时期不仅买枪、买炮，同时还引进了西方的科学，比中国早几十年建立起了完整的科学体系，以至于中国很多科学名词都是从日本传来的。

所以从根本上来说，科学应该是主干，技术是主干上发展出来的枝叶，没有科学只去做技术，最终可能什么也得不到。
基础科学与国家的崛起

回看世界历史，欧美国家的崛起也无不与其基础科学水平的提高有关。

没有热力学、牛顿力学以及麦克斯韦的电磁学等科学作为基础，两次工业革命根本无从谈起。只知道烧煤的人是没法做出蒸汽机的，必须要有热力学理论的支撑。不把电磁学搞清楚，也不可能有电的应用，如果你去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用，他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关，包括电和电器都是他奠定的基础。

拿高能物理领域来说，在研究过程中产生过很多意想不到的新技术。比如上一代美国最大的加速器“Tevatron”，给我们带来了超导磁铁技术的突破与普及，现在，医院临床所用核磁共振设备中就采用了超导磁铁。

还有伴随我们生活的万维网，很少有人知道，它是谁发明的，实际上万维网也是在高能物理研究过程中产生的。

1989年，欧洲的物理学家建设了大型强子对撞机来寻找希格斯粒子，而科学家之间需要相互交流大量的数据和程序，这成为了一个重大的问题。过去，交流依靠的是美国军方发明的E-mail（电子邮件），显然它已经不能满足科学家频繁交流的需求了，于是，欧洲核子研究中心的计算机科学家Tim Berners-Lee开发出了世界上第一个网页浏览器，架设了第一个网页服务器，推动了万维网的产生，促进了互联网应用的迅速发展。
 

不仅如此，基础科学还给西方带来了科学的方法论。科学的方法论有两个：一是逻辑推理，二是归纳。古希腊以来，人们总结出一整套推理的方法，而弗朗西斯·培根之后又有了实证科学，西方的科学体系就是建立在归纳推理以及实证等根本支柱上。

目前，在我国社会缺乏科学的方法论，所以经常会出现一些违背科学的言论与事件。比如很多人相信各种“大师”们的言论，却没有用科学的思维问一下是不是真的合理、有没有证据支持。如果能通过发展基础科学，让更多人掌握科学的方法论，整个社会将更进一步。

除此之外，还有很重要的一点是，基础科学研究是文明的一部分。

国家经济发展起来并有一定的基础后，就会发展艺术、音乐、文学以及科学，人们这时就会仰望天空，探索世界是怎么回事、宇宙的根本构成，我们为什么来、将来到什么地方去？这些探索让我们永远有动力追求未知。

中国处于什么水平

基础科学研究的重要性就体现在它对整个科学领域的影响，一个国家有影响力的基础研究成果越多，这个国家的基础科学水平就越高。

如何判断基础研究的成果有没有影响力？看看我们的教科书就会明白。

无论学的是数学、物理还是化学，无论是在中学、大学还是研究生阶段，教科书里都会写到一些用科学家名字命名的基础研究成果，这些就是最经典的基础研究，它们会永远流传下去，比如，现代物理学绕不开爱因斯坦的相对论，不可能不用量子力学。

当然，还有一些研究成果是被论文引用较多的，虽然也有较强的影响力，但跟写进教科书相比还是差点。到目前为止，我国已有的这些重大科学成果能够写进教科书的几乎没有。
 

前面也提到，中国古代没有建立起基础科学的体系，所以中国的基础科学基本就是从“零”开始，经过多年努力，中国的科技水平如今已经在世界高科技领域占有一席之地了。但因为起步较晚，中国基础科学研究跟欧美的发达国家还存在一定差距，教科书中也很少有用中国人名字命名的公式、定理等。

近几年有媒体报道说，在国际上，中国的科技论文被引用数排到了第二。这是科技进步的反映，毕竟30多年前中国在国际上有一定影响力的基础科学研究很少，现在能被国际同行认可并引用，算是跨越了一个很大台阶。

我们国家善于集中力量办大事，所以我们能够看到某个领域突然冒头，但总体看来依旧是薄弱的。像高能物理领域，其中北京正负电子对撞机，大亚湾中微子实验、江门中微子实验这些成绩，无论是科学还是技术，使得我们基本上站在国际的平均水平。

但我们还要清醒地认识到，中国基础科学研究还有很长的路要走，我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位，但若要说整个高能物理，从规模和人员上，我们跟国际上还有相当差距。我们国家必须产生更多的重大成果，而不仅仅是一般成果，这才是质的转变！而质的转变不可能一蹴而就，必然要经历这样一个路径：从几乎为“零”开始到出现大批一般成果，然后才是重大成果。

怎样实现从“零”到有的转变呢？

首先要摆正心态，不能急功近利，更不能揠苗助长。

基础科学具有规律性，需要经过几代、十几代甚至几十代人的共同努力，我们要遵循其发展规律。

很多搞基础科学研究的科学家，随着年龄增长可能很难再出新成果，这就需要下一代人才的继续接力。值得开心的是，现在中国做基础科学研究的人才队伍更加壮大，国际交流更加密切，与老一辈科学家相比，年轻一代科学家在国际上的影响力有了很大提升。

其次就是人才，基础科学的发展离不开人才。

人才怎么来呢？先从教育开始。一所好大学一定有非常强的基础科学实力，无论清华、北大等国内名校，还是国外名校，都是如此。很多大学实力不强，说到底还是基础研究能力不足。

很多大学老师只会教学生基本的知识，但有了知识并不代表就有创新能力，创新需要有方法并在实践中锻炼，大学老师不但要教给学生知识，更重要的是教授方法并给学生“练”的机会，知识会过时，但方法永远不会！

对于基础科学，最需要的就是培养学生“从无到有”的方法论，要让他们学会做前人未做过的事，这跟培养工程师的思路是不一样的。基础科学承担的任务基本处在“无人区”，都是需要思考别人没解决的问题。有了更多掌握“从无到有”方法论的人，我们社会的整体创新性才能提高。

除此之外，基础科学发展也离不开国家的经费投入。

在我国的研发经费里面，基础研究的经费比例偏低，只占5%左右，其中包括基础性研究和应用基础研究，和美国相比，我们国家过去30年真正用于基础科学研究的经费实在是少得可怜。现在我国一些重点研究所、重点大学的基础研究经费已经能达到国际水平，而在10多年前，这可能连发达国家的十分之一都不到，40多年前，大概只有发达国家的百分之一。

用别人百分之一的钱，还要做得比别人好，这根本不可能。所以，之前的很多年，我国的基础科学研究落后于发达国家，而现在5%的水平，只能够维持跟跑世界先进水平，但如果我国有未来引领基础科学研究的雄心，就必须加大经费投入。只有大幅度增加基础研究的投入，才能在根本上解决这个问题。到了我们成为能够产生科学知识，而不只是消费西方产生的科学知识的时候，我们的原始性创新、颠覆性创新，就会源源不断地产生出来。

我们还要清醒地认识到，中国基础科学研究还有很长的路要走，我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位，但若要说整个高能物理，从规模和人员上，我们跟国际上还有相当差距。

谈到经费投入，很多人可能会问：基础研究领域众多，对国家来说，怎么判断在哪些项目上投得多一点，哪些投得少一点？

其实最基本的原则就是要均衡支持，不能因为某个领域是冷门就不支持，某个领域是热门就死命支持，从而影响了全面发展。

对于一个国家特别是大国来说，在基础科学方面一定要均衡发展，每个领域都要得到持续的支持。经费投入的研究很复杂，一般需要政府管理部门进行非常精准的专门研究，组织各领域的专家进行研讨，参照国际做法及整个国家基础科学发展的历史来敲定。

而均衡支持要注意两个问题。

一是不要以“是否有用”来判断。

基础科学领域，一个都不能废弃。20多年前，没人会想到统计学这样一门学科会对今天的人工智能发展起到大作用，如果当时觉得没用就不发展统计学，那今天别人都在发展人工智能时，我们就傻眼了。还有很多年前，有些人认为动物学、植物学是“死掉的科學”，但现在的基因科学都跟这些学科有关。

热点过段时间后可能就过时了，盲目地集中投入研究资金也会造成过剩。
 

二是不能盲目跟风。

现在美国一大半的科研经费都用于生命科学研究，超过一半的院士都在从事生命科学研究，所以有的人觉得我们也应该大力发展生命科学，而不是发展物质科学。

这种想法存在很大问题。在基础科学研究方面，国外已经走过的路，我们是很难避开或绕过去的。虽然美国现在大部分的精力在做生命科学，但他们是从探索物质科学的路上走过来的，如果我们跳过了物质科学阶段，直接参与到生命科学的竞争中，就会带来一个很严重的结果：只能买国外的仪器设备。无论哪个学科，研究过程中都离不开各种仪器。这些仪器的基础是物质科学。而我国目前各种科学仪器主要依靠进口，反映了物质科学研究水平及人才不足的缺陷，需要大大加强。

为什么物质科学的研究会跟仪器设备有关系呢？

在美国，很多仪器设备是商业公司研制出来的。在研制仪器的过程当中需要两个条件，一个是需求，一个是人才。

这其中人才尤为重要，但仪器创新方面的人才，学校是很难培养的，必须要在科学仪器设备的研制过程中培养。而进行物质科学研究，关注自研设备包括大科学装置的建设，就是培养设备研制人才的一种最好途径。

从上世纪50年代开始，美国就开始研制大科学装置，如今六七十年过去了，在这个过程中孵化了很多仪器设备企业，比如说著名的示波器公司LeCroy（力科），其创始人LeCroy之前是一位高能物理的工程师，长期研发高能物理专用的读出电子学。他成立了自己的公司，专注于高速和复杂信号测试设备。

现在世界上最好的仪器设备都是国外企业做的，所以他们研究生命科学的条件很优越。但我们中国很多实验室的设备基本都是进口的，说明我们物质科学的基础还很薄弱。如果我们只做生命科学的研究，就要大量进口仪器设备，导致资金外流，对国内的工业发展并无助益，同时还会受制于人。

所以中国现在应该大力发展物质科学，特别要关注自研设备，包括大科学装置（注：大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施），我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置，而不是跟随美国的脚步。

大科学装置中的基础科学专用装置，比如我国的正负电子对撞机、聚变堆、专用空间科学卫星、天文望远镜等，具有确定的科学目标，应用范围广泛，投入规模大，技术先进，可以产出重大成果，对学科发展具有重大的引领和带动作用，还有一些溢出效应如重大技术的积累、突破和推广应用，国际合作与技术引进，关键技术人才的培养，企业技术水平与研发能力的提高等，因此在国家创新体系的建设中占有突出的位置。
努力发展大科学装置

基础科学的竞争也是国力的竞争，这在高能物理领域表现得尤为明显。

单就高能物理领域来说，与发达国家相比，我们总体上处于“并跑”和“跟跑”的水平，与美国、欧洲、日本等相比都有一定的差距。这一点从研究人数对比上也能看出来，我们的研究人员人数与美国相比大概只是其十分之一，跟欧洲比大概是其五分之一，跟日本比可能是其三分之一到二分之一。

美国的大科学装置总体来说是从上世纪50年代开始建设，高峰在2000年左右，这50多年的投入、建设、运行等，给他们带来了巨大收益，很多非常重要的技术成果在社会上得到了广泛应用。

跟他们相比，我们的北京正负电子对撞机起步较晚，技术上也不是国际领先，基本上是采用国际已有的成熟技术。可以想象，一个科学上、技术上不是最领先的装置，自然在技术的辐射能力方面会有相当的限制。

中国现在应该大力发展物质科学，特别要关注自研设备，包括大科学装置，我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置，而不是跟随美国的脚步。

所以，如果要想有所谓国际领先的、重大的技术突破，能够辐射到社会、对国民经济有重大作用，科学装置本身必须是先进的、别人没有的，否则早就被别人辐射完了。我们希望未来有一个高能物理的装置走在欧美前面，这也是我们提出建立“超级对撞机”的原因。如果最终建成，其规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机——建于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC，科学目标和技术创新性自然可以实现。

2012年希格斯粒子的发现，是国际高能物理发展的转折点，使我们有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机，技术上的时机，也是国家经济实力发展的时机。20年前，这样大规模的装置想都不敢想，更不可能有钱来做。

高能物理这个系统比较庞大，要想做到国际领先首先要有高远的科学目标，这样的目标很多国家都有，但是都会面临重重困难。所以接下来比拼的就是实现这些目标的能力，这里面至少会涉及二三十个技术门类，最后哪怕有一个螺丝钉没拧好，整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器，就像显微镜的镜头一样，可以看到整个过程，从而进行数据分析，所以又有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来，更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。

要把整个团队凝合起来，奔向同一个目标，这是包含成百上千人的“团队作战”，这种规模的科学研究体现的就是国力。

建这样一个大型设备，能培养出机械、电子、真空、微波等各个领域的创新人才，这里面会有大批科学家、工程师解决大量的技术需求，这些需求很多都是从未出现的，如果能解决，这些人才就是“从无到有”的创新人才。

所有的技术发明和科学成果，最先发现的人肯定是有一定的优势。如果只是享受别人的成果，那你就是一个“土豪”，既不能得到大家尊重，也不会很好地掌握知识，也很容易就被别人逐出圈外，夺走财富。而掌握了最前沿的基础科学知识，自然就会有最前沿的技术，从而成为引领全球科技发展的大国。

◎ 來源|微信公众号“科学大院”

作者：王贻芳

第三篇：科学素养理念下以实验为基础的科学教学观

一、基础科学教育中的实验概述

基础教育科学课程（包括综合科学、分科科学，如物理、化学、生物）是中小学教育的重要组成部分。科学课程建立在对科学本质认识的基础上，引导学生逐步认识科学的本质，以达到培养和发展学生的科学素养这一宗旨。科学是认识自然最有效的途径，是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动，因此以实验为基础是科学教学的主要特征。值得一提的是科学教学中的实验除主要在科学实验室进行的活动外，还广泛包括一切与动手有关的实践性活动。自从科学进入教育课堂以来，实验教学就成了理科课程中的一个重要议题。19世纪后期欧美国家率先在中等学校开始设置科学课程以来，就很重视实验教学。如在英国，首先提倡实验教学的是早期的化学教育工作者，他们认为实验教学有助于教会学生如何学习，后来这种观点拓展到生物学和物理学[1]。而我国早期的科学教育中也注意到了实验教学，比如徐寿在上海格致书院作化学科学问题的演讲时，就用到了“课堂示教实验”教学方法[2]。

在基础科学教育中，实验教学可以为学生提供丰富的感性认识材料，帮助学生从感性到理性形成科学概念，获得科学原理；可以让学生通过亲自操作和实验探究，培养学生的实验技能和能力，尤其是实验能力、观察能力、思维能力和探究能力；可以培养学生尊重客观事实、实事求是、一丝不苟、严谨求实的科学态度，以及训练学生的科学方法；可以让学生尝试和体验实验过程的乐趣和实验成功的喜悦，激发和发展学生的学习兴趣；可以培养学生的辩证唯物观，形成正确的价值观。可见，实验在科学教学中具有十分重要的作用。

然而现行的基础教育科学实验教学往往不尽如人意，笔者通过对某校教育实习基地科学实验教学的调研和对来该校参加省级教师培训的科学教师访谈，发现不少的学校对实验在教学中的功能认识不全，把实验只是作为训练实验操作技能、验证科学知识的工具，未能发挥实验更多的教学功能；更有不少学校认为实验费工、费物、难做，不安全，做实验不如讲实验、背实验、画实验，因而黑板实验代替了整个实验。究其原因，除了实验经费不足和片面追求升学率外，主要是对以实验为基础的科学教学认识不到位，没有构建起以实验为基础的科学教学观。基础教育科学课程改革的一个亮点就是重视发挥实验教学的育人功能，增加实验数目，提高实验内容占整个课程内容的比例。教育部发布的《高中理科教学仪器配备标准》，要求各校根据标准，加快普通高中理科教学仪器的配备，切实保障普通高中新课程实验的顺利实施。为了落实推广新课程，更好地发挥科学实验的教学功能，全面发展和提高学生的科学素养，我们认为很有必要在科学素养教育理念指导下构建起以实验为基础的科学教学观。

二、以实验为基础的科学教学观的构建

科学素养是当今国际科学教育的中心议题，其一直作为一个口号代表着理科课程改革的一面旗帜，我国第八次基础教育科学课程改革，课标研制者将科学素养引入科学课程，将发展和提高学生的科学素养作为科学新课程的主旨[3]。科学素养作为来源于西方国家的专有名词，其概念是动态变化的，不同时代不同学者对其有不同的定义。从美国2061计划和国家科学教育标准中提到的科学素养文本来看，科学素养包括两方面，一是科学学科内容，二是与学科相关的社会、政治、文化、历史、哲学等内容[4]。结合我国当前基础教育中的科学课程，科学素养内容至少包括知识与技能、过程与方法、情感态度价值观、科学探究、科学史等，下面就这五个方面构建以实验为基础的科学教学观。

1.知识与技能教学以实验为基础

科学教学中的知识与技能主要包括科学基本事实、概念、原理和科学实验基础知识、基本技能等。知识与技能是科学素养的重要组成内容，也是现行基础科学教育十分强调的“双基”。形成统一的科学概念和原理，可以通过科学实验，借助实验仪器、设备和实验条件的控制等实验手段，使物质发生物理的和化学的变化，通过直观、生动、鲜明的宏观现象表现出来，让学生观察和体验。高度概括的科学基本概念和基本理论的获得，更需要通过科学实验，让学生先获得感性知识和体验，然后对感性材料进行分析、比较、归纳、抽象，概括出事物的本质和规律。科学实验操作技能只能在科学实验的具体操作实践中获得，是其他教学形式不可代替的，故在知识与技能教学中应以实验为基础开展教学。如金属钠的性质，教学中通过从煤油中取出钠，切割钠，将钠放入滴加酚酞的水中等实验，观察钠的颜色，体验钠的质地硬软，观察钠在水中的现象，从而分析推理出钠的性质。这种以实验为基础的知识与技能教学利于学生科学基本概念和基本理论的获得，利于学生知识的构建。

2.过程与方法教学以实验为基础

科学教学中的过程与方法主要是包括对生命科学、物质科学及其变化等进行探究的基本过程，以及问题意识、科学方法和问题解决能力、交流评价能力等。基础知识、基本技能加上科学方法才能有效转化为能力，可见科学过程与方法在科学教学中具有相当重要的地位，因此新课程对过程与方法教学的改革力度相当大。科学学习过程是从感性到理性，由具体到抽象，由现象到本质的特殊认识过程。通过科学实验探究，可以使学生亲身体验探究过程，学习实验探究方法。科学实验过程既包括感性认识的获取，更包括理性认识的获取，实验过程中既训练了感性认识、观察与实验的方法，以及与实验有关的实验条件控制、测定、实验记录、数据处理等科学方法，又训练了以比较、分析、综合、归纳、演绎、推理、科学抽象、假说、模型为主的理性认识的科学方法，从而培养了学生的观察能力、思维能力和问题解决能力，故在过程与方法教学中应以实验为基础开展教学。

3.情感态度价值观教学以实验为基础

科学教学中的情感态度价值观主要是包括热爱科学学习，乐于探究物质奥秘，认识社会、科学、技术的联系，树立科学态度和科学学习的责任感等。情感态度价值观教学是教学观中片面关注学科知识转向关注学生科学素养发展的重要体现。科学实验中经物理、化学、生理变化产生的新奇、生动、鲜明的各种实验现象，以及实验对象本身和实验仪器设备的新奇、鲜明性都可引发学生的好奇心理，激发学生的认识兴趣和强烈的求知欲，发展和深化学生的科学学习兴趣，使他们的科学学习由兴趣向乐趣、志趣转化；实验过程对实验现象的观察、实验操作和数据的记录处理等都要认真仔细、实事求是，这样利于培养学生的科学态度和辩证唯物观。科学在社会生产生活实践方面的实验能让学生体会到科学对社会发展的巨大贡献，激发学习兴趣和责任感，故在情感态度价值观教学中应以实验为基础开展教学。如开展环境保护研究性学习，学生分小组对学校附近的水质进行监测分析，采点抽水样，使用multilogpro数据采集分析仪器（学生科学探究仪器）完成对水质的pH值、电导率这2个指标的分析。从pH值分析江河水质的酸碱性，从电导率判断水体中无机盐离子含量的情况和富营养化状况。这样让学生设计实验，参与科技活动，利于激发学生的学习兴趣，体会科学的力量和作用，培养科学的态度，树立正确的价值观和学好科学的责任感。

4.科学探究教学以实验为基础

科学探究是基础教育科学新课程改革的突破口，如化学课程基本理念提出，“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力”。科学探究是新课改提倡的主要学习方式，科学探究是一种以学生的知识探究活动为主的学习方式，学生根据探究性问题以及与主题相关的学习资料，主动进行假设、探究、验证、归纳、解释以及讨论活动，解决相关的探究性问题。实验是开展科学探究的主要方式，故应以实验为基础开展科学探究教学。如月饼盒中常放一小包脱氧剂，可以利用这一日常生活中学生熟悉的情景，引导学生对脱氧剂成分进行探究，观察其颜色。根据其脱氧原理及颜色进行假设与猜想，进行实验探究，将粉末分别加入水、碱、酸中，观察到前两者没有明显变化，后者冒气泡，过一段时间加硫氰化钾溶液，发现变红，即存在铁离子，逐步引导学生抽象出脱氧剂粉末中存在铁粉这一结论。让学生经历这种以科学实验为主的科学探究活动，学生获得知识方法的同时，体验到了科学探究过程中的快乐与艰辛，获得探究乐趣。

5.科学史教学以实验为基础

科学史作为科学素养的重要组成内容，在基础教育科学课程改革中受到了前所未有的重视，这从综合科学和分科科学的课程标准和新教科书中涉及的有关科学史内容可知。如普通高中化学课程的基本理念提出，“结合人类探索物质及其变化的历史与化学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和基本方法，形成科学的世界观”。人教版初高中化学新教材中涉及的化学史人物有92位，呈现方式和教育形式多样化[5]。这表明，基础教育科学新课程改革相当重视科学史在科学教学中的作用。科学史，实际上是一部运用实验方法进行实验探索，建立科学理论的实验发展史。它既包括发现的科学知识和科学方法，更包括科学家为之奋斗的忘我精神、坚韧不拔的创新过程，这些无一不与实验相关，故在科学教学中应以实验为基础开展科学史教学。例如，在“生长素的发现”的教学中，教师首先提问：达尔文所做的实验得出的结论是否可靠？这种推测应如何通过实验来验证呢？有的学生提出可以用仪器来测，有的学生提出可以用化学显色反应的方法，这时提醒学生：在当时的条件下，这些方法可操作吗？如果尖端产生了某种物质，是否有什么材料可以收集它呢？这时再引入温特实验。在温特实验中琼脂的作用是什么？如何知道琼脂是否吸附了尖端产生的物质？在达尔文实验的基础上，学生经过讨论认为应该设计一个对照实验：分别把接触过尖端的琼脂小块和未接触过尖端的琼脂小块放在切去尖端的胚芽鞘上，并观察实验现象，得出结论[6]。这样开展以实验为基础的科学史教学，学生通过亲自探究实验，学会观察、比较、分析、推理及解决一些基本的科学实际问题的能力，获得科学理论知识和科学方法，培养正确的情感态度价值观。

落实以实验为基础的科学教学观，关键应在科学素养教育理念指导下转变传统片面关注客观知识的科学知识教学观，积极倡导关注学生科学素养发展的科学文化教学观。转变基于传统科学观的科学知识教育范式，如将科学教育目标定位于单一的认知领域、将科学教育内容看作是确定的知识系统、将科学教育方式等同于忠实地传受科学知识；积极倡导基于科学观的科学文化教育范式，将科学教育目标定位于发展学生的科学素养、将科学教育内容从科学知识扩大到科学文化、将科学教育方式由授受转变为对话与建构[7]。综上所述，科学素养教育理念下以实验为基础的科学教学观中的“实验”应体现四方面内容，一是实验应作为一种教学手段，为学生提供丰富的感性认识，是学生经过感性到理性、具体到抽象、现象到本质而认识物质结构及其变化规律的前提，应贯穿于科学基本概念、基础理论的学习之中；二是实验应作为一种科学探究活动，让学生处于主体地位，充分发挥学生的主观能动性，是发现与建构知识，训练实验与技能，培养探究意识、实践能力和创新精神的重要实践活动，应贯穿于学生知识、技能、能力、情感、态度、价值观的学习之中；三是实验应作为一种科学方法，使学生的知识转化为真知，真知转化为能力，是实施实验探究过程与问题解决的依据，应贯穿于解决科学问题的实验探究过程之中；四是实验应作为一种科学文化，科学实验本身就是一种科学文化，科学文化分为文化表层和文化内核两部分，表层是科学事实性知识、科学用语、科学理论性知识、科学实验等。内核是指科学共同体成员之间的批判、协商和共同建构知识的方式、基本观点、思想方法、态度等，科学文化的表层和内核是互相联系和作用，不可分割的，因此应将实验作为一种科学文化应用于科学教学中[8]。

参考文献

[1] 魏冰.中学理科课程中实验教学的若干问题探析.全球教育展望，2010（7）.

[2] 曹元宇.中学化学史话.南京：江苏科学技术出版社，1979.

[3] Wei，B.Science curriculum reform in post-compulsory education in the People’s Republic of China：The case of senior secondary school chemistry curriculum.Science Education International 2005.

[4] Wei，B.&Thomas，G.P.An examination of the change of the junior secondary school chemistry curriculum in the People’s Republic of China：In the view of scientific literacy.Research in Science Education，2006.

[5] 关婷婷.中学化学教学与教材中化学史的研究.广州：广州大学，2006.

[6] 袁维新.科学史融入科学课程的原则、方式和策略.课程·教材·教法，2006（10）.

[7] 袁维新.科学观的文化转向与科学教育.中国教育学刊，2010（10）.

[8] 许应华.文化视角下化学探究教学案例的反思.化学教育，2010（11）.

（责任编辑 张茂林）

作者：张世勇 李永红