鄧耿 孫海源

摘要： 闡述科學理論中理論與實驗的關(guān)系，分析化學史上理論與實驗相互交錯、彼此共進的歷程，對當代化學理論與實驗的發(fā)展現(xiàn)狀作了描述。同時，結(jié)合若干中學化學教學案例，對如何在教學中處理好理論與實驗的關(guān)系進行了探討。

關(guān)鍵字： 化學理論； 化學實驗； 化學發(fā)展史； 化學教學

文章編號： 1005-6629（2018）4-0094-03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

一般中學化學課本中都會把實驗放在化學教學的基礎(chǔ)地位。例如人教社的高中教材《化學1（必修）》就把“從實驗學化學”作為全書第一章，并在壓題文字中這樣論述道：“化學是一門以實驗為主的自然科學?？茖W規(guī)律是通過對自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、探究和反復驗證形成的?；瘜W研究主要用的是實驗方法，所以，學習化學也離不開實驗。[1]”對于教材的這種表述，我們應(yīng)有正確全面的理解。

1 理論與實驗的關(guān)系

科學采用可證偽的邏輯方法研究知識，把我們的認識上升為邏輯和規(guī)律。科學的內(nèi)容總是包括來自直接認識的知識（實驗）和來自系統(tǒng)總結(jié)的知識（理論）兩大部分，后者來自對前者的正確歸納，又可以演繹地得到前者，并對未知知識給出可證偽的預(yù)言?？茖W發(fā)展的過程一般是從實驗得到知識，對知識進行正確歸納得到理論，再由理論指導實驗發(fā)現(xiàn)新知識。這也是英國哲學家培根從十七世紀建立至今的傳統(tǒng)科學方法[2]。

由此可見，化學作為科學的一種，自然應(yīng)當重視實驗，但也同時應(yīng)當重視理論，并關(guān)注如何從實驗得到理論，以求得科學知識的系統(tǒng)發(fā)展。如果過分強調(diào)實驗的基礎(chǔ)地位，忽視理論，就會陷入經(jīng)驗主義的錯誤中。事實上，今天化學家們已經(jīng)不僅僅靠實驗來發(fā)展化學了，2017年12月，張希院士在第31屆中國化學奧林匹克（決賽）暨冬令營上的講話中指出，“化學不再只是實驗科學，實驗、理論和計算成為了化學發(fā)展的三大支柱”。其中，實驗化學包括了傳統(tǒng)的無機、有機和高分子（超分子）化學研究的范疇；理論化學則主要指的是物理化學及其在無機、有機和高分子領(lǐng)域的應(yīng)用；而計算化學則是利用量子力學、物理化學等基本原理對實際體系進行模擬和計算，成為溝通實驗與理論的工具。在今天主流的化學研究工作中，實驗、理論與計算三種研究方法已經(jīng)相互滲透、相互促進，共同為化學進步服務(wù)。

從化學史的發(fā)展來看，實驗與理論的關(guān)系始終是相互交錯、彼此共進的，在不同的歷史階段，有時候是實驗占據(jù)了研究的主流，有時候是理論引領(lǐng)了化學發(fā)展的方向?；瘜W歷史上的科學革命，都是由實驗催生理論、理論反過來指導實驗，二者共同推動的結(jié)果。這也符合人類認識自然的一般規(guī)律。例如拉瓦錫的氧化理論，來自他對燃燒實驗的精密研究，同時也得益于他前期發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量守恒定律，以定量實驗無可辯駁地否定了燃素說，開啟了現(xiàn)代化學的新篇章。又如二十世紀以來量子化學的大發(fā)展，來自于光電效應(yīng)、氫原子光譜等物理實驗觀測結(jié)果，引發(fā)物理學家對量子力學基本原理的深入研究，這些結(jié)果被化學家應(yīng)用于化學結(jié)構(gòu)，成為現(xiàn)代化學理論和實驗的基礎(chǔ)。

新原子論的建立與完善，很好地說明了理論與實驗之間相互推動的關(guān)系。十九世紀初的化學界，初步明確了元素的概念和質(zhì)量守恒定律，道爾頓在化學元素和質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，總結(jié)大量實驗事實，指出元素在化合物中是以固定組成比相互化合的，因此說明微觀上應(yīng)當存在著各自不同的原子，并且原子間的組合具有固定的數(shù)目，即化合價。新原子論將化學從半定量的時代帶入到定量實驗的時代，催生了一大批元素和化合物的發(fā)現(xiàn)，并推動測定了最早的一批原子量數(shù)據(jù)。但當時人們對分子尚未有較為清晰的認識，尤其是不能理解諸如氫氣、氧氣、氮氣這樣的氣體雙原子分子，導致在蒸氣壓和原子量測量上長期存在錯誤（例如氧的原子量曾被定為8倍）。

1811年，阿伏伽德羅在蓋-呂薩克的氣體定律基礎(chǔ)上提出分子假說，完善了新原子論，解決了原子量與氣體定律不相符合的問題。但在它提出時卻沒有得到主流化學界認可，其中一個重要的原因是當時化學界受到電化二元論的影響，認為同種原子帶同種電荷，不能形成多原子分子。同時，針對砷、銻、鉍蒸氣的實驗說明這些單質(zhì)以單原子分子形式存在，不能正面支持阿伏伽德羅的假說。直到1860年，康尼查羅在卡爾斯魯厄召開的國際化學會議上發(fā)布了自己的論文，系統(tǒng)總結(jié)了過去半個世紀的實驗和理論，證明阿伏伽德羅的理論是正確的，才使得分子假說被化學家廣泛接受。

回顧上述歷史，不難看出化學理論建立在對實驗事實的系統(tǒng)總結(jié)和思考基礎(chǔ)上，同時又推動了實驗事實的積累與發(fā)展。但實驗與理論的發(fā)展并不是線性進步的，而是螺旋前進的。一方面，實驗是檢驗理論的最終標準，不成熟的理論（如電化二元論）在發(fā)展的過程中逐漸被揚棄，成熟的理論（如分子假說）終將被接受。另一方面，由于一定階段實驗事實積累總是有限的，而指導實驗的理論尚不成熟，有時實驗對理論發(fā)展也具有反作用，例如上文中提到的單原子蒸氣實驗阻礙了分子假說的推廣。因此，不能簡單地說“實驗是檢驗理論的唯一標準”，而要說“全面完整的實驗事實是檢驗理論的唯一標準”，同時也要補充“正確的理論是指導實驗的必要條件”。

2 化學理論與實驗的發(fā)展現(xiàn)狀

依照化學的研究內(nèi)容，化學的理論部分應(yīng)當包括物質(zhì)組成理論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論、結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系理論和化學反應(yīng)理論。在現(xiàn)代學科體系中，處理這些學科還包括結(jié)構(gòu)化學、化學熱力學、化學動力學等學科。當代以來，化學理論的發(fā)展略顯落后于實驗的進步，這一現(xiàn)象有著多方面的成因。

一般而言，對基礎(chǔ)理論的消化需要時間，例如量子力學建立的原理很基本，但利用它求解復雜體系很困難，需要很多時間探索，從對最簡單氫分子離子H+2結(jié)構(gòu)的量子化學描述（1927年）到實現(xiàn)生物大分子結(jié)構(gòu)的量子化學描述用了超過半個世紀的時間。另一方面，新理論的發(fā)展依賴于研究者對數(shù)學、物理學的方法和化學自身的問題都要有深刻的認識。在當代學科分野日益深入的環(huán)境下，理論創(chuàng)新的難度在增大。這是理論變革一般不能連續(xù)進行的主要原因。

理論發(fā)展的滯后帶來一系列現(xiàn)實問題。從空間尺度上看，今天的化學對分子及其結(jié)構(gòu)認識已經(jīng)比較完善，但對于分子間、大分子、超分子和納米尺度上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識還很膚淺，尤其是對介觀尺度上物質(zhì)間相互作用和組裝的基本規(guī)律還沒有形成系統(tǒng)性理論。在更大的尺度上，對非晶體、液體結(jié)構(gòu)認識還不清楚。而上述問題原本是超分子化學、納米化學、表面化學、溶液化學等學科的基本問題，如果沒有對這些問題的系統(tǒng)解決，就不能從根本上改變這些學科嚴重依賴實驗探索、理論指導實踐能力不足的現(xiàn)狀。

從時間尺度上看，受制于對分子運動和分子所處環(huán)境運動（擴散、分離與碰撞）的不夠了解，傳統(tǒng)唯象理論和統(tǒng)計理論都不夠完善，對于化學過程時間尺度的從頭預(yù)測精度還不能與熱力學平衡（能夠準確從量子力學和統(tǒng)計力學出發(fā)計算）相比。更進一步地，化學熱力學與動力學之間的理論關(guān)聯(lián)還不夠緊密，能夠同時處理含時與不含時問題的統(tǒng)一理論尚未建立。時間是化學變化不可忽略的變量，但在化學過去發(fā)展歷程中取得成功的平衡態(tài)物理化學不能很好地處理含時問題。如何更好地處理非平衡、非經(jīng)典的實際化學過程中含時問題，也是化學研究中重要的課題。

理論與實驗發(fā)展的不均衡、不匹配，是科學發(fā)展中的常態(tài)，也是新的科學機遇。它提示我們在化學未來的發(fā)展中需要有更多工作關(guān)注實驗與理論的聯(lián)系，推動實驗事實向理性知識轉(zhuǎn)化，完成科學體系的進步。

3 化學教學中的理論與實驗關(guān)系

在中學化學的教學過程中，實驗與理論是互相輔助、螺旋上升的關(guān)系。一方面，對于剛開始接觸化學的學生來說，化學理論是抽象的、不鮮活的，實驗可以幫助學生更好地學習理論知識，親自經(jīng)歷化學所關(guān)注的過程。將實驗結(jié)果通過自己的行動一步步呈現(xiàn)出來的過程通常是有趣的，而且能夠充分調(diào)動學生的積極性，使得他們產(chǎn)生“責任感”，對自己親自參與制作的“產(chǎn)品”，也更有探索的欲望。

另一方面，在實驗的過程中，新的問題會自然而然地浮現(xiàn)出來，或者由教師在合適的時機予以引導而發(fā)現(xiàn)。這些問題源于實驗，其解決方案需要我們回歸化學理論。這兩種方法在實際的教學過程中都是有效的。

在理論教學之前，可以設(shè)置一些探究性的小實驗供學生選擇，比如硫酸銅晶體的制備、彈性硫的制備、水中花園的制作等等。有的學生對硫酸銅晶體的制備感興趣，甚至計劃制作一枚“心型”的晶體，實驗結(jié)束后，他們發(fā)現(xiàn)雖然制作過程不一樣，但硫酸銅晶體的形狀卻是一致或者高度近似的，制作“心型”晶體的計劃失敗了。對這個現(xiàn)象的討論，就要回歸到晶體相關(guān)理論的學習中來。

有的小組選擇了水中花園的制作，通過查找相關(guān)資料，他們發(fā)現(xiàn)水中花園的形成與滲透壓有著一定的關(guān)聯(lián)，而通過微粒觀念，是可以定性解釋滲透壓出現(xiàn)的原因的，這在介紹離子概念的時候也有所涉及。實際上，阿侖尼烏斯的電離理論就與滲透壓有著緊密的聯(lián)系。

理論的學習也可以幫助學生更好地設(shè)計實驗和改進實驗，進而完成對理論的深化。在水的電解實驗中，學生通過水的電解實驗，觀察到了水電解形成兩種氣體的實驗現(xiàn)象，并且確認正極產(chǎn)生了氧氣而負極產(chǎn)生了氫氣。在實驗結(jié)束的時候，有的學生將這個實驗現(xiàn)象與化學中的分子熱運動理論、水的化學組成聯(lián)系在一起，提出了如下的問題： 正極產(chǎn)生了氧氣，那么在氧氣產(chǎn)生的一瞬間，水分子中的“氫原子”以什么形式存在呢？

經(jīng)過思考，他們認為，即使“氫原子”跑去了負極產(chǎn)生了氫氣，但是由于單個水分子很小，不能同時接觸正極和負極，而且微粒的運動不能無限快，所以單個水分子不可能同時在正負極形成氫氣和氧氣。借助于教師提供的額外資料，學生改進了電解水的實驗，通過電解含有酚酞的硫酸鈉溶液，驗證了負極生成了OH-。這一結(jié)果使得學生對電解水的過程有了進一步的認識，也為后面更好地學習電解理論知識做了鋪墊。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心編著.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第一版）[M].北京： 人民教育出版社， 2004.

[2]Bacon， F.許寶骙譯.新工具[M].北京： 商務(wù)印書館， 1984.