科学实验方法及其类型

科学实验是人们根据一定的研究目的，运用科学仪器、设备等物质手段，在人为地控制或模拟客观对象的条件下考查对象，从而获取科学事实的一种基本方法。

实验方法是科学思维与生产技术有机结合的产物，自16世纪起逐渐发展成为科学研究的基本手段，在人们认识世界和改造世界的过程中发挥着巨大的推动作用。科学实验与科学观察都是科学研究活动中必不可少的认识方法，它们相互依赖，观察依赖实验，实验也离不开观察。在现代科学研究中，观察和实验相结合的整体化趋势也越来越明显。

科学实验有多种多样的类型。根据不同的研究目的和要求，可以把科学实验划分为不同的类型。例如，根据实验的目的，可以分为探索性实验和验证性实验；根据实验的环境，分为实验室实验和自然实验；根据实验的步骤，分为预备性实验、决定性实验和正式实验；根据实验中量与质的关系，分为定性实验、定量实验和结构分析实验；根据实验在科学认识中的作用，分为析因实验、对照实验和中间实验；根据实验手段是否直接作用于研究对象，分为直接实验和间接实验等。随着科学技术的发展，实验手段越来越强，实验水平越来越高，实验的种类越来越多，比较常见的有以下几种：

（一）定性实验

定性实验是为了发现实验对象的某种属性而进行的试验。简言之，它是判定事物“是不是”或“有没有”的实验。在科学史上，有许多定性实验的事例。例如电磁学中富兰克林的风筝实验；物理学中赫兹证明电磁波存在的实验；化学中测定元素、离子和功能团等的定性分析实验。定性实验是发现科学事实，确定研究对象性质的重要方法。它是定量实验的基础，在科学研究中具有重要作用。

（二）定量实验

定量实验是指用以测定研究对象的某些数值，确定某些因素之间数量关系的实验，这些数量关系常以公式、定律的形式表述出来。定性实验和定量实验尽管是不同性质的实验，但又是相互联系的。定性实验是定量实验的基础，因为只有在确认了事物的性质之后，才能确定各成分之间的数量关系。定量实验是定性实验的精确化，从定性到定量，标志着人类认识的深化。科学史上有许多著名的定量实验。比如，物理学中卡尔迪许测定引力常数的实验；焦耳测定热功当量的实验；密立根测定普朗克常数的实验等。随着现代科学技术向精密化的方向发展以及定量方法与数学方法的有机结合，定量方法将在科学认识活动中发挥更大的作用。

（三）结构分析实验

结构分析实验是探索和认识实验对象所具有的内在结构的实验。由于事物的性质和功能的变化往往与组成诸要素的联结方式相关，特别是发现同分异构现象后，在物理学、化学、生物学等学科测定物质的结构引起人们的关注。如20世纪50年代初期，美国生物化学家华特生和英国物理学家克里克根据X线衍射分析，阐明了脱氧核糖核酸（DNA）分子的基本空间结构是双链的螺旋结构，以及它的四种核苷酸中所含碱基的配对规律，从而揭示了生物遗传的内部机制。

（四）析因实验

析因实验是由已知结果去寻找产生这种结果的原因的实验。如法国微生物学家巴斯德用肉汤作灭菌实验，找出空气中的微生物进入培养液并大量繁殖后导致食物腐败的原因，从而奠定了微生物学的基础；法国细菌学家尼科尔通过病人入院洗澡并换去带虱衣服的试验，找出体虱是斑疹伤寒的媒介原因，因此而荣获了1928年诺贝尔奖。

进行这种实验，要尽可能全面掌握影响结果的诸因素，不放过任何微小的可疑线索。19世纪80年代，惰性气体氩的发现就是一例。英国物理学家瑞利通过化学捕集器，使空气中的碳酸气、氧气、水蒸气分别吸收，从而得到的氮，每升重1．2572g；从分解氨里得来的氮，每升却重1．2560g。英国的物理学家拉姆塞进一步对大气中获取的氮进行研究。他设计了一个实验，把从空气中收集的氮通过赤热的镁屑，把氮气吸收后，剩下的气体测出其密度是氢气的20倍（普通氮的密度是氢的14倍）。经过光谱分析确证它是新的惰性气体——氩。

（五）对照实验

对照实验也称比较实验，是指把设立的两个或两个以上的相似组群进行比较，其中一个是对照组，作为比较的标准；另一个是试验组，即研究对象组。对照实验通过“对照组”与“试验组”的对比来揭示研究对象的某种性质。这种实验要求实验对象有两个或两个以上的相似组群——对照组和试验组，通过某种实验步骤，使对照组与试验组进行对比，从而判定试验组是否具有某种性质。这种方法常使用“随机抽样”的方法编组，排除人为因素的干扰。达尔文为确定光线作用于生长锥而使植物产生向光生长的现象就是运用的对照实验，他将一组植物不做任何处理，将一组植物的生长锥套上用锡箔做成的不透光的小帽子，让这两组植物放在侧光下生长，结果发现，没有处理的表现出向光生长现象，经过处理的则没有这种现象。达尔文通过这样的对照和比较，确定了光线用于生长锥是使植物产生向光生长现象的原因。

对照实验是常见的一种实验，尤其是医学科研中经常使用，如新药品的疗效试验。

（六）判决实验

判决实验是指人们为了在关于同一问题的两个或多个竞争假说之间做出抉择而设计的实验。科学史上的伦德福实验，就是一个著名的判决实验。18世纪在对热现象的研究中有两种相互对立的假说，即热质说和热之唯动说。热质说认为热是一种与发热体机械化合的物质，热之唯动说则将热理解为机械运动的一种形式。对于在一个封闭的系统中物体相互摩擦后温度升高的现象，前者认为原因是物质的比热发生改变，系统总热量不变；后者则认为原因在于物体内部的微粒振动使系统总能量增加，而比热不变。1798年，伦德福设计了一个实验，分别用放热器和摩擦的方法使同质同量的两片金属的温度升高到100℃，然后同时放人两瓶等量等温的水中，结果发现两瓶水升到同一温度，表明两片金属的比热相等，摩擦升温的那片金属的比热未发生变化。这样，热之唯动说得到了实验验证，热质说被否决。

以上诸实验方法都是通过对实验对象直接进行的实验，属于直接实验。在科学研究中，由于受主、客观条件的限制，人们不能对某些自然现象进行直接实验（如对地球上生命起源的进化过程等），这样人们就可以采取间接实验的方法来进行。模拟实验就是一种间接实验的方法。

模拟实验是指人们根据研究对象（原型）的本质特性，人为地建立一种与原型相似的模型，然后通过模型来间接地研究原型的规律性。如科学研究过程中，运用高压放电装置来模拟自然雷电现象，航空工业中的“风洞”实验，就是采用模型代替原型的模拟实验。由于模拟实验可以对时过境迁的自然现象进行研究，也可将研究对象放大或缩小，或在短时间内随机重复多次，所以就具有节约资金、摆脱实验中某些危险因素的优点，因而模拟实验得到了十分广泛的应用，具有重大的科研价值和经济价值。

根据模型和原型相似的特点，可以把模拟实验分为物理模拟和数学模拟。

物理模拟是以模型和原型之间的物理相似或几何相似为基础的。物理相似就是指模型和原型中所发生的物理过程都相似。生命世界中选择某种动物的有关机制来模拟人的某些生理或病理过程就是物理模拟。数学模拟是以模型和原型之间在数学方程式的形式相似为基础的。自然界的统一性为数学模型提供了客观基础。任何两种本质上不相同的物理过程，只要它们遵循的规律具有相同的数学方程式，就可以用数学模拟的方法来研究。

必须指出，任何实验都具有各自不同的适用范围。而科学研究则是一项复杂的实践活动，某些课题往往不是某种单一的实验方法能够解决的。因而在科学研究过程中，要根据实际需要，恰当地选用或综合运用各种科学实验方法，才能取得良好的实验效果。