化學實驗與理論思維
化學實驗作為一種能動的實踐活動形式，它意味著，一方麵化學實驗是化學理論產生的源泉和檢驗標準，另一方麵化學實驗需要一定的化學理論做指導。貶低化學實驗作為化學科學認識基礎的重要作用，化學理論將因失去源泉和營養不良而枯萎；忽視理論思維對化學實驗的指導作用，化學實驗也會因其盲目性而喪失力量。在化學教學認識中，實驗與理論思維也具有同樣的關係。在這裏，我們著重討論理論思維在化學實驗中的作用。
理論思維在化學實驗中的作用
這裏所說的理論思維是一個有廣泛含義的概念，它既含有哲學思維(即世界觀和方法論)，又含有自然科學中的理論和假說，以及聯想和想像力等。當然，還含有邏輯思維。正如前麵討論過的，化學實驗與其他自然科學的實驗一樣，它的直接目的在於解決一定的化學科學研究任務，化學實驗產生的結果使人們獲得了對實驗對象的認識，或是檢驗一定的假說、理論。所以，它總要受一定的哲學思想的影響和支配。化學實驗作為科學研究的一種實踐和手段，又總是與化學科學中的理論、假說密切聯係著，離不開理論的指導和運用。化學科學研究中的實驗是一種創造性的活動，沒有想像力或離開了聯想，都將會直接影響實驗目的的完成。化學實驗離不開思維活動，不僅需要思維材料，還需要正確的思維方法。
從認識論和方法論的角度對化學實驗的全過程進行分析，化學實驗不但是一種感性活動過程，而且更重要的是一種理論思維活動過程。它本質上是理論思維的物化，所以，不但要把化學實驗當作感性活動來把握，更重要的還在於把化學實驗當作理論思維活動來把握。認識到這一點，對全麵理解化學實驗的實質是極其重要的。有了這種認識就不會簡單地認為化學實驗是與理論思維無關的純粹的感覺、知覺階段。純粹的感覺和知覺隻是作為意識的萌芽存在於人的意識形成的史前時期，存在於動物和嬰兒的心理活動中。對於從事化學科學認識活動的化學科學工作者，他們是智力成熟的人，對於進行化學教學認識活動的學生，他們也具有一定的知識基礎，因此，他們的認識無論處於何種水平，都是感性和理性的統一，都不可能脫離思維。
任何類型的化學實驗，其全過程都可分為如下的三個基本階段：實驗的準備階段、實驗的實施階段和實驗結果的分析處理階段。理論思維在實驗的各個階段都起著重要作用。
化學實驗準備階段的理論思維
一、化學實驗準備階段理論思維的重要性
實驗成功的關鍵主要決定理論思維作用發揮得如何；以及實驗準備工作是否周密細致。實驗前的周密思考和精心設計之所以重要，是因為實驗方法的巨大力量，在於它能夠把某些理性活動的成果物化為一定的物質形態，再從物質的客觀運動中吸取具體的感性表象，從而正確地反映客觀對象，進而把握對象的本質。實驗準備正是為這種物化準備提供必要的理論前提，並為努力實現理性前提的這種物化做好前期的各項準備工作。
科學史上大量成功的實驗都是與他們在實驗準備階段充分運用理論思維，做到苦心思索、精心設計有關。例如，前麵提到的比利時化學家赫爾蒙特做過的那個著名的實驗，他根據實驗觀察到的事實，得出了水能變成土的結論，因而認為水是自然界最基本的元素之一。後來，拉瓦錫經過周密思考之後，采取了新的實驗措施，使用天平進行稱量，重複了赫爾蒙特的實驗，實驗結果否定了赫爾蒙特的結論，他提出了水不能變成土的看法，並指出沉澱物是蒸餾器被溶解下來的物質。後來，經過瑞典化學家舍勒對這種沉澱物的進一步分析，證實了拉瓦錫的結論是正確的。這個事實生動地表明了實驗前的周密思考、精心設計是多麼的重要。
二、化學實驗準備階段中的理論思維
在化學實驗準備階段通常需要進行五項工作，即實驗課題的選擇、確定實驗目的、明確指導實驗設計的理論、進行實驗設計、實驗儀器與設備和化學藥品的準備。每項具體工作中都需要理論的指導，都要進行積極的思維活動。
1．化學實驗課題選擇中的理論思維
(1)化學實驗課題與化學(實驗)問題的關係。
化學實驗課題，就是從化學(實驗)問題中選擇出來的，需要通過實驗研究求得答案的問題。化學實驗課題的選擇，必須遵循三個原則，即化學實驗課題的選擇一定要遵循有效性、可實現性和最優化原則。可見，化學實驗研究的課題必須從化學(實驗)問題中來選擇，但是並不是所有的化學(實驗)問題都能被選為現實的實驗課題，隻有經過認真分析、思考、做出判斷，認為符合上述三條原則的化學(實驗)問題才能被選中。
(2)化學實驗課題的正確選擇需要充分發揮理論思維的作用。
化學實驗課題的選擇是進行化學實驗研究的有決定意義的關鍵一步。化學實驗研究並不是都能取得成功的，失敗是常見的，其原因當然很多，但選題不當，常是導致失敗的原因之一。正確的選擇是一項既重要又複雜的工作。英國著名的晶體物理學家貝爾納就曾提出：“課題的形成和選擇，無論作為外部的經濟要求，或者作為科學本身的要求，都是研究工作中最複雜的一個階段。一般說來，提出課題比解決課題更困難……所以評價和選擇課題，便成了研究戰略的起點。”因此，許多科學工作者認為，科學研究的選題本身就是一項科學研究。那麼，怎樣才能選中正確的化學實驗研究題目和對問題的意義做出恰當的評價呢？關鍵在於從事化學實驗研究者是否具有較雄厚的化學科學基礎知識，是否能在了解和分析化學學科某一領域背景知識的基礎上，充分運用想像力，發現和提出具有發展前途的實驗研究題目。而理論思維在這裏起著重要的作用。
在確定了化學實驗選題和了解所要研究的問題之後，還要以一定背景知識為基礎，運用理論思維對所研究的實驗問題進行分析，把一個大問題分解成具有一定層次和相互聯係的許多小問題，為找到解決這個問題的步驟和相關的網結，為化學實驗設計提供依據。如法國化學家莫瓦桑為解決製取遊離氟的問題，以氟的製取為實驗課題進行了實驗研究。他在以氯、溴、磺以及氟化物等知識為背景，對氟的性質已經有了初步認識的基礎上，經過思考，解決了電解法製取單質氟的幾個關鍵性的前問題，這些前問題就是：使電解原料(反應物)變成導電的電解液、電解裝置(器)和電極要耐腐蝕、防止氟的逸散以及便於檢驗等。又如電解器又涉及到電解器與電極的材料以及它們的形狀、電解器的封口等更具體的問題。這些問題得不到解決，遊離氟的製取將會受挫，這些不同層次、相互聯係的前問題，就成了解決所要研究的課題的必要條件。這就說明了問題的分解在化學實驗研究中具有十分重要的意義，通過對問題的分解，為實驗主體提供解決問題的方向和方法；另外還說明了實驗主體必須具有分解問題的能力和深刻的洞察能力，而這些都需要發揮理論思維的重要作用。
中學化學教學中需要通過實驗解決的問題是化學科學中早已經解決了的一些最基本的問題，已不再成為化學科學研究的對象。這些實驗問題是在化學教學大綱和化學教材中事先規定下來的，是完成中學化學教學任務所不可缺少的重要教學內容，通常勿需教師或學生做什麼選擇。但是，對化學實驗問題結構的理解和對化學實驗問題的分解，卻離不開理論思維。因此，教師在實驗實施之前，對學生進行必要的引導，使他們在一開始就進入積極的思維狀態，這對順利完成教學任務和提高學生的科學素質是十分必要的。
2．化學實驗目的製定中的理論思維
在著手進行實驗設計之前，首先應該明確此項化學實驗要達到什麼目的。不論是化學科學研究中的實驗，還是化學教學中的實驗，都必須有明確的化學實驗目的。化學實驗目的是化學實驗的靈魂，是化學實驗設計方案的重要內容之一，必須認真製訂化學實驗目的。
(1)化學實驗目的是調節、控製化學實驗主體的內在因素。
化學實驗本身就是一個有目的的化學實驗主客體相互作用的實踐活動過程。事實上，確定化學實驗課題、選擇化學實驗對象並不是無緣無故的，而是為了解決某個或某些化學問題，實現一定的化學實驗目的。因此，在確定化學實驗課題一開始就已經蘊含著化學實驗主體對實驗客體的某種要求。這種要求反映在化學實驗主體的頭腦中，就成為推動化學實驗主體進行實驗活動的內在動因。化學實驗目的作為化學實驗活動的一個內在因素，貫穿、滲透於化學實驗的全過程和化學實驗結果之中。化學實驗目的作為實驗主體頭腦中的觀念，調節、控製著其自身與化學實驗客體的相互作用，這本身就是一種理論思維活動。化學實驗目的關係到化學實驗能否順利進行的問題。所以，不論是化學科學工作者，還是化學教學中的教師或學生，在進行化學實驗之前，都必須製訂出明確的、切實可行的化學實驗目的。
(2)化學實驗目的是實驗主客體之間的觀念關係向實踐關係轉化的一個必然環節。
化學實驗目的雖然屬於主觀觀念的東西，但它是實驗主體實踐活動的直接動機，並為實驗活動指明了努力的方向和預想的實驗結果。它還作為調節、控製實驗主客體之間相互作用的因素，規定著實驗活動的步驟、方式和方法，協調各個環節間的關係。
化學實驗目的的本身還是為之努力、期盼達到的一種理想，因此，它能促使化學實驗主體在實驗活動中產生一種為理想而拚搏的強烈意誌和情感。這種意誌和情感能使實驗主體的主觀能動性得到最好的發揮。
化學實驗目的構成化學實驗者的觀念、理想，必須通過化學實驗才能把這種觀念的東西轉化成為變革、改造化學實驗對象的現實活動，並在化學實驗中實現它。化學實驗所取得的實驗結果，是否實現了預期的化學實驗目的，就是對化學實驗目的所依據的思想、理論是否正確的一種檢驗。
總之，化學實驗目的是化學實驗主客體之間的觀念關係向實踐關係轉化的一個重要環節，並貫徹於實驗主客體相互作用的實踐全過程。最後又對象化於化學實驗活動的結果之中。因此，可以說化學實驗目的是化學實驗活動的靈魂，化學實驗必須有明確的目的。確定化學實驗目的是一個理論的邏輯演繹的過程，提出明確的化學實驗目的必須充分發揮理論思維的作用。
3．明確指導化學實驗設計的理論
在確定了化學實驗目的之後，不能馬上進行實驗設計，而是要先弄清指導化學實驗設計的理論是什麼，然後在這種理論指導下再去設計化學實驗方案。在這裏，指導理論是將化學實驗目的與實驗設計二者聯係起來的中間環節。沒有這一步，就不能很好地從化學實驗目的過渡到實驗方案的設計上，即使作了實驗設計，也會因缺乏理論根據而使實驗不能達到預期的目的。明確了指導理論，實驗設計就有了根據，有了方向。化學實驗者就可以根據這種理論弄清該采用什麼方法和手段，通過什麼步驟、從什麼方向去實現已經確定的化學實驗目的，並可以根據這些理論進一步作出邏輯推理，預測可能遇到的困難，事先考慮好如何創設條件去克服它，還會估計到可能取得的實驗結果等等。
4．進行化學實驗的設計需要理論思維
關於化學實驗設計的意義、類型和內容、原則和優選標準等，在前麵已做過討論。這裏著重從理論思維的角度對化學實驗設計，做進一步的探討。
(1)化學實驗設計是實現化學實驗目的的觀念模型。
任何一項現實的化學實驗都是具體的實驗，它不但有所要實現的特殊的實驗目的，還必須有根據這個目的製訂的實驗計劃(即實驗設計或觀念模型)。毛澤東曾指出：“一切事情是要人做的……做就必須先有人根據客觀事實，引出思想、道理、意見，提出計劃、方針、政策、戰略、戰術，方能做得好。”做化學實驗也應如此，在化學實驗正式實驗之前，要做好化學實驗設計。化學實驗設計是化學實驗目的的具體化的觀念模型。它是化學實驗主體借助理論思維在頭腦中建構的一種觀念性的東西，但它又是具體化了的。這種具體化是指化學實驗目的的具體化，是指實現化學實驗目的的實踐活動過程的具體化。但是這種具體化並不是現實的具體，而是在觀念中實現的，以文字說明、化學用語和化學專用符號、圖與表等的外表形式感性化地體現在書麵上的。建立這種化學實驗觀念模型的過程本身就是運用理論和理性方法進行積極的思維過程。
(2)製訂化學實驗設計方案中的理論思維。
進行化學實驗設計是一項複雜而又細致的工作。這項準備工作做得如何，關鍵在於是否能很好地進行理論思維。科學史上許多著名的實驗，無不銘刻著理論思維在實驗設計中的功績。
為了使化學實驗目的和化學實驗實施過程的活動在觀念中實現具體化，在形成書麵的化學實驗設計之前，要對該項化學實驗所涉及到的一係列具體問題進行認真的分析和周密的思考。
首先，對該項化學實驗所涉及到的化學原理、對參加化學反應的各種物質的性質要有較全麵、較深入的了解和認識。要盡可能估計到在什麼樣的實驗條件下，可能發生什麼樣的化學反應以及產生什麼樣的實驗結果。在此基礎上再做細致而具體的思考，確定在怎樣的實驗條件下，才能使有關化學反應向著實現化學目的的方向發展。
其次，還必須按照化學反應原理，根據化學反應物質和生成物質的性質、實驗條件的控製、發生反應時可能產生的能量變化，來預選實驗方法和手段。甚至對選用儀器的規格、儀器的聯結安裝方式都要仔細考慮。然後，確定實驗操作的程序和步驟，並在思想上進行“實驗”，頭腦中要考慮好每一步應怎樣操作，操作方法上應注意些什麼，怎樣進行觀察，如何使實驗過程中的每一環節、每項操作都成為有目的、有計劃的具體活動，並構成一個有序的聯係的整體。
再次，化學實驗主體要對自身的化學知識基礎和理論水平、實驗操作水平、現代化測量手段掌握的情況等也應做出全麵的、切合實際的評價，充分估計自己是否有能力勝任該項實驗研究。明確自己的不足，找到彌補的辦法，努力給以補救。
另外，對化學實驗過程中可能遇到的困難和克服的辦法，都要盡量做好思想準備。甚至在一開始就可以做出兩套或多套不同的實驗方案，即設計幾種不同的實驗路線去完成同一個實驗目的的實驗方案，運用理論思維，在頭腦中對它們進行“實驗”，對它們各方麵的情況做出周密分析，並加以比較，從中確定一個較理想的觀念模型，然後著手完成化學實驗設計的書麵材料。
化學教學中的實驗設計與化學實驗研究中的實驗設計相比較，通常都有可參考的現成的模式，在內容上要簡單些、在層次上也低一些，因此比較容易完成。但是為了滿足化學教學上的一些特殊要求，同樣需要在上述幾個方麵進行理論思維，教師的任務就是要正確地、適時地引導學生運用理論思維做好化學實驗設計。
5．化學實驗手段和化學藥品準備的理論思維
化學實驗儀器、實驗裝置、設備、工具等的選擇和準備，並不是純物質的活動，也要以理論為指導。從實際上說，化學實驗儀器、實驗裝置、設備(特別是現代化的實驗儀器和設備)是理論和理性方法的物化，它不僅含有大量自然科學知識(包括化學、光學、電學和熱學等方麵的知識)，還包含著諸如分析和綜合、歸納和演繹、抽象、比較和類比等邏輯思維方法。可以說，化學實驗儀器、裝置和設備就是自然科學理論和理性方法外化而形成的物的形態。即使常用的、最簡單的實驗儀器、裝置(如啟普發生器、滴定管、冷凝管、試管、燒瓶、試劑瓶等)的使用也蘊含和凝結著一定的理論和邏輯思維方法。