科学实验是人们根据一定的研究目的，运用一定的物质手段，在人为地控制或模拟自然现象的条件下，使由然过程或生产过程．以纯粹的、典型的形式表现出来，暴露它们在天然条件下无法暴露的特性，以便进行观察、研究、探索自然界的本质及其规律的一种研究方法。
实验方法和观察方法既有联系，又有区别。
从联系看，观察和实验的直接目的，都是为了探索自然界的奥秘，即都是人们有目的、有计划的认识自然、改造自然的活动。两者是相互依存的，观察是实验的前提，实验是观察的证实和发展。在现代科学技术中，实验往往同观察紧密结合在一起，观察依赖于实验，实验离不开观察。随着生产和科学的发展，观察和实验相结合的整体化趋势，越来越明显地表现出来，特别是对微观客体的研究更是如此。
从区别看，实验方法优于一般的观察方法，它克服了纯粹观察(也叫自然观察)的局限性，大大加强了人们获取感性材料和感性经验的主动性。它有下面一些优点：
(一)实验能够更大地发挥人的主观能动性
从一定意义上来说，观察是一种被动的行为，而实验是一种主动的观察。一般地说，观察是在自然发生的条件下进行，对自然现象不能有任何干预，尽管也可以进行一些主动的观察，但终归处于被动状态。有些自然现象如日蚀、地震、刮风、下雨等等，可以从自然界中直接观察到；但右些自然现象，人们无法直接观察，如故射性现象；有些自然界还没有这种天然现象，如生物品种的杂交，等等。由于观察受到自然条件的限制，使我们无法弄清许多自然现象的来龙去脉，不能深入地认识事物的本质及其规律。实验方法可以突破自然条件的限制，人为地干预自然，控制我们的研究对象，自觉地、主动地变革出然，充分发挥人的主观能动性。人们利用实验使那些直接观察不到的自然现象，可以主动地利用仪器工具去揭开它的面目；自然界还没有出现的东西，可以有意识地进行人工创造；很难观察到的现象，可以自觉地创造某种条件，让它呈现在我们面前。在人和自然的斗争中，通过实验不仅能够认识自然，揭示自然的奥秘，而且还能够改造自然，满足人类需要。
(二)实验能够达到科学研究的目的性
巴甫洛夫说：“观察是搜集自然现象所提供的东西，而实验则是从自然现象中提取它所愿望的东西。”观察作为获得感性材料的重要手段之一，为科学研究搜集了大量资料，但它仅仅是搜集自然现象所能提供的东西。而文验能够有目的、有计划地通过各种方法，从自然现象中，提取人们历需要的东西。例如，遗传工程科学告诉我们，可以通过实验，用人工的方法把需要的生物遗传基因核酸分子提取出来，在生物的体外进行切割，安装在特定的运载工具——裁体上，输送到受体细胞中去，把不同生物的遗传特性豆新组合起来，就可以创造一种新类型的生物品种。又如，人们对基本粒子的研究，一种是用观察方法，即观察来自宇宙空间的高能粒子流。但是人们只能等待来自宇宙空间的“不速之客”，搜集它所提供的东西，常常使我们在研究中出现“无米之炊”的局面?另一种是实验方法，即用高能加速器把带电粒子(电子、质子)加速到具有几十亿——几千亿电子伏的能量＜目前最高达到五千亿电子伏)，然后有目的、有计划地击轰击试验物质，轰击的结果会产生大量的新粒子和新现象，从而提取我们所愿望的东西，为高能物理的研究提供了必要条件。
(三)实验能够证明客观必然性
思格斯指出；“单凭观察所得的经验，是决不能充分证明必然性的。”比如，养儿象父母，这是人们观察到的现象，但这并不能判定二者存在因果联系的必然性。养儿象父母达一现象的因果联系，随着分子生物学的出现和发展，人们经过大量的生物实验，证明这是由于生物的“遗传密码”所决定的。一切生物无论是飞禽走兽、花草树木，还是“万物之灵”的人类或者目不能及的微生物，无一不含有核酸——生物传种接代的基本物质。每个生物都把各自的遗传密码传给下一代，下一代就按照这个密码生长发育。所以，子女的性状总是象父母，这是生物遗传的客观必然性。大量的事实证明，实验不仅能够发现纯粹的观察所不能看到的新事实，而且能够用实验中观察到的事实去检验假说和理论的正确性，去发现自然规律，发明新的材料、新的器件、新助工艺，从而推动社会生产力的发展。
实验方法就其人为地控制和变革自然而言属于实践活动的范畴，是从生产实践中分化出来的一种特殊的实践形式，是原始探索自然活动进一步发展的产物。
古代的自然科学，主要是以直接的生产经验和对自然界的直观为基础，虽然也出现了原始的实验，但只是处于一些零星的、不完善的萌芽状态。十五世纪以后，随着资本主义生产方式的出现和发展，实验才逐步从生产实践中分化出来，成为一项具有相对独立性的实践活动，不仅成为科学研究的重要手段，而且成为科学发展的直接基础，推动和检验自然科学的发展。以电磁理论的发展来说，从奥斯特(公元1777一1851)关于导线周围产生磁效应的实验(1819年)和法拉第关于闭合线圈在磁场中运动切割磁力线产生感应电动势的重大发现(1831年)到麦克斯韦的电磁场理论(1865年)；再从麦克斯韦根据电磁场理论预言电磁波的存在(1864—1865)到赫兹从实验上找到电磁波(1887年)为止，这一过程说明，科学实验不仅是科学理论发展的动力，而且还是检验科学理论真理性的标准。
随着生产的发展和科学技术的进步，现代科学实验的深度、广度以及手段、规模都发生了深刻变化，它的内容十分丰富，范围极为广阔。今天的科学实验，愈来愈成为千百万人参加的认识自然和改造自然的一项独立的社会实践活动。没有哪门学科、哪个部门，不采用实验研究方法。没有实验，就没有现代科学技术，更谈不上什么科学技术的发展；没有实验，就无法从事科学研究活动，更谈不到什么科学研究的成果。可以说，科学实验是科学技术和科学研究的“通灵宝玉”，赖以生存和发展的“命根子”。
在现代科学研究中，实验的手段越来越显示出它的重要作用，因而受到科学家们的极端重视。这种情况在诺贝尔奖金的颁发中得到生动的体现。以物理学奖金为例，从1901—1978年，得奖项目中属于实验技术的或基本上是从事实验性工作的五十年代前约占百分之六十；理论性的或基本上属于理论性研究的只占百分之四十左右。原子结构的探亲和许多基本粒子的发现，没有人们在实验中充分发挥的主观能动性，没有一定的实验设备和高超的实验技术是绝对不可能的。可以毫不夸大地说，二十世纪物理学的进展住往都是以技术的突破为转机的。特别是1932年劳伦斯(公元190I—1958)制成了回旋加速器，仅四年的间，就制出了二百多种人工放射性同位素。至1939年，人们研究过的核反应已达六百多种。在1936年和1947年还分别获得了两种新元素碲(Te)和砹(At)，填补了元素周期表上的空白。劳伦斯就因回放加速器的发明和创造而获得了1939年的诺贝尔物理学奖。基本粒子方面的获奖项目在使用了加速器之后的五十年中，占获物理学奖金部项目的一半以上。
目前，许多科学技术发达的国家在加强理论研究的同时，都非常重视科学实验的作用。我国人民在实现四个现代化的斗争中，把科学实验看作是科学技术现代化的重要条件，看作是武装现代科学技术的一个必不可少的实践形式，已经越来越得到重视和加强。
特点实验方法的产生和运用它具有以下一些特点：
(一)纯化和简化自然现象
自然界的现象十分复杂，各种事物互相联系，互相影响，互相作用，相互交织在一起，往往使人不易发现其中起作用的是哪些因素，谁起主导作用，对于这种复杂现象，单凭经验观察是无法开清楚的。
在实验中，人们可以借助丁精密的仪器和设备等实验手段，根据研究的需要，在严格控制的实验条件下，把自然过程和生产过程加以简化和纯化，排除各种偶然因素、次要因素和外界干扰；选择一些因素，改变一些因素，增添一些因素，减少一些因素，把耍研究的因素分离、独立出来；把研究对象的某种属性或联系，以纯粹的形式呈现出来。这样，通过多次重复的观察和试验，进行精细在研究，就能揭示出支配自然过程和生产过程的客观规律性。
例如在农业生产中，影响作物高产的因素很多，水分、温度、光照、气候、种子、土壤、肥料以及田间管理等，都能影响作物的生长、发育。为了开明白每个因素对作物的具体影响，就要通过实验，有目的、有意识地把其他因素严格控制起来，只对其中的一种或几种因素单独观察，深入地分析和研究，找出最佳的条件，为创造高产提出科学的实验根据。
马克思指山：“物理学家且在自然过程表现得最确实、最少受干扰的地方考察自然过程的，或者，如有可能．是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下从事实验的。”在物理实验过程中，控制研究对象的温度，排除由于温度变化造成的热干扰，田而在纯粹形态下取得实验成果的事例是很多的。1799年英国的戴维(公万1778—1892)把实验仪器保持在水的冰点，排除了实验物品和周目环境的热交换，证明冰融化所密要的热来源于摩擦，有力地否定了当时占统治的“热索说”；1911年前荷兰的开默林昂尼斯(公1853—1926)用控制温度的办法，发现了金属的超导性；1957年物理学家吴健雄，把放射性Co冷却到o．01K，排除热运动干扰，证实了李政道、杨振宁提出的微观粒子在弱相互作用下宇称不守恒原理。
(二)强化和再现自然现象
自然界的事物在常态下一艇不易暴露其特殊性质及其规律只有在一些极端条件下，某些性质和规律才“昙花一现”地显现出来，这在自然界是一种罕见的现象。在实验中，可以凭借各种物质手段，创造出在生产过程小或自然状态下难以出现或不能出现的特殊条件，例如造成几百万伏的高电压，接近绝对零度的低温其他如高真空、高速度、超纯度、超磁场等，使研究对象处于某9定向强化的极端状态，以便获取通常不易得到或不能得到的许多新的自然现象。例如，在常温下，地球表面的大气压力仅为一千大气压，即使在吐界上最深的马里亚纳沟沟中，在深达一万米9海底，也仅有一千个大气压。而目前在实验中，可使静态高压达到二百万至三百万个大气压，动态高压可达一万个大气压。通过高压能引起物质的物理性质和化学性质发生性质变化，如把黄磷(非导体)转为黑磷(导体)；使冰在100℃温度下仍呈固态；将石墨变成金刚石等等。
在实验中，人们不仅能对自然界实行定向强化，使物质变化的过程向指定方向发展，而且可以创造特定的研究环境，使自然过程在实验中再现出来，把人们看不见的现象人为地诱发出来。如模拟几万万年前地球上的物理化学状态，再现地球的起源和演化过程。我国科学院大气物理研究所进行的大气环流模拟实验，可以将由地面垂直向上几万米的整个大气层的运动，在实验室里再现出来。大气环流模拟的转台，每半分钟左右转一困，就能模拟一天的气候变化，三个小时就能模拟一年的气候变化。现在，人们为了研究环境与作物的关系，创造了“人工气候室”，模拟地球上任何一个地区的气候条件，如一问房里炎热干燥再现南极气侯，隔壁房间却冰天雪地重演北极风光。每间房内的温度、湿度、压力、风向和阳光都能够由动调节，为研究环境农作物的影响提供了难得的资料。
(三)延缓和加速自然过程
在自然界中，有些自然现象的发生过程十分短暂，倏忽即逝；有些自然现象又十分缓慢，长夜漫漫，这都给科学研究工作带来了很大困难，不是难于把握，常常失去研究机会，就是旷日持久，大大延长研究周期。在实验中，人们司"以借助于一定的物质手段，对自然现象发生的过程，人为地加以控制，不仅能扩大或缩小、还缓或加速，还能延续瞬时出现的自然过程，就象电影的高速摄影技术一样，使人们能捕捉到俊忽即逝的自然现象。
闪电雷鸣、地震山崩、岩体滑坡，都是阳时发生的。在天然条件下，人们无法弄清它们运动变化的详细过程；而今人们可以核拟雷电、地震、滑坡的灾验，则可以延续、重复这些过程，便于详细的研究、分析。1953年美国科学家米勒进行地球原始大气及闪电模拟实验，用甲烷、员．氢和水汽混合成一种与原始大气基本相似的气体，把它放进真空的玻璃仪器中，并连续施引火花放电，以模拟原始大气层的闲电。经过一周的化学反应，在实验中形成了五种地球上几十亿年航出现的构成蛋白质的氨基酸，还合成了某些蛋白质、脱氧核糖核酸等生物大分子，使生命起源的学说不断得到证实，开辟了生命科学研究的新途径。
由于实验所具有的上述特点和作用，使得自然科学有可能凭偌实验室中的优越条件，超越生产实践在某些方面的局限性，走在生产实践的前面，直接推动各门自然科学理论的研究，为生产开辟广阔的途径。科学越向前发展，科学实验所起的作用就超大。
科学研究的结果最终要以理论的形态表现出来，实验可以加速理论形成的周期，使理论以各种定理、定律、法则等形式固定下来，加速人类知识的积累过积。旧此，实验既是自然科学一般发展的基础，又是自然科学重大突破的基础。只有充分发挥它的作用，自然科学的发展才能硕果累累，不断取得可喜的成绩。
类型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，实验的种类也越来越多，比较常见的有以下几种：
[一)定性实验
用来判定实验对象具有哪些性质，某种因素是否存在，某些因素之间是否具有某种关系，测定某些物质的定性组成，探讨研究对象的内部结构等。如力学中伽利略的自由落体实验；电磁学中富兰克林(公元1706—1790)的风筝实验；光学中列别捷夫(公元1866一1912)的光压实验；物理学中迈克耳逊——英雷否定“以太”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等等。
定性实验是定量实验的基础，只有确定了某些因素的性质，肯定或者否定某些因素是否存在，各个因素是否有联系，才能进一步安接定量实验。
(二)定量实验
用以测定某个对象的数值，或求出某些因素间的经验公式、经验定律等揭示各个因家之间的数量关系，如卡文迪许(公元1731一18lo)测定引力常数的实验；斐索(公元1819—1896)5Il定光速的实验；焦耳测定热功当量的实验；汤姆生测定电子荷质比的实验；化学上的定量分析实验方法国化学家普鲁斯特(公元1754—1826)对各种不同的化合物作了定量分析后，建立了定比定律。英国化学家道尔顿对由两种相同元素生成的多种化合物作了定量分析后，建立了倍比定律。
从定性实验到定量实验，是人类认识客观事物不断深化的过程，定量实验和数学方法的结合，是科学进步的显著标志之一。在科学研究中，只有把所研究的东西测量出来并用数学来表示时，才能说明对这个东西已有所认识。否则，可能只是初步的认识，在研究的思路上，还没有上升到科学的阶段。
(三)析因实验
是一种由已知结果去分析寻找未知原因的实验。如法国微生物学家巴斯德(公元1822—1895)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；法国细茵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年诺贝尔奖金。
进行析因实验，重要的是要进行周密的调查研究，尽可能掌程影响已知结果的多种原因，不放过任何微小的可疑线索。有些为人所忽略的因素，恰恰是造成某种结果的重大原因。例如出生在俄国的内分泌学家纳尔班多夫(公元1912一?)在研究脑垂体切除术对鸡的影响时，发现大多数情况下做过手术后的鸡很快死去，只有两次手术后的鸡子存活时间校长。开始他把这种现象归于手术技巧，但随后证明并非如此。经过详细调查，结果发现两次鸡子手术后所以没有马上死去，原来是值班人员没有关灯的原因。于是此对此现象作了对照实验，证明切除垂体的鸡，鸡在黑暗中的邢死了；但若每夜开灯两次，每次一小时，则鸡可一直活下去。由此可见，调查研究在析因实验中十分重要。
(四)对照实验
也叫比较实验，通过对照或比较的实验方法，揭示研究对象的某种性质或某种原因。这种实验打两个或两个以上的相似组群，一个是对照组，作为比较的标淮；另一个是试验组，通过某种实验步骤，判定试验组是否具有某种性质或影响。比如，人们早就观察到植物向光生长的现象，但阳光照在植物的什么部位才能有利于生长呢7达尔文对此作了对照实验，把一组植物不作任何处理作为比较的标准，把另一组植物的生长锥套上不透光的锡箔纸做的小帽于，以便确定它对试验组的影响。这两组植物都放在同样的测光条件下，结盟发现未处理的一组植物向光生长，而经过处理套上小帽子的植物，没有出现向光生长现象。达尔文通过这样的对照和比较，确定了光线用于生长素是使植物产生向光生氏现象的原因。
这种对照实验是常见的一种实验，广泛应用于工农业生产和生物、医学等科学研究中。工业上几种冶炼方法、几种产品的优劣、几种技术改革措施的比较，农业上的品种、施肥、田问管理等优劣
的因间试验比较；医学中的药物陆床比较生物鉴定实验，生物学中的比较解剖实验等，部属于对照实验。
根据研究的需要，对照实验还可分为相对比较实验和对照比较实验等类型。
所谓相对比较实验，是把两种或多种实验单元进行相对比较。例如，农业试验中，已知两种氮肥对某作物生长均有效，为了比较这两种氮肥中哪种肥效更高，则可通过相对比较，择其优效。
所谓对照比较实验，是把某个属于未知的事物(A)同一个已知的事物(B)作对比，以便确定该种因素的影响而安排的实验。例如：在确定某种氮肥的肥效时，可以将一块未施该种绷肥的试验田作为对照(标准)，而使另一块施用该种氮肥的试验田同它比较，即可确定该氮肥是否有效。
(五)模拟实验
列宁指出：“自然界的统一性显示在关于各种现象领域的微分方程式的‘惊人的类似中。”自然界的各种现象有不少的相似性，人们根据这种相似性的规律，创造某种特殊条件，模拟难以出现或难以拿握的自然现象，用一种领域中的现象来说明其他领域中的问题，不仅可以确定相似现象的基本性质、必要条件，而且可以定量地设计模型，并把模拟实验的结果定量地推广到原型中去，这种方法就叫模拟实验。通过设计一种与自然现象或自然过程的原型相似的模型，然后通过模型间接地研究原型的规律性。
原型是研究对象的一种比较完整的“形象”，它可以是自然界中天然存在的事物，也可以是人类在改造自然的计划中所预期的事物。模型是原型的放大或缩小，是模仿被研究对象而设计出来的某种装置，或仿照被研究对象，从自然界中选择出来的某种代替物。例如，在修筑大型水库或堤坝的，为了达到多快好省的目的，人们根据经验事实所了解的“原型”，按一定比例设计一个与自然过程相似的水库或堤坝的模型装置，通过实验研究检验是否合乎实际，如经证明合理，便可加以推广实施。
根据模型和原型之间相似关系的特点，可以把模拟实验分为物理模拟和数学模拟两大类：
物理模拟是以模型和原型之间的物理过程的相似性为基础的实验方法。这种物理过程的相似性，是指物理量的相似即所有的矢量(如力、速度、加速度等)在方向上相应地一致，在数值上相应地成比例，所有的标量(如密度、温度、浓度等)在对应的空间点上和时间间隔上都相应地成比例。在这种情况下，模型和原型之间只有大小比例的不同，其物理过程的本质是一样的。根据这一相似性的要求，在各个领域内都出现很多模拟实验，如建筑工程上的力学实验；航空上制造超音应飞机的风洞实验；生物学中用动物模拟人的生理过程或病理过程的实验；医学中探求病因、筛选药物、鉴定药物疗效和病毒的实验等。
数学模拟是以模型和原型之间的数学形式的相似性为基础的实验方法。任何两种本质上不相同的物理过程，只要它们所遵循的规律在数学方程上具有相同的形式，就可以用数学模拟地方法来研究。具有完全相似的数学形式，即三绝的技普拉斯方程。因此．可在实验室里用一套相应的电路装置来模拟地下水的运动。这种电路装置就是地下水运动的数学模型，简称为电模型。五十年代以来P6于电子计算机的边用．人们把实验所涉及到的各种条件、因素抽象成数学运商，进行数学校拟，如用数学模拟地完沉陈规律．天变化的趋势等等，把模拟方法提高到一个新的水平。在大型工程设外和电机曲造绍文面，发抑的作用尤为显若。
模拟方法在科学研究中共将十分重要的作用，它可以使人仍研究已经时过境迁的自然过程．可以从时间上灵活地变换自然过程的顺序和周期，从空间上灵活地变换自然过程的位置和方式，对白然过程和自然现象进行细致的观察、研究、分析，达到认识自然和改造自然的目的。
以上介绍的五种实验只是料学研究中常用的几个基本类型。此外，还有用以测定物质的原子或原子团之间的空间结构关系曲结构分析实验；有在工程建设中用以检验设计方案，为生产实践作准备的中间实验；有通常用”—些新事实宣判某种假说的生死存亡的判决实验；有用于课堂教学或学术交流的演示实验等等，这里就不一一列举了。
这里需要指出的是，任何实验都是为着一定的研究目的，在一定条件下进行的活动。因此，各类实验都有不同的特点及其适用范围，我们要巧妙地加以灵活运用，综合地、有机地运用各种实验方法，这是科学研究工作成败的关键。
综上所述，观察和实验是搜集科学事实、获取感性经验的基本途径，是形成和检验自然科学理论的基础，它在科学研究中具有十分重要的意义。但是，运用观察和实验方法去研究自然，一刻也不能离开理论思维的指导。我们在科学研究令，只有把巧妙而精确的观察实验方法和理论思维结合起来，既要动脑，又要动手，才有可能在科学研究中真正地有所发现。