科学探究中的实验设计
浙江省新昌县城关中学董明法（312500）
摘要：本文着重阐述了科学探究中实验设计能力的培养，通过掌握实验设计的基本方法、基本思路和基本原则来提高实验设计的能力。
关键词：实验设计 基本方法 基本思路 基本原则
科学探究是科学学习的内容，也是科学学习的目标。科学探究一般包括“提出问题——猜想与假设——制定计划——观察、实验——得出结论——评估与交流”等环节。“猜想与假设”是否正确，只有通过实验才能得到验证。实验能否顺利进行，能否得到正确的结果，科学合理的实验设计是不可或缺的。实验设计得好与差能很好地反映出一个人的实验能力，各类考试也非常重视实验设计这种题型。因此，通过让学生掌握科学探究中的实验设计的基本方法、基本思路、基本原则来提高他们的实验设计能力是非常必要的。
一、实验设计的基本方法
1、 比较法
所谓比较法是将一些科学现象或科学量放在一起进行对照、比较从而达到异中求同，同中求异的目的的一种方法。
例如，①研究物体的沉浮条件时，用重力相同的压偏的与中空的牙膏皮作比较；②斜面省力实验中，用不同倾角的斜面作对比，斜面与竖直面作对比；③科学实验中的测量就是待测量与同类科学量的标准量具或标准仪器直接或间接地进行比较，测出其量值：长度的测量就是拿待测物体与标准米尺进行直接比较的过程；天平测量质量的过程，实际上是把未知的质量与标准质量进行直接比较的过程。有些科学量难于直接比较，需要通过某种关系将待测量与某种标准量进行间接比较，求出其大小。如用温度计测温度，就是一种间接比较的过程。
2、 积累法
实验中有时需要测量一些微小科学量，由于量值太小，以至无法被实验者或仪器直接感觉和反映。此时可将被测的量进行积累，然后再进行测量。
例如用刻度尺测量一张纸的厚度，由于一张纸的厚度，无法用刻度尺直接测出，但是我们能用刻度尺直接测出100张纸的厚度，从而求出一张纸的厚度，这就是一种积累放大法。类似地，用天平测一枚大头针的质量，用秒表测出每次心跳的时间等都要用到积累法。
3、转化法
科学测量中常需测量一些不能直接测量和测不准的量，这时，需把不可直接测的量转化为可直接测的量，把测不准的量转化为测得准的量，进而求出待测量，这就是转化法。 例如密度这个量无法直接测量，我们可以先求出物质的质量和体积，再求出物质的密度；旗杆的高度不易直接测量，我们可以先求出它的影子的长度，与它平行的小竹杆的长度和小竹杆影子的长度，再通过相似三角形对应边成比例的性质求出旗杆的长度；物体的温度无法用眼睛直接看到，靠温觉感受器估计也测不准确，我们就可把物体的温度这个量转化为液柱的长度；电流表、电压表、欧姆表的设计者就是把无法直接看到的电流强度、电压、电阻转化为直接能看到的角度大小。
4、模拟法
在实际实验中，限于条件，有许多现象是不可能直接观察的，这时，人们依据相似理论，人为制造一个类同于研究对象的科学现象或过程，用模型的测试替代对实际对象的测试，这就是模拟法。
例如在研究生命的起源这一问题时，我们无法再拥有一个原始地球，即使能拥有原始地球，一个人的生命也无法跟踪原始生命形成所经历的时间，这时，我们就可以在一个容器内
充入与原始大气相同的气体，并模拟原始地球的条件，从而来观察所发生的变化，研究生命的起源。在研究家庭电路中保险丝在短路和总功率过大的情况下熔断及高压跨步触电等现象时也都可以采用模拟法。
5、着色法
所谓着色法指的是将无法形象、直观地显示出的科学过程和现象通过一定的手段能形象、直观地被显示出来的方法。
例如我们把红墨水滴入静止的热水和冷水中，观察分子扩散与温度的关系；把高锰酸钾放入正在加热的水中，观察水的对流情况；在空气中燃蚊香，来观察光在同一种均匀介质中的传播规律。
6、控制变量法
为了弄清事物变化的原因和规律，当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。控制变量法的设计程序如下：
例如在研究铁生锈的条件有哪些时，就设计如图1所示的实验，通过观察A 、B 、C 三支试管内铁钉的生锈情况，从而得出铁生锈的条件；在研究种子萌发的条件时，把甲、乙两个各有三粒种子的装置分别放在温暖和寒冷的地方，如图所示。几天以后，只有甲装置中接触水面的那粒种子萌发的，其余的五粒种子都没有萌发，从而得出种子萌发的条件。
A B C
图1 图2
7、程序法
所谓程序法指的是在进行科学实验时，不管是仪器连接顺序，还是实验操作顺序都按照一定的规律进行的方法。在气体的制取及性质实验中常用该方法。仪器连接按“气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理”的顺序进行，每一部分又按照“从下到上，从左到右”进行；实验操作“按连接仪器→检查气密性→装药品进行实验操作”的顺序进行。
浓H 2SO 4 例如：草酸晶体与浓硫酸共热可制得CO ，其化学方程式如下：H 2C 2O 4 ===== CO 2 △
↑+CO↑ +H2O ，现利用该反应制取CO 气体，并证明CO 的还原性，同时除去多余的CO 。其实验装置图如下图所示：A 装置为CO 的发生装置，B 装置为除CO 2的装置，C 装置为证明CO 2已除尽装置，E 装置为干燥装置，F 装置为证明CO 的还原性装置，G 装置为除去CO 尾气的装置。
A
二、实验设计的基本思路
在掌握了实验设计的基本方法后，如果不清楚实验设计的切入点，掌握实验设计的基本
1、 明确实验目的
明确测定什么量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点．
2、 分析实验原理
对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案、也即多种原理．即使是教材中关于某个实验目标的实验原理，也可能是许多原理中的一种，而且不一定是最佳的一种。在众多实验原理中，我们应该根据简便易行、安全可靠、科学精确、绿色环保等原则来选择原理。
3、 选择实验器材
实验原理选定之后，考虑该方案需要哪些装置，从而确定整个实验需要哪些器材． ４．拟定实验步骤
实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些步骤在先，哪些步骤在后，先观察什么，后观察什么，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。
三、实验设计的基本原则
实验设计有许多原则，下面这些原则，是最基本的原则，是任何实验设计都必须考虑的。
1、 科学性原则
所谓科学性是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离科学基本知识和基本原理以及其它学科领域的基本原则。科学性是设计实验成功的前提。
2、 可行性原则
在设计科学实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都要切实可行，这就是可行性原则。
3、 简便性原则
所谓简便性原则指在实验设计时，实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验操作过程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。
4、 安全性原则
安全性原则指的是在实验过程中不会对实验设备器材产生损坏，对人生安全产生危害，对环境产生污染。
5、 经济性原则
所谓经济性原则指的是实验设备、实验原料、消耗的能源化费少，人力时间短。必要时可以预测一下自己实验的产出和投入的比值，这个比值越大越经济。
6、 重复性原则
所谓重复性原则指在同样条件下重复做同样的实验，观察实验结果应该是相同的。任何实验都必须要有足够的实验次数，才能判断结论的可靠性。如果设计的实验只能进行一次，而无法重复，那么通过它得出的结论是不可靠的。
科学探究中的实验设计
浙江省新昌县城关中学董明法（312500）
摘要：本文着重阐述了科学探究中实验设计能力的培养，通过掌握实验设计的基本方法、基本思路和基本原则来提高实验设计的能力。
关键词：实验设计 基本方法 基本思路 基本原则
科学探究是科学学习的内容，也是科学学习的目标。科学探究一般包括“提出问题——猜想与假设——制定计划——观察、实验——得出结论——评估与交流”等环节。“猜想与假设”是否正确，只有通过实验才能得到验证。实验能否顺利进行，能否得到正确的结果，科学合理的实验设计是不可或缺的。实验设计得好与差能很好地反映出一个人的实验能力，各类考试也非常重视实验设计这种题型。因此，通过让学生掌握科学探究中的实验设计的基本方法、基本思路、基本原则来提高他们的实验设计能力是非常必要的。
一、实验设计的基本方法
1、 比较法
所谓比较法是将一些科学现象或科学量放在一起进行对照、比较从而达到异中求同，同中求异的目的的一种方法。
例如，①研究物体的沉浮条件时，用重力相同的压偏的与中空的牙膏皮作比较；②斜面省力实验中，用不同倾角的斜面作对比，斜面与竖直面作对比；③科学实验中的测量就是待测量与同类科学量的标准量具或标准仪器直接或间接地进行比较，测出其量值：长度的测量就是拿待测物体与标准米尺进行直接比较的过程；天平测量质量的过程，实际上是把未知的质量与标准质量进行直接比较的过程。有些科学量难于直接比较，需要通过某种关系将待测量与某种标准量进行间接比较，求出其大小。如用温度计测温度，就是一种间接比较的过程。
2、 积累法
实验中有时需要测量一些微小科学量，由于量值太小，以至无法被实验者或仪器直接感觉和反映。此时可将被测的量进行积累，然后再进行测量。
例如用刻度尺测量一张纸的厚度，由于一张纸的厚度，无法用刻度尺直接测出，但是我们能用刻度尺直接测出100张纸的厚度，从而求出一张纸的厚度，这就是一种积累放大法。类似地，用天平测一枚大头针的质量，用秒表测出每次心跳的时间等都要用到积累法。
3、转化法
科学测量中常需测量一些不能直接测量和测不准的量，这时，需把不可直接测的量转化为可直接测的量，把测不准的量转化为测得准的量，进而求出待测量，这就是转化法。 例如密度这个量无法直接测量，我们可以先求出物质的质量和体积，再求出物质的密度；旗杆的高度不易直接测量，我们可以先求出它的影子的长度，与它平行的小竹杆的长度和小竹杆影子的长度，再通过相似三角形对应边成比例的性质求出旗杆的长度；物体的温度无法用眼睛直接看到，靠温觉感受器估计也测不准确，我们就可把物体的温度这个量转化为液柱的长度；电流表、电压表、欧姆表的设计者就是把无法直接看到的电流强度、电压、电阻转化为直接能看到的角度大小。
4、模拟法
在实际实验中，限于条件，有许多现象是不可能直接观察的，这时，人们依据相似理论，人为制造一个类同于研究对象的科学现象或过程，用模型的测试替代对实际对象的测试，这就是模拟法。
例如在研究生命的起源这一问题时，我们无法再拥有一个原始地球，即使能拥有原始地球，一个人的生命也无法跟踪原始生命形成所经历的时间，这时，我们就可以在一个容器内
充入与原始大气相同的气体，并模拟原始地球的条件，从而来观察所发生的变化，研究生命的起源。在研究家庭电路中保险丝在短路和总功率过大的情况下熔断及高压跨步触电等现象时也都可以采用模拟法。
5、着色法
所谓着色法指的是将无法形象、直观地显示出的科学过程和现象通过一定的手段能形象、直观地被显示出来的方法。
例如我们把红墨水滴入静止的热水和冷水中，观察分子扩散与温度的关系；把高锰酸钾放入正在加热的水中，观察水的对流情况；在空气中燃蚊香，来观察光在同一种均匀介质中的传播规律。
6、控制变量法
为了弄清事物变化的原因和规律，当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其它几个因素不变，集中研究其中一个因素变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。控制变量法的设计程序如下：
例如在研究铁生锈的条件有哪些时，就设计如图1所示的实验，通过观察A 、B 、C 三支试管内铁钉的生锈情况，从而得出铁生锈的条件；在研究种子萌发的条件时，把甲、乙两个各有三粒种子的装置分别放在温暖和寒冷的地方，如图所示。几天以后，只有甲装置中接触水面的那粒种子萌发的，其余的五粒种子都没有萌发，从而得出种子萌发的条件。
A B C
图1 图2
7、程序法
所谓程序法指的是在进行科学实验时，不管是仪器连接顺序，还是实验操作顺序都按照一定的规律进行的方法。在气体的制取及性质实验中常用该方法。仪器连接按“气体发生→除杂质→干燥→主体实验→尾气处理”的顺序进行，每一部分又按照“从下到上，从左到右”进行；实验操作“按连接仪器→检查气密性→装药品进行实验操作”的顺序进行。
浓H 2SO 4 例如：草酸晶体与浓硫酸共热可制得CO ，其化学方程式如下：H 2C 2O 4 ===== CO 2 △
↑+CO↑ +H2O ，现利用该反应制取CO 气体，并证明CO 的还原性，同时除去多余的CO 。其实验装置图如下图所示：A 装置为CO 的发生装置，B 装置为除CO 2的装置，C 装置为证明CO 2已除尽装置，E 装置为干燥装置，F 装置为证明CO 的还原性装置，G 装置为除去CO 尾气的装置。
A
二、实验设计的基本思路
在掌握了实验设计的基本方法后，如果不清楚实验设计的切入点，掌握实验设计的基本
1、 明确实验目的
明确测定什么量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点．
2、 分析实验原理
对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案、也即多种原理．即使是教材中关于某个实验目标的实验原理，也可能是许多原理中的一种，而且不一定是最佳的一种。在众多实验原理中，我们应该根据简便易行、安全可靠、科学精确、绿色环保等原则来选择原理。
3、 选择实验器材
实验原理选定之后，考虑该方案需要哪些装置，从而确定整个实验需要哪些器材． ４．拟定实验步骤
实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些步骤在先，哪些步骤在后，先观察什么，后观察什么，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。
三、实验设计的基本原则
实验设计有许多原则，下面这些原则，是最基本的原则，是任何实验设计都必须考虑的。
1、 科学性原则
所谓科学性是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离科学基本知识和基本原理以及其它学科领域的基本原则。科学性是设计实验成功的前提。
2、 可行性原则
在设计科学实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都要切实可行，这就是可行性原则。
3、 简便性原则
所谓简便性原则指在实验设计时，实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验操作过程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。
4、 安全性原则
安全性原则指的是在实验过程中不会对实验设备器材产生损坏，对人生安全产生危害，对环境产生污染。
5、 经济性原则
所谓经济性原则指的是实验设备、实验原料、消耗的能源化费少，人力时间短。必要时可以预测一下自己实验的产出和投入的比值，这个比值越大越经济。
6、 重复性原则
所谓重复性原则指在同样条件下重复做同样的实验，观察实验结果应该是相同的。任何实验都必须要有足够的实验次数，才能判断结论的可靠性。如果设计的实验只能进行一次，而无法重复，那么通过它得出的结论是不可靠的。