学案五 实 验 法
作者: 来源: 发布时间:2012年05月23日 点击数:

 一、概念

实验方法和观察方法相比较所不同的是,实验方法是指人们根据一定的科学研究目的,利用科学仪器设备,在人为控制或模拟的特定条件下,排除各种干扰,对研究对象进行观察的方法。
  受控实验法又叫做实验性研究法,通过对某些影响实验结果的无关因素加以控制,系统地操纵某些实验条件,然后观测与这些实验条件相伴随现象的变化,从而确定条件与现象之间的因果关系的一种研究方法。
  二、特点
  1、主动变革性
  要求主动操纵实验条件,人为地改变对象的存在方式、变化过程,使它服从于认识的需要。可以人为地创造条件,对某些在自然观察中不易观察到的情景进行研究,从而扩大研究范围。
  2、控制性
  要求根据研究的需要,借助各种方法、技术,减少或者消除各种可能影响科学性的无关因素的干扰。可以以比较严密的程序组织研究,便于重复验证,提高结论的科学性。
  3、因果性
  实验已发现:确认事物之间的因果联系为直接宗旨和主要任务,本质上是按因果推论、逻辑设计与实施的,它是提示事物间的因果联系的有效工具和必要途径。能预设实验条件,并能测量有关事物,测量结果比较可靠、精确,往往能说明问题。但实验性研究也有它的局限性,如只能是对提纯的变量而言,实验中常常可能是某些无法控制的因素在起作用,影响对实验结果的明确解释,对研究者必须具备有关素质与准备,其科研能力、知识经验、技术水平的要求较高。
  三、运用受控实验法的先决条件
  受控实验法研究必须考虑几个先决条件:一是研究者必须有一个关于解决某一问题的设想或初步的、特征的理论。二是研究者必须查阅关于这一问题的有关资料,看看在这个问题上前人是否已经提出了同样的假设并进行过实验。三是在实验之前,不仅要看客观条件是否具备,还要看主观条件如何,如实验者对实验方法和技术掌握的程度,实验合作者的业务水平和对实验的态度和意愿等。
  受控实验法研究一般可分为实验的准备、实验的实施、实验的总结与评价三个步骤。它一般可以采取单组实验法、筹组实验法和循环实验法三种方法,具体可采用随机取样、测量选择、逐个分配等手段进行。
  四、理解实验中常量和三种变量
  1、常量
  在实验中始终保持不变的量就是常量。例如,常数、选定的数目(定数)等。在人文科学研究中,常量是指专题中研究群体内所有个体都具有的特征和条件。
  2、变量
  变量是随着条件、情景的变化而在数量或类型上起变化的人或事物的特征或方面。
  (1)自变量。自变量是实验者操纵的假定的原因变量。例如,有几种不同的营养配餐,考察它对学生微量元素的摄入影响有没有显著的差异。在这里,不同的营养配餐就是实验的自变量。自变量可以处在不同的变化状态之中,如不同的营养配餐就有甲、乙、丙、丁等不同类型,它是自变量变化程度的规定。我们要解决的问题不是不用营养配餐,而是采用哪种营养配餐能更好地促进学生对微量元素的摄入。
  (2)因变量。因变量是一种假定的结果变量,它是实验变量作用于实验对象之后所出现的效果变量。实验因变量必须具有一定的可测性。例如,上述研究中的“学生微量元素的摄入”的差异就是因变量。
(3)无关变量。那些不是实验所需要研究的自变量与因变量之外的一切变量通称为该实验研究的无关变量。例如,上述研究中的不同的营养配餐之外的课间零食、晚间自备加餐和节假日加餐等一切可能影响“学生微量元素的摄入”的因素都是该实验的无关变量。因此,对无关变量必须加以控制,使其基本保持不变,否则,对实验结果将带来影响。
 五、 实验法的基本类型
随着自然科学的不断进步、实验手段的日益提高,实验方法的种类也越来越多。按照科学实验方法的不同方面,可以分为许多种类型。
①以实验在科学研究过程中的不同作用进行分类,可以分为析因实验、判决实验、探索实验、比较(对照)实验、中间实验等。
析因实验是指为了寻找引起某些变化或结果的原因而安排的实验。它的特点是从已知的结果中去找出未知的原因。科学史上这种例子很多。如二十世纪初,法国细菌学科尼科尔根据医院里斑疹伤寒病人经过卫生措施而没有传播这一事实断定,这种病是以体虱为媒介的,后来经过实验证实了这一推断。
判决实验是指为了判定某种假说是否正确而安排的实验。它的特点是能够宣判这一假说的前途命运。经过这类实验,假说就可以被证实或被否定。如吴健友将钴60冷却到0.01K的情况下,排除了热运动的干扰所作的实验就是对杨振宁、李政道提出的微观粒子在弱相互作用下宇称不守恒假说的一种判决实验。
探索实验是指创设一定的条件来达到某一目的而安排的实验。它的特点是从已知的原因来发现它将产生的未知结果。如英国科学家戴维(1778——1829)在真空中使两决冰在水的冰点上互相摩擦,结果冰融化了,证明了冰融化所要求的热是由于摩擦产生的,推翻了“热素”说。
比较(对照)实验是指两个或两个以上的相似组群进行比较,一个是“对照”组,作为比较的标准;另一个是试验组,是进行某种试验而采取的一些措施,通过一些实验步骤,然后观察其结果,与“对照”组进行比较,得出这种措施对研究对象所产生的影响。这种方法的特点往往运用于生命科学中,如医药学中新研制的药品疗效的试验,农业科学研究中的田间试验等。
中间实验是指在科学研究中已取得初步成效,在生产应用前必须进行的一种模拟生产条件的实验。这种实验方法一般应用于农业科学研究和工程技术试验中比较复杂、规模又比较大的研究项目,以便通过中间实验来最后确定其科研成果能否应用于生产的科学价值。
②从实验结果的性质进行分类,可以分为定性实验、定量实验和结构分析实验。
定性实验是指为了测定研究对象的性质及其组成部分而安排的实验。其目的就是为了判定某种组成部分是否存在,或是否起作用。它的特点是回答“有没有”或者“是不是”等问题。这种实验在科学研究中经常使用。科学史上很多著名的实验都属于定性实验,如戴维用氧化二氮作麻醉剂的实验,美国科学家富兰克林揭开雷电之谜的实验等等。
定量实验是指在测定研究对象的组成成分的基础上,进一步测定各组成成分之间的数量关系,确定含有某一组成成分的数值等实验。在化学实验中,往往不仅要了解某一化合物的化学组分,而且在此基础上还要进一步确定其各组分的含量,或者了解化学反应中各组分参与反应的消耗量,或者了解各组分的最佳配方比例等等。在物理学实验中往往要确定某一物质的物理特性,如溶点、沸点、冰点以及其他一些物理学常用数值等,这些都属于定量实验的范围。法国化学家拉瓦锡就是在大量定量实验基础上,建立氧化还原理论的。
定性实验和定量实验虽然是不同性质的实验,但是它们之间又是不可割裂的。定性实验是定量实验的基础,只有在确定了某一物质的组成成分以后,才能进一步测定其含有的数值。同时,也只有经过定量实验,才能对这一物质的整体性质有所了解。因此,从定性实验发展到定量实验,这是认识不断深化的表现。特别当定量实验与数学方法相结合之后,它在科学技术发展过程中的作用日益突出,运用的范围也日益广泛,这是现代科学技术发展的重要特点之一。
实验方法离不开仪器的帮助,而仪器的精密度直接影响实验的效果,这对定量实验尤为突出。定量实验的精确与否,又会直接引起研究对象性质判别上的差异。
结构分析实验是指为了测定研究对象的空间结构状况并对其进行分析而安排的实验。它既有定性的一面,也有定量的一面。如沃森—克里克的DNA双螺旋结构的发现,苯结构的实验等等,都属于这一类。
实验方法还可以按照实验场所的不同进行分类,如地面实验、空间实验、地下实验等。还可以按照实验对象的不同进行分类,如化学实验、物理实验、生物实验等。总之,实验方法根据其分类的标准不同可以进行多种区分。并且随着生产的发展和科学技术的进步,实验方法的种类将不断丰富。
 
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