科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的方法論研究論文
初中科學(xué)的學(xué)習(xí)，其目標(biāo)之一就是“必須體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)會(huì)一定的科學(xué)思維方法，以解決自身學(xué)習(xí)、生活、工作和社會(huì)決策中遇到的問(wèn)題”，而“突出科學(xué)探究”是科學(xué)新課程的五大基本理念之一，學(xué)會(huì)科學(xué)探究是新課程要實(shí)現(xiàn)的四大目標(biāo)之一，也是科學(xué)新課程改革的一大亮點(diǎn)。
科學(xué)課程中明確列出了探究過(guò)程的六要素，分別是：
�。保岢隹茖W(xué)問(wèn)題
�。玻M(jìn)行猜想和假設(shè)
３．制定計(jì)劃，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
�。矗^察和實(shí)驗(yàn)，獲取事實(shí)和證據(jù)
�。担畽z驗(yàn)和評(píng)價(jià)
�。叮磉_(dá)和交流
但是，在學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)中，處核心地位的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中所蘊(yùn)含的科學(xué)性、可操作性和程序性是學(xué)生難于把握的。
按實(shí)驗(yàn)在科學(xué)認(rèn)識(shí)中的作用，可以把科學(xué)實(shí)驗(yàn)分為析因?qū)嶒?yàn)、對(duì)照實(shí)驗(yàn)、中間實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)。其中對(duì)照實(shí)驗(yàn)探究對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力有極大的重要價(jià)值。
一、對(duì)照實(shí)驗(yàn)的過(guò)程分析
人類(lèi)對(duì)自然的認(rèn)識(shí)，不僅限于現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，更要揭示其本質(zhì)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)方法是一種科學(xué)認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的手段。
對(duì)照實(shí)驗(yàn)過(guò)程：①對(duì)所觀察到的現(xiàn)象提出問(wèn)題
�、诜治鲇绊憣�(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的因素，作出各種假設(shè)
③分析現(xiàn)象產(chǎn)生的各種影響因素，確定各類(lèi)變量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，制訂可操作性的步驟。
�、馨丛O(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——觀察到的和記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
⑤歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，確定上述假設(shè)的真?zhèn)巍?/p>
�、迣�(shí)驗(yàn)結(jié)論公布發(fā)表
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的變量分析——無(wú)關(guān)變量（k）、實(shí)驗(yàn)變量（x）和反應(yīng)變量（y）
現(xiàn)以導(dǎo)體電阻大小的影響因素為例加以說(shuō)明。
現(xiàn)象：不同導(dǎo)體的電阻大小不同
假設(shè)：導(dǎo)體的電阻R的大小可能與導(dǎo)體的材料，長(zhǎng)度l和橫截面積S有關(guān)
探究：導(dǎo)體電阻R的大小是否與材料有關(guān)
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的變量分析：
無(wú)關(guān)變量：影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的因素往往不止一個(gè)。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往要控制一些條件保持不變，只留下一個(gè)變量，這樣才有利于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的歸因。
本例中，要比較電阻R與材料（電阻率）的關(guān)系，必須控制兩導(dǎo)體相同的長(zhǎng)度l和相同的橫截面積，
無(wú)關(guān)變量：由于這時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出與這兩個(gè)因素?zé)o關(guān)，故稱(chēng)無(wú)關(guān)變量，它是基于實(shí)驗(yàn)的目的而定的。在數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系中，相當(dāng)于常數(shù)K；
實(shí)驗(yàn)變量：即自變量x，指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者操縱的可變因素或條件。
本例中，即實(shí)驗(yàn)操縱導(dǎo)體的材料應(yīng)不同。如用鎳鉻合金絲和銅絲；
反應(yīng)變量：從函數(shù)角度，即因（應(yīng)）變量(y)，指實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)變量而引起的變化和結(jié)果。
本例中，由于材料不同而引起不同導(dǎo)體的電阻大小的不同，即電阻R的大小。
通常，實(shí)驗(yàn)變量是變化的原因；反應(yīng)變量是變化的結(jié)果，二者有因果關(guān)系，而無(wú)關(guān)變量是產(chǎn)生結(jié)果的條件。
以上分析，從物理學(xué)角度，導(dǎo)體電阻大小受導(dǎo)體材料、橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度的影響，它們的關(guān)系符合：R＝，當(dāng)探究R與的關(guān)系時(shí)，可寫(xiě)作：R＝·從數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來(lái)看，符合y=kx一次函數(shù)（即正比例關(guān)系），其中，應(yīng)變量y是R,自變量x為,而k即。
如果要實(shí)驗(yàn)探究R與S的關(guān)系，則符合y=,即R＝·。其中， 常數(shù)k（無(wú)關(guān)變量）是，自變量x是導(dǎo)體橫截面積S，R是應(yīng)變量y，可見(jiàn)，導(dǎo)體電阻R與導(dǎo)體橫截面積S之間成反比例關(guān)系。
三、變量分析思想在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
示例：湖州三中某206班的探究小組同學(xué)在學(xué)習(xí)了催化劑的知識(shí)后，他們想研究氧化銅能否在氯酸鉀的受熱分解反應(yīng)中起催化劑的作用。
提出問(wèn)題：氧化銅是否在氯酸鉀分解制氧氣中充當(dāng)了催化劑的作用？
作出假設(shè)：氧化銅在氯酸鉀分解制氧氣中充當(dāng)了催化劑的作用。
反應(yīng)變量檢測(cè)原理：氧化銅的存在改變了氯酸鉀的分解速率。
變量分析：影響氯酸鉀分解速率的因素，可能有氯酸鉀的用量大小、反應(yīng)容器的大小、加熱時(shí)對(duì)酒精燈火焰大小的規(guī)定等等，使它們成為無(wú)關(guān)變量。而在一支試管（充當(dāng)反應(yīng)容器）中加入一定量的氧化銅粉末，另一支試管中不加氧化銅粉末，這樣，使加與不加氧化銅作為實(shí)驗(yàn)變量，即自變量x(也就是實(shí)驗(yàn)變量)，至于反應(yīng)變量，當(dāng)然是氯酸鉀分解所得氧氣的速率大小了。但是，對(duì)于反應(yīng)變量，在探究實(shí)驗(yàn)中如何用可操作性的方法來(lái)檢測(cè)是很關(guān)鍵的：本實(shí)驗(yàn)中，探究小組的同學(xué)用了如下的方法：
將氯酸鉀分解產(chǎn)生的氣體通入水槽中，看氣泡放出時(shí)的速率，觀察加了氧化銅的氯酸鉀加熱分解產(chǎn)生氧氣的速率，與不加氧化銅的那份氯酸鉀分解產(chǎn)生氧氣氣泡時(shí)速率有沒(méi)有改變。在此，同學(xué)們又發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管的長(zhǎng)度和粗細(xì)也會(huì)影響氣泡產(chǎn)生的先后和速率，因此，采用了同樣粗細(xì)和長(zhǎng)短的導(dǎo)管，這樣，使它們也成了無(wú)關(guān)變量加以控制，可見(jiàn)，變量分析出應(yīng)該是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。
最后，同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下：
�、偃稳煞菹嗤|(zhì)量的氯酸鉀，分別放入兩支相同的試管，在其中一份中加入經(jīng)精確稱(chēng)量的n克氧化銅粉末。
�、趯煞萋人徕浲瑫r(shí)在相同的條件下正確加熱，將放出的氣體通入水中觀察放出氣體的快慢。
�、弁Ｖ辜訜帷⒗鋮s，將原先混有氧化銅的反應(yīng)后的混合物加水溶解，心小過(guò)濾，得濾出物，洗滌并干燥。
�、苡^察濾出物的狀態(tài)和顏色。如果發(fā)現(xiàn)是黑色粉末狀固體，則繼續(xù)作如下操作：
�、萦锰炱椒Q(chēng)出黑色粉末的質(zhì)量，觀察并記錄，看是不是仍為n克。
�、迣V出物和炭粉混合，在密閉容器中高溫加熱，將反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通人澄清石灰水中并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
結(jié)果預(yù)測(cè)：如果兩支試管中的氯酸鉀分解速率不一樣，且
�、瘢悍磻�(yīng)后稱(chēng)量黑色固體粉末（即步驟⑤）仍為n 克；
�、颍翰襟E⑥中實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)黑色粉末變紅色現(xiàn)象，且澄清石灰水變渾濁，說(shuō)明氯酸鉀分解反應(yīng)后，所加的氧化銅沒(méi)有被分解。
小結(jié)：以上對(duì)照組實(shí)驗(yàn)變量分析可知，對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的函數(shù)本質(zhì)是：y=f(x)，即反應(yīng)變量y關(guān)于實(shí)驗(yàn)變量x的函數(shù)，當(dāng)然，作為y=f(x)中，無(wú)關(guān)變量k是隱含的，它作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)的控制條件，是同樣的。
四、生物探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的函數(shù)關(guān)系
由于生命現(xiàn)象規(guī)律的探究對(duì)象是生物，因此，必須考慮生物材料的特殊性，主要表現(xiàn)在：實(shí)驗(yàn)時(shí)除必要的無(wú)關(guān)變量控制外，還必須提供生物生存的最基本要素，如生存空間和食物來(lái)源以保證正常的生命代謝，不能讓生物都在病理?xiàng)l件下進(jìn)行對(duì)照組實(shí)驗(yàn)。
示例：湖州三中204班科學(xué)興趣小組的同學(xué)從池塘里撈取一些青蛙卵進(jìn)行人工孵化，在適宜的溫度下孵化后，他們想用實(shí)驗(yàn)探究一下甲狀腺激素對(duì)蝌蚪發(fā)育的影響。他們的思路是：利用所孵化的蝌蚪，提供相同的玻璃缸兩只，甲狀腺激素制劑少量和池水若干，培養(yǎng)數(shù)天后發(fā)現(xiàn)，兩只玻璃缸中的蝌蚪相繼死亡。他們?nèi)フ?qǐng)教了教他們的沈老師，她看了他們的`實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，情況如下：
第一步：將兩個(gè)相同大小的玻璃缸分別貼上標(biāo)簽A和B，分別放入等量池水。
第二步：取他們用同一批卵孵化的、健康狀況良好且正常的蝌蚪各一百只，分別同時(shí)放入A和B兩個(gè)玻璃缸中。
第三步：在A玻璃缸中加入了少量的甲狀腺激素制劑，而在B玻璃缸中不加甲狀腺激素制劑。
第四步：放在相同的溫度下培養(yǎng)數(shù)天后觀察兩缸中蝌蚪的生長(zhǎng)狀況。
沈老師一看哈哈一笑……現(xiàn)在我們來(lái)看沈老師的分析：
無(wú)關(guān)變量：兩個(gè)相同大小的玻璃缸、等量池水、同一批卵孵化的、健康狀況良好且正常的蝌蚪，相同的溫度下培養(yǎng)。
實(shí)驗(yàn)變量：一個(gè)玻璃缸中加了少量的甲狀腺激素制劑（激素具有高效作用特點(diǎn)，所以，只加少量即可），而在B玻璃缸中不加甲狀腺激素制劑。
反應(yīng)變量：A、B兩玻璃缸中蝌蚪的發(fā)育狀況比較。
為什么會(huì)造成蝌蚪的死亡呢？從無(wú)關(guān)變量控制、實(shí)驗(yàn)變量的設(shè)定和反應(yīng)變量的檢測(cè)來(lái)看，似乎都沒(méi)有問(wèn)題，但該小組同學(xué)忽略了一個(gè)生物活體實(shí)驗(yàn)的基本點(diǎn)：蝌蚪在A、B兩玻璃缸中培養(yǎng)時(shí)，都沒(méi)有給與一定的食物（飼料），數(shù)天后，導(dǎo)致蝌蚪全部饑餓而死。
但是，在蝌蚪的選材上，沈老師還是表?yè)P(yáng)了該組同學(xué)：“取他們用同一批卵孵化的、健康狀況良好且正常的蝌蚪各一百只”，沈老師進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：生物材料的選擇上，必須是健康、正常的普通材料，生長(zhǎng)勢(shì)相同的、同品種的，如果是高等動(dòng)物，還必須考慮同一性別，因?yàn)�，生物越高等，性別差異性就越大，而性別差異所帶來(lái)的生理差異必然會(huì)對(duì)有關(guān)生理學(xué)方面的探究實(shí)驗(yàn)結(jié)轉(zhuǎn)帶來(lái)影響，從而使實(shí)驗(yàn)不科學(xué)。
實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)一聽(tīng)，恍然大悟，他們改進(jìn)了當(dāng)初的實(shí)驗(yàn)，在A、B兩個(gè)玻璃缸中都加一定量的飼料并進(jìn)行定時(shí)定量喂飼，一段時(shí)間的培養(yǎng)后觀察，最終有了結(jié)果。
以下生物探究實(shí)驗(yàn)的函數(shù)關(guān)系可描述為：y=f(x)+b，其中，b就是指諸如食物、合適的溫度和pH等能保證生物基本生存的“無(wú)關(guān)變量”，也就是在非生物實(shí)驗(yàn)同樣要控制的無(wú)關(guān)變量以外的變量。
同樣的錯(cuò)誤在植物生理探究實(shí)驗(yàn)中也會(huì)發(fā)生，如：
湖州三中有一小組在探究Mg元素是不是植物生長(zhǎng)所必需的元素時(shí)，作了如下對(duì)照組設(shè)置：
第一步：取兩株相同生長(zhǎng)勢(shì)、相同品種的幼苗；
第二步：再取兩只相同的玻璃缸，一只標(biāo)記為A，另一只標(biāo)記為B；
第三步：在A中只加蒸餾水，在B中加蒸餾水和鎂元素（如氯化鎂）；
第四步：將兩株幼苗都放在陽(yáng)光下培養(yǎng)，觀察結(jié)果。
結(jié)果預(yù)測(cè)：如果在B缸中的幼苗能正常生長(zhǎng)，而在A缸中的幼苗不能正常生長(zhǎng)，則證明鎂元素是植物生長(zhǎng)所必需的元素。
這個(gè)小組的同學(xué)同樣沒(méi)有成功，數(shù)天后，兩株幼苗都枯黃而死。
其實(shí)，該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)變量應(yīng)該如下設(shè)置：在A缸中加完全培養(yǎng)液，而在B缸中加完全培養(yǎng)液減去鎂元素的培養(yǎng)液。
可見(jiàn)，從函數(shù)關(guān)系統(tǒng)領(lǐng)對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，只有本質(zhì)的理解和掌握，才能使學(xué)生對(duì)于對(duì)照組實(shí)驗(yàn)的原理、方法和程序設(shè)置，能隨時(shí)隨地隨材料的不同而作靈活應(yīng)用，在探究實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)自己的探究能力。
【參考書(shū)目】
《中學(xué)生物教學(xué)》2002年七-八合期
p57:用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí) 作者:周李鄰
《中學(xué)生物教學(xué)》2004年七-八合期
p49:函數(shù)關(guān)系與生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 作者:陳利民
《初中探究型課程導(dǎo)師指導(dǎo)手冊(cè)》上�？萍冀逃霭嫔�
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