科学探究实验的方法论研究论文

2021-01-26 论文

　　初中科学的学习，其目标之一就是“必须体验科学探究的过程，学会一定的科学思维方法，以解决自身学习、生活、工作和社会决策中遇到的问题”，而“突出科学探究”是科学新课程的五大基本理念之一，学会科学探究是新课程要实现的四大目标之一，也是科学新课程改革的一大亮点。

　　科学课程中明确列出了探究过程的六要素，分别是：

　　１．提出科学问题

　　２．进行猜想和假设

　　３．制定计划，设计实验

　　４．观察和实验，获取事实和证据

　　５．检验和评价

　　６．表达和交流

　　但是，在学生科学探究能力的培养中，处核心地位的是实验设计。其中所蕴含的科学性、可操作性和程序性是学生难于把握的。

　　按实验在科学认识中的作用，可以把科学实验分为析因实验、对照实验、中间实验和模拟实验。其中对照实验探究对于培养学生科学探究能力有极大的重要价值。

　　一、对照实验的过程分析

　　人类对自然的认识，不仅限于现象的认识，更要揭示其本质规律。实验方法是一种科学认识事物本质的手段。

　　对照实验过程：①对所观察到的现象提出问题

　　②分析影响实验现象的因素，作出各种假设

　　③分析现象产生的各种影响因素，确定各类变量，进行实验设计，制订可操作性的步骤。

　　④按设计好的程序进行实验，对实验现象——观察到的和记录的数据进行处理分析。

　　⑤归纳出实验结论，确定上述假设的真伪。

　　⑥将实验结论公布发表

　　二、实验设计中的变量分析——无关变量（k）、实验变量（x）和反应变量（y）

　　现以导体电阻大小的影响因素为例加以说明。

　　现象：不同导体的电阻大小不同

　　假设：导体的电阻R的大小可能与导体的材料，长度l和横截面积S有关

　　探究：导体电阻R的大小是否与材料有关

　　实验设计中的变量分析：

　　无关变量：影响实验现象的因素往往不止一个。当我们设计实验时，往往要控制一些条件保持不变，只留下一个变量，这样才有利于对实验结果进行科学的归因。

　　本例中，要比较电阻R与材料（电阻率）的关系，必须控制两导体相同的长度l和相同的横截面积，

　　无关变量：由于这时实验结论得出与这两个因素无关，故称无关变量，它是基于实验的目的而定的。在数学函数关系中，相当于常数K；

　　实验变量：即自变量x，指实验中由实验者操纵的可变因素或条件。

　　本例中，即实验操纵导体的材料应不同。如用镍铬合金丝和铜丝；

　　反应变量：从函数角度，即因（应）变量(y)，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。

　　本例中，由于材料不同而引起不同导体的电阻大小的不同，即电阻R的大小。

　　通常，实验变量是变化的原因；反应变量是变化的结果，二者有因果关系，而无关变量是产生结果的条件。

　　以上分析，从物理学角度，导体电阻大小受导体材料、横截面积、长度以及温度的影响，它们的关系符合：R＝，当探究R与的关系时，可写作：R＝·从数学函数关系来看，符合y=kx一次函数（即正比例关系），其中，应变量y是R,自变量x为,而k即。

　　如果要实验探究R与S的关系，则符合y=,即R＝·。其中，常数k（无关变量）是，自变量x是导体横截面积S，R是应变量y，可见，导体电阻R与导体横截面积S之间成反比例关系。

　　三、变量分析思想在化学实验中的应用

　　示例：湖州三中某206班的探究小组同学在学习了催化剂的知识后，他们想研究氧化铜能否在氯酸钾的受热分解反应中起催化剂的作用。

　　提出问题：氧化铜是否在氯酸钾分解制氧气中充当了催化剂的作用？

　　作出假设：氧化铜在氯酸钾分解制氧气中充当了催化剂的作用。

　　反应变量检测原理：氧化铜的存在改变了氯酸钾的分解速率。

　　变量分析：影响氯酸钾分解速率的因素，可能有氯酸钾的用量大小、反应容器的大小、加热时对酒精灯火焰大小的规定等等，使它们成为无关变量。而在一支试管（充当反应容器）中加入一定量的氧化铜粉末，另一支试管中不加氧化铜粉末，这样，使加与不加氧化铜作为实验变量，即自变量x(也就是实验变量)，至于反应变量，当然是氯酸钾分解所得氧气的速率大小了。但是，对于反应变量，在探究实验中如何用可操作性的方法来检测是很关键的：本实验中，探究小组的同学用了如下的方法：

　　将氯酸钾分解产生的气体通入水槽中，看气泡放出时的速率，观察加了氧化铜的氯酸钾加热分解产生氧气的速率，与不加氧化铜的那份氯酸钾分解产生氧气气泡时速率有没有改变。在此，同学们又发现，导管的长度和粗细也会影响气泡产生的先后和速率，因此，采用了同样粗细和长短的'导管，这样，使它们也成了无关变量加以控制，可见，变量分析出应该是个动态的过程。

　　最后，同学们设计的对比实验如下：

　　①任取两份相同质量的氯酸钾，分别放入两支相同的试管，在其中一份中加入经精确称量的n克氧化铜粉末。

　　②将两份氯酸钾同时在相同的条件下正确加热，将放出的气体通入水中观察放出气体的快慢。

　　③停止加热、冷却，将原先混有氧化铜的反应后的混合物加水溶解，心小过滤，得滤出物，洗涤并干燥。

　　④观察滤出物的状态和颜色。如果发现是黑色粉末状固体，则继续作如下操作：

　　⑤用天平称出黑色粉末的质量，观察并记录，看是不是仍为n克。

　　⑥将滤出物和炭粉混合，在密闭容器中高温加热，将反应产生的气体通人澄清石灰水中并观察实验现象。

　　结果预测：如果两支试管中的氯酸钾分解速率不一样，且

　　Ⅰ：反应后称量黑色固体粉末（即步骤⑤）仍为n 克；

　　Ⅱ：步骤⑥中实验结果出现黑色粉末变红色现象，且澄清石灰水变浑浊，说明氯酸钾分解反应后，所加的氧化铜没有被分解。

　　小结：以上对照组实验变量分析可知，对照组实验的函数本质是：y=f(x)，即反应变量y关于实验变量x的函数，当然，作为y=f(x)中，无关变量k是隐含的，它作为对照实验的控制条件，是同样的。

　　四、生物探究实验设计中的函数关系

　　由于生命现象规律的探究对象是生物，因此，必须考虑生物材料的特殊性，主要表现在：实验时除必要的无关变量控制外，还必须提供生物生存的最基本要素，如生存空间和食物来源以保证正常的生命代谢，不能让生物都在病理条件下进行对照组实验。

　　示例：湖州三中204班科学兴趣小组的同学从池塘里捞取一些青蛙卵进行人工孵化，在适宜的温度下孵化后，他们想用实验探究一下甲状腺激素对蝌蚪发育的影响。他们的思路是：利用所孵化的蝌蚪，提供相同的玻璃缸两只，甲状腺激素制剂少量和池水若干，培养数天后发现，两只玻璃缸中的蝌蚪相继死亡。他们去请教了教他们的沈老师，她看了他们的实验设计，情况如下：

　　第一步：将两个相同大小的玻璃缸分别贴上标签A和B，分别放入等量池水。

　　第二步：取他们用同一批卵孵化的、健康状况良好且正常的蝌蚪各一百只，分别同时放入A和B两个玻璃缸中。

　　第三步：在A玻璃缸中加入了少量的甲状腺激素制剂，而在B玻璃缸中不加甲状腺激素制剂。

　　第四步：放在相同的温度下培养数天后观察两缸中蝌蚪的生长状况。

　　沈老师一看哈哈一笑……现在我们来看沈老师的分析：

　　无关变量：两个相同大小的玻璃缸、等量池水、同一批卵孵化的、健康状况良好且正常的蝌蚪，相同的温度下培养。

　　实验变量：一个玻璃缸中加了少量的甲状腺激素制剂（激素具有高效作用特点，所以，只加少量即可），而在B玻璃缸中不加甲状腺激素制剂。

　　反应变量：A、B两玻璃缸中蝌蚪的发育状况比较。

　　为什么会造成蝌蚪的死亡呢？从无关变量控制、实验变量的设定和反应变量的检测来看，似乎都没有问题，但该小组同学忽略了一个生物活体实验的基本点：蝌蚪在A、B两玻璃缸中培养时，都没有给与一定的食物（饲料），数天后，导致蝌蚪全部饥饿而死。

　　但是，在蝌蚪的选材上，沈老师还是表扬了该组同学：“取他们用同一批卵孵化的、健康状况良好且正常的蝌蚪各一百只”，沈老师进一步强调：生物材料的选择上，必须是健康、正常的普通材料，生长势相同的、同品种的，如果是高等动物，还必须考虑同一性别，因为，生物越高等，性别差异性就越大，而性别差异所带来的生理差异必然会对有关生理学方面的探究实验结转带来影响，从而使实验不科学。

　　实验小组的同学一听，恍然大悟，他们改进了当初的实验，在A、B两个玻璃缸中都加一定量的饲料并进行定时定量喂饲，一段时间的培养后观察，最终有了结果。

　　以下生物探究实验的函数关系可描述为：y=f(x)+b，其中，b就是指诸如食物、合适的温度和pH等能保证生物基本生存的“无关变量”，也就是在非生物实验同样要控制的无关变量以外的变量。

　　同样的错误在植物生理探究实验中也会发生，如：

　　湖州三中有一小组在探究Mg元素是不是植物生长所必需的元素时，作了如下对照组设置：

　　第一步：取两株相同生长势、相同品种的幼苗；

　　第二步：再取两只相同的玻璃缸，一只标记为A，另一只标记为B；

　　第三步：在A中只加蒸馏水，在B中加蒸馏水和镁元素（如氯化镁）；

　　第四步：将两株幼苗都放在阳光下培养，观察结果。

　　结果预测：如果在B缸中的幼苗能正常生长，而在A缸中的幼苗不能正常生长，则证明镁元素是植物生长所必需的元素。

　　这个小组的同学同样没有成功，数天后，两株幼苗都枯黄而死。

　　其实，该同学的实验变量应该如下设置：在A缸中加完全培养液，而在B缸中加完全培养液减去镁元素的培养液。

　　可见，从函数关系统领对照组实验的整个过程，只有本质的理解和掌握，才能使学生对于对照组实验的原理、方法和程序设置，能随时随地随材料的不同而作灵活应用，在探究实验中培养自己的探究能力。