科學(xué)探究實(shí)驗的方法論研究論文
初中科學(xué)的學(xué)習，其目標之一就是“必須體驗科學(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、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)現的四大目標之一，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
�。常贫ㄓ媱�，設計實(shí)驗
�。矗^(guān)察和實(shí)驗，獲取事實(shí)和證據
�。担畽z驗和評價(jià)
�。叮磉_和交流
但是，在學(xué)生科學(xué)探究能力的培養中，處核心地位的是實(shí)驗設計。其中所蘊含的科學(xué)性、可操作性和程序性是學(xué)生難于把握的。
按實(shí)驗在科學(xué)認識中的作用，可以把科學(xué)實(shí)驗分為析因實(shí)驗、對照實(shí)驗、中間實(shí)驗和模擬實(shí)驗。其中對照實(shí)驗探究對于培養學(xué)生科學(xué)探究能力有極大的重要價(jià)值。
一、對照實(shí)驗的過(guò)程分析
人類(lèi)對自然的認識，不僅限于現象的認識，更要揭示其本質(zhì)規律。實(shí)驗方法是一種科學(xué)認識事物本質(zhì)的手段。
對照實(shí)驗過(guò)程：①對所觀(guān)察到的現象提出問(wèn)題
�、诜治鲇绊憣�(shí)驗現象的因素，作出各種假設
�、鄯治霈F象產(chǎn)生的各種影響因素，確定各類(lèi)變量，進(jìn)行實(shí)驗設計，制訂可操作性的步驟。
�、馨丛O計好的程序進(jìn)行實(shí)驗，對實(shí)驗現象——觀(guān)察到的和記錄的數據進(jìn)行處理分析。
�、輾w納出實(shí)驗結論，確定上述假設的真偽。
�、迣�(shí)驗結論公布發(fā)表
二、實(shí)驗設計中的變量分析——無(wú)關(guān)變量（k）、實(shí)驗變量（x）和反應變量（y）
現以導體電阻大小的影響因素為例加以說(shuō)明。
現象：不同導體的電阻大小不同
假設：導體的電阻R的大小可能與導體的材料，長(cháng)度l和橫截面積S有關(guān)
探究：導體電阻R的大小是否與材料有關(guān)
實(shí)驗設計中的變量分析：
無(wú)關(guān)變量：影響實(shí)驗現象的因素往往不止一個(gè)。當我們設計實(shí)驗時(shí)，往往要控制一些條件保持不變，只留下一個(gè)變量，這樣才有利于對實(shí)驗結果進(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，必須控制兩導體相同的長(cháng)度l和相同的橫截面積，
無(wú)關(guān)變量：由于這時(shí)實(shí)驗結論得出與這兩個(gè)因素無(wú)關(guān)，故稱(chēng)無(wú)關(guān)變量，它是基于實(shí)驗的目的而定的。在數學(xué)函數關(guān)系中，相當于常數K；
實(shí)驗變量：即自變量x，指實(shí)驗中由實(shí)驗者操縱的可變因素或條件。
本例中，即實(shí)驗操縱導體的材料應不同。如用鎳鉻合金絲和銅絲；
反應變量：從函數角度，即因（應）變量(y)，指實(shí)驗中由于實(shí)驗變量而引起的變化和結果。
本例中，由于材料不同而引起不同導體的電阻大小的不同，即電阻R的大小。
通常，實(shí)驗變量是變化的原因；反應變量是變化的結果，二者有因果關(guān)系，而無(wú)關(guān)變量是產(chǎn)生結果的條件。
以上分析，從物理學(xué)角度，導體電阻大小受導體材料、橫截面積、長(cháng)度以及溫度的影響，它們的關(guān)系符合：R＝，當探究R與的關(guān)系時(shí)，可寫(xiě)作：R＝·從數學(xué)函數關(guān)系來(lái)看，符合y=kx一次函數（即正比例關(guān)系），其中，應變量y是R,自變量x為,而k即。
如果要實(shí)驗探究R與S的關(guān)系，則符合y=,即R＝·。其中， 常數k（無(wú)關(guān)變量）是，自變量x是導體橫截面積S，R是應變量y，可見(jiàn)，導體電阻R與導體橫截面積S之間成反比例關(guān)系。
三、變量分析思想在化學(xué)實(shí)驗中的應用
示例：湖州三中某206班的探究小組同學(xué)在學(xué)習了催化劑的知識后，他們想研究氧化銅能否在氯酸鉀的受熱分解反應中起催化劑的作用。
提出問(wèn)題：氧化銅是否在氯酸鉀分解制氧氣中充當了催化劑的作用？
作出假設：氧化銅在氯酸鉀分解制氧氣中充當了催化劑的作用。
反應變量檢測原理：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、反應容器的大小、加熱時(shí)對酒精燈火焰大小的規定等等，使它們成為無(wú)關(guān)變量。而在一支試管（充當反應容器）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)驗變量，即自變量x(也就是實(shí)驗變量)，至于反應變量，當然是氯酸鉀分解所得氧氣的速率大小了。但是，對于反應變量，在探究實(shí)驗中如何用可操作性的方法來(lái)檢測是很關(guān)鍵的：本實(shí)驗中，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(guān)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，導管的長(cháng)度和粗細也會(huì )影響氣泡產(chǎn)生的先后和速率，因此，采用了同樣粗細和長(cháng)短的導管，這樣，使它們也成了無(wú)關(guān)變量加以控制，可見(jiàn)，變量分析出應該是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。
最后，同學(xué)們設計的對比實(shí)驗如下：
�、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(guān)察放出氣體的快慢。
�、弁Ｖ辜訜�、冷卻，將原先混有氧化銅的反應后的混合物加水溶解，心小過(guò)濾，得濾出物，洗滌并干燥。
�、苡^(guān)察濾出物的狀態(tài)和顏色。如果發(fā)現是黑色粉末狀固體，則繼續作如下操作：
�、萦锰炱椒Q(chēng)出黑色粉末的質(zhì)量，觀(guān)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，將反應產(chǎn)生的氣體通人澄清石灰水中并觀(guān)察實(shí)驗現象。
結果預測：如果兩支試管中的氯酸鉀分解速率不一樣，且
�、瘢悍磻蠓Q(chēng)量黑色固體粉末（即步驟⑤）仍為n 克；
�、颍翰襟E⑥中實(shí)驗結果出現黑色粉末變紅色現象，且澄清石灰水變渾濁，說(shuō)明氯酸鉀分解反應后，所加的氧化銅沒(méi)有被分解。
小結：以上對照組實(shí)驗變量分析可知，對照組實(shí)驗的函數本質(zhì)是：y=f(x)，即反應變量y關(guān)于實(shí)驗變量x的函數，當然，作為y=f(x)中，無(wú)關(guān)變量k是隱含的，它作為對照實(shí)驗的控制條件，是同樣的。
四、生物探究實(shí)驗設計中的函數關(guān)系
由于生命現象規律的探究對象是生物，因此，必須考慮生物材料的特殊性，主要表現在：實(shí)驗時(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條件下進(jìn)行對照組實(shí)驗。
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)驗探究一下甲狀腺激素對蝌蚪發(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，培養數天后發(fā)現，兩只玻璃缸中的蝌蚪相繼死亡。他們去請教了教他們的沈老師，她看了他們的`實(shí)驗設計，情況如下：
第一步：將兩個(gè)相同大小的玻璃缸分別貼上標簽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(yíng)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數天后觀(guān)察兩缸中蝌蚪的生長(cháng)狀況。
沈老師一看哈哈一笑……現在我們來(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。
實(shí)驗變量：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)驗變量的設定和反應變量的檢測來(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)驗的基本點(diǎn)：蝌蚪在A(yíng)、B兩玻璃缸中培養時(shí)，都沒(méi)有給與一定的食物（飼料），數天后，導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)一步強調：生物材料的選擇上，必須是健康、正常的普通材料，生長(cháng)勢相同的、同品種的，如果是高等動(dòng)物，還必須考慮同一性別，因為，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 )對有關(guān)生理學(xué)方面的探究實(shí)驗結轉帶來(lái)影響，從而使實(shí)驗不科學(xué)。
實(shí)驗小組的同學(xué)一聽(tīng)，恍然大悟，他們改進(jìn)了當初的實(shí)驗，在A(yíng)、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)間的培養后觀(guān)察，最終有了結果。
以下生物探究實(shí)驗的函數關(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)驗同樣要控制的無(wú)關(guān)變量以外的變量。
同樣的錯誤在植物生理探究實(shí)驗中也會(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(cháng)所必需的元素時(shí)，作了如下對照組設置：
第一步：取兩株相同生長(cháng)勢、相同品種的幼苗；
第二步：再取兩只相同的玻璃缸，一只標記為A，另一只標記為B；
第三步：在A(yíng)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，觀(guān)察結果。
結果預測：如果在B缸中的幼苗能正常生長(cháng)，而在A(yíng)缸中的幼苗不能正常生長(cháng)，則證明鎂元素是植物生長(cháng)所必需的元素。
這個(gè)小組的同學(xué)同樣沒(méi)有成功，數天后，兩株幼苗都枯黃而死。
其實(shí)，該同學(xué)的實(shí)驗變量應該如下設置：在A(yíng)缸中加完全培養液，而在B缸中加完全培養液減去鎂元素的培養液。
可見(jiàn)，從函數關(guān)系統領(lǐng)對照組實(shí)驗的整個(gè)過(guò)程，只有本質(zhì)的理解和掌握，才能使學(xué)生對于對照組實(shí)驗的原理、方法和程序設置，能隨時(shí)隨地隨材料的不同而作靈活應用，在探究實(shí)驗中培養自己的探究能力。
【參考書(shū)目】
《中學(xué)生物教學(xué)》2002年七-八合期
p57:用實(shí)驗設計理論指導高三實(shí)驗復習 作者:周李鄰
《中學(xué)生物教學(xué)》2004年七-八合期
p49:函數關(guān)系與生物實(shí)驗設計 作者:陳利民
《初中探究型課程導師指導手冊》上�？萍冀逃霭嫔�
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