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| 实验的设计、实施、观察与记录
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更新时间：2003/12/2 作者：转载 苏晟宇 阅读：5915次 |
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实验方法（EXPERIMENTAL METHOD）是研究事物的一个重要方法。通过实验研究，探索规律，验证和检验基本原理和研究假设。
一、 实验研究法概论
近代自然科学是沿两个脉络发展的，这就是实验方法和数学方法。
在早期的人们认知世界的过程中，应用的较为广泛的是数学方法和分析推理。人们用数学的思想来探索和揭示世界，用分析推理来寻求事物的规律。数学方法的发展，最早可追溯到从笛卡尔（DECARL）到莱布尼兹（LEIBNIZ.GOTTFRIED WILHELM 1646-1716）时期的数学方法上的变革，从直观的几何思维向更抽象的代数思维过渡，数学作为进行演绎推理的方法论工具。但在长期的实践中发现仅仅依靠数学和想象有很多不完善之处，而一些勇敢的人为了弥补这些不足付出了惨重的代价甚至生命。
科学实验萌芽于人类早期的生产和生活中，后来逐渐分化出来，从十六世纪开始成为独立的社会实践形式。伽利略（GALILEO.GALILEI 1564-1642）第一个将实验引入到研究中，于是上演了 "两个铁球同时落地" 这一科学界最经典的一幕。弗朗西斯·培根（BACON.FRANCIS 1561-1626）一生致力于实验研究，并因为制定了"实验方法论"原则而被誉为"实验科学的始祖"。他们创立?QUOT;实验方法论"对近代科学的兴起和发展起到了关键的作用，其原理所包含的基本思想在现代的科学实验观念中大致都保留下来。
而牛顿（NEWTON.ISAAC 1642-1723）则创造性地把实验和数学相结合，把数学和逻辑相结合，归纳和演绎相结合，以其"哲学推理法则"的独创方式处理实验提供的经验材料，用数学--逻辑方法在经验基础上建立"实验哲学"。
二、 实验的分类
1． 定性实验
所谓定性实验，是判定研究对象具有哪些性质，或者鉴别某种因素是否存在，以及某些因素之间是否具有某种内在关系的一种实验方法。例如，光学中的光压实验、化学中测定物质中含有那些元素的定性分析实验等等，都属于定性实验。定性实验是一种基本的实验方法，也是一种重要的而且普遍运用的实验方法。在定性实验中，只要求人们对研究对象的性质做出回答，一般不涉及量的关系；要想对研究对象获得深入、全面的认识，就必须进行定量实验。
2． 定量实验
定量实验是用来测定某个研究对象的性质、组成及其它影响因素的数量值的一种实验方法。例如，物理学中焦耳测定热功当量的实验、汤姆逊测定电子荷质比的实验、密立根测定普朗克常数的实验、以及化学上经常应用的定量分析实验等等，都是定量实验。定量实验是以定性实验为基础的，只有确定了某些因素的性质，肯定或者否定某些因素是否存在，以及各个因素是否具有相互联系的特点之后，才能进一步安排定量实验。通过定量实验，有时会得到一些经验公式或经验定律。在科学研究中，将定量实验和数学方法相结合，是科学进步的显著标志之一。
3． 对照实验
所谓对照实验，是通过比较来揭示研究对象的某种性质或某种原因的一种实验方法。具体做法是，将实验研究对象作为"试验"组，同时另外设置一个"对照"组，以作为比较的对象和标准，然后通过某种实验步骤及对实验结果进行比较，从而判定"试验"组是否具有某种性质或影响。对照实验在科学研究领域中是一种经常采用的实验方法，它的一个基本要求是"对照"组和"试验"组的条件要尽可能的一致才有说服力。对照实验并不仅仅应用于自然科学之中，在社会科学中也经常用到。
4． 模拟实验
在科学技术研究中，有时由于受到主、客观条件的限制而不能对某些自然现象直接进行观察和实验，人们就常常借助于间接手段来进行实验，这种间接的实验手段就是模拟实验。模拟实验具有其他类型的实验所没有的一些特征。首先，模拟实验中研究的对象并不是自然界中的原型；其次，模拟实验中原型的替代品必须与原型具有很大的相似性；第三，得到的实验结论要通过人们的推理拓展回实验原型才具有说服力。所以，模拟实验可分为三个步骤：（1）选择或建立关于研究对象的物质模型；（2）将模型置于与原型相似的环境下进行实验；（3）将模拟实验的结果外推到原型中去。在这三步中，建立物质模拟模型是最中心环节。例如，人们对于生命起源的探索已经很多年了，但人们始终无法对这一自然现象进行直接验证，于是，人们在实验室中模拟原始大气和原始地球自然环境成功地合成出生命活动所必需的八种基础氨基酸，对物种起源问题做出了杰出的贡献。
三、 实验前的准备
古人云：凡事预则立，不预则废。预就是计划和准备。做任何事情都要有计划和准备，做实验当然也不例外，一项实验的成与败，很大程度上取决于实验前的准备
1． 实验内容的确立--发现与思考
是否有眼力，主要看选题；是否有能力，主要看构思。
发现与思考是进行一项科学研究的前提。世界上被树上的苹果砸到的人决不止牛顿一个，可是牛顿却发现了万有引力，因为他善于发现，勤于思考。善于观察，勤于思考就能发现身边的问题，提出质疑，并想办法解决问题。
2． 进行猜想和假设
将观察到的现象与自己熟悉的知识相联系，尝试用已知的一切知识来进行联系，并做出自己的推理和解释。
3． 查阅相关资料，汇集有用的信息，找到能证实自己假设的有利证据。
4． 进行实验方案的设计
①科学性原则
②可行性原则
③安全性原则
④简约性原则
⑤尽可能地孤立因素和固定条件
5． 实验方案的优选标准
①目的明确，效果明显，干扰因素少。例如，化学中检验HCL和H2SO4，尽量选用BACL2，而不用AGNO3，避免AG2SO4的干扰；检验BASO4的沉淀用稀HCL，而不用稀HNO3，避免BASO3被氧化造成的干扰。
②装置简易、合理。
③易操作，易控制，用料少，成本低廉。
④步骤简单，所用时间短（选用适当的催化剂）。
⑤无公害，有实际意义。
6． 实验用品的准备和使用
①可选用成型的仪器或装备
②可对现有装备中不合理之处进行改进
③可完全根据需要自制新的装备或仪器
四、 实验方案的实施
1．安装仪器和装备
在安装之前要仔细阅读有关的说明书，以保护仪器的完好和精密度。
2．首先进行尝试性实验
仪器设备安装完毕后，要进行若干次的尝试性实验。比如物理学电路实验时，要先进性试触。在研究中，大多数尝试性实验会遭到失败的厄运，但这很正常。要通过不懈的实验，修改实验方案，完善实验步骤，改进实验装置，积累实验经验，直到获得所需的实验结果，然后就可以转入正式的基本实验。
五、实验中可应用的方法
1．平行实验法
实验要有可重复性，也就是说一个实验做出来之后，数据可能并不准确，用同样的方法，在不同时间进行多次实验，如果得到相似的结论才有说服力。
2．变量实验法
假如一个实验中有多个变量的话，会增加实验的难度，我们可以将其中的一个变量加以控制，改变其余的变量进行实验和讨论，然后再将其余的变量分别加以控制，最终得到结论。也就是说实验要有可控性。
3．对照实验法
可以用空白实验与基本实验相对照以突出实验的特性，或用两组或多组同时进行的实验进行相互参照，从而得出结论。也就是说实验要有可比性。
六、 验的观察和记录
最重要的是要尊重客观事实，不能臆造是实验数据！实验的观察要准确到位，不要忽视细小环节。实验数据的记录一般设计成表格的形式，这样有利于快速准确的记录实验数据，便于实验数据的整理归纳。实验的原始数据具有很重要的意义，要保留，有利于疑问数据的查询和分析。实验中的意外现象具有参考价值，甚至是新的机遇，可能发现新的事物或萌芽--历史上的很多重大发现都来源于实验中的意外现象。当实验发生错误时，不要马上终止实验，把实验完成并记录，因为这也是客观事实，可能会对今后的探索研究产生影响。然后针对意外现象或错误实验进行对比实验和分组实验，筛选可能的影响因素，排除干扰条件。
七、 实验的误差分析
实验中的误差是不可避免的，我们不应回避这个问题。
1．系统误差：在测量中由未发现或未确定因素引起的误差。这些因素所造成的偏差方向始终不变，在同一实验中其大小及符号完全相同。
2．过失误差：在实验中主要由粗枝大叶或操作不正确、不规范等因素引起的误差。
3．偶然误差：是指在测量中的系统误差、过失无差异外尚无法控制的误差。
一般来说，实验者经过处理都可以克服系统误差和过失误差（例如在观测时，取随机化的空间和时间的观测次序）。然而，对于偶然误差则是无法避免的，但它可以用概率法加以处理来削弱。
八、补充说明一点，实验的设计和实施都应该在合理合法的基础上进行。例如有的同学得知"王水"可以溶解绝大多数金属时，出于好奇而将一枚钢崩放入王水中，实际上他在无意中已经违反了货币保护法中的有关规定。美国加州一位十一岁少年出于对化学和物理的酷爱，自制了一枚很小型的原子弹，虽然成就非凡，在当时引起了轰动，但他也在无意之间触犯了国家安全法规和武器管理法规，同时对自己和他身边的人造成伤害。所以大家在进行实验前要先进行周密的实验设计和实验方案的讨论，以避免上述情况发生，以免危及自己或危害别人。
九、 研究性课题
研究讨论"金魔力"冰绿茶饮料中制冷剂的成分。
"金魔力"冰绿茶在饮用之前，要先将瓶子一侧的活塞旋转360度，然后摇动2分钟，则饮料的温度可以达到冰点，之后再饮用，就起到冰镇饮料的效果。研究讨论在饮料夹层中的制冷剂的成分
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