科學探究實驗的方法論研究論文

時間：2021-01-26 10:03:26 論文我要投稿

科學探究實驗的方法論研究論文

　　初中科學的學習，其目標之一就是“必須體驗科學探究的過程，學會一定的科學思維方法，以解決自身學習、生活、工作和社會決策中遇到的問題”，而“突出科學探究”是科學新課程的五大基本理念之一，學會科學探究是新課程要實現的四大目標之一，也是科學新課程改革的一大亮點。

科學探究實驗的方法論研究論文

　　科學課程中明確列出了探究過程的六要素，分別是：

　　１．提出科學問題

　　２．進行猜想和假設

　　３．制定計劃，設計實驗

　　４．觀察和實驗，獲取事實和證據

　　５．檢驗和評價

　　６．表達和交流

　　但是，在學生科學探究能力的培養中，處核心地位的是實驗設計。其中所蘊含的科學性、可操作性和程序性是學生難于把握的。

　　按實驗在科學認識中的作用，可以把科學實驗分為析因實驗、對照實驗、中間實驗和模擬實驗。其中對照實驗探究對于培養學生科學探究能力有極大的重要價值。

　　一、對照實驗的過程分析

　　人類對自然的認識，不僅限于現象的認識，更要揭示其本質規律。實驗方法是一種科學認識事物本質的手段。

　　對照實驗過程：①對所觀察到的現象提出問題

　　②分析影響實驗現象的因素，作出各種假設

　　③分析現象產生的各種影響因素，確定各類變量，進行實驗設計，制訂可操作性的步驟。

　　④按設計好的程序進行實驗，對實驗現象——觀察到的和記錄的數據進行處理分析。

　　⑤歸納出實驗結論，確定上述假設的真偽。

　　⑥將實驗結論公布發表

　　二、實驗設計中的變量分析——無關變量（k）、實驗變量（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，長度l和橫截面積S有關

　　探究：導體電阻R的大小是否與材料有關

　　實驗設計中的變量分析：

　　無關變量：影響實驗現象的因素往往不止一個。當我們設計實驗時，往往要控制一些條件保持不變，只留下一個變量，這樣才有利于對實驗結果進行科學的歸因。

　　本例中，要比較電阻R與材料（電阻率）的關系，必須控制兩導體相同的長度l和相同的橫截面積，

　　無關變量：由于這時實驗結論得出與這兩個因素無關，故稱無關變量，它是基于實驗的目的而定的。在數學函數關系中，相當于常數K；

　　實驗變量：即自變量x，指實驗中由實驗者操縱的可變因素或條件。

　　本例中，即實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)，指實驗中由于實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，二者有因果關系，而無關變量是產生結果的條件。

　　以上分析，從物理學角度，導體電阻大小受導體材料、橫截面積、長度以及溫度的影響，它們的關系符合：R＝，當探究R與的關系時，可寫作：R＝·從數學函數關系來看，符合y=kx一次函數（即正比例關系），其中，應變量y是R,自變量x為,而k即。

　　如果要實驗探究R與S的關系，則符合y=,即R＝·。其中，常數k（無關變量）是，自變量x是導體橫截面積S，R是應變量y，可見，導體電阻R與導體橫截面積S之間成反比例關系。

　　三、變量分析思想在化學實驗中的應用

　　示例：湖州三中某206班的探究小組同學在學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、加熱時對酒精燈火焰大小的規定等等，使它們成為無關變量。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驗變量，即自變量x(也就是實驗變量)，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，在探究實驗中如何用可操作性的方法來檢測是很關鍵的：本實驗中，探究小組的同學用了如下的方法：

　　將氯酸鉀分解產生的氣體通入水槽中，看氣泡放出時的速率，觀察加了氧化銅的氯酸鉀加熱分解產生氧氣的速率，與不加氧化銅的那份氯酸鉀分解產生氧氣氣泡時速率有沒有改變。在此，同學們又發現，導管的長度和粗細也會影響氣泡產生的先后和速率，因此，采用了同樣粗細和長短的導管，這樣，使它們也成了無關變量加以控制，可見，變量分析出應該是個動態的過程。

　　最后，同學們設計的對比實驗如下：

　　①任取兩份相同質量的氯酸鉀，分別放入兩支相同的試管，在其中一份中加入經精確稱量的n克氧化銅粉末。

　　②將兩份氯酸鉀同時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。

　　③停止加熱、冷卻，將原先混有氧化銅的反應后的混合物加水溶解，心小過濾，得濾出物，洗滌并干燥。

　　④觀察濾出物的狀態和顏色。如果發現是黑色粉末狀固體，則繼續作如下操作：

　　⑤用天平稱出黑色粉末的質量，觀察并記錄，看是不是仍為n克。

　　⑥將濾出物和炭粉混合，在密閉容器中高溫加熱，將反應產生的氣體通人澄清石灰水中并觀察實驗現象。

　　結果預測：如果兩支試管中的氯酸鉀分解速率不一樣，且

　　Ⅰ：反應后稱量黑色固體粉末（即步驟⑤）仍為n 克；

　　Ⅱ：步驟⑥中實驗結果出現黑色粉末變紅色現象，且澄清石灰水變渾濁，說明氯酸鉀分解反應后，所加的氧化銅沒有被分解。

　　小結：以上對照組實驗變量分析可知，對照組實驗的函數本質是：y=f(x)，即反應變量y關于實驗變量x的函數，當然，作為y=f(x)中，無關變量k是隱含的，它作為對照實驗的控制條件，是同樣的。

　　四、生物探究實驗設計中的函數關系

　　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：實驗時除必要的無關變量控制外，還必須提供生物生存的最基本要素，如生存空間和食物來源以保證正常的生命代謝，不能讓生物都在病理條件下進行對照組實驗。

　　示例：湖州三中204班科學興趣小組的同學從池塘里撈取一些青蛙卵進行人工孵化，在適宜的溫度下孵化后，他們想用實驗探究一下甲狀腺激素對蝌蚪發育的影響。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`實驗設計，情況如下：

　　第一步：將兩個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，分別同時放入A和B兩個玻璃缸中。

　　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數天后觀察兩缸中蝌蚪的生長狀況。

　　沈老師一看哈哈一笑……現在我們來看沈老師的分析：

　　無關變量：兩個相同大小的玻璃缸、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。

　　實驗變量：一個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，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育狀況比較。

　　為什么會造成蝌蚪的死亡呢？從無關變量控制、實驗變量的設定和反應變量的檢測來看，似乎都沒有問題，但該小組同學忽略了一個生物活體實驗的基本點：蝌蚪在A、B兩玻璃缸中培養時，都沒有給與一定的食物（飼料），數天后，導致蝌蚪全部饑餓而死。

　　但是，在蝌蚪的選材上，沈老師還是表揚了該組同學：“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，生長勢相同的、同品種的，如果是高等動物，還必須考慮同一性別，因為，生物越高等，性別差異性就越大，而性別差異所帶來的生理差異必然會對有關生理學方面的探究實驗結轉帶來影響，從而使實驗不科學。

　　實驗小組的同學一聽，恍然大悟，他們改進了當初的實驗，在A、B兩個玻璃缸中都加一定量的飼料并進行定時定量喂飼，一段時間的培養后觀察，最終有了結果。

　　以下生物探究實驗的函數關系可描述為：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“無關變量”，也就是在非生物實驗同樣要控制的無關變量以外的變量。

　　同樣的錯誤在植物生理探究實驗中也會發生，如：

　　湖州三中有一小組在探究Mg元素是不是植物生長所必需的元素時，作了如下對照組設置：

　　第一步：取兩株相同生長勢、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光下培養，觀察結果。

　　結果預測：如果在B缸中的幼苗能正常生長，而在A缸中的幼苗不能正常生長，則證明鎂元素是植物生長所必需的元素。

　　這個小組的同學同樣沒有成功，數天后，兩株幼苗都枯黃而死。

　　其實，該同學的實驗變量應該如下設置：在A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，從函數關系統領對照組實驗的整個過程，只有本質的理解和掌握，才能使學生對于對照組實驗的原理、方法和程序設置，能隨時隨地隨材料的不同而作靈活應用，在探究實驗中培養自己的探究能力。