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1、第七讲实验研究法【教学目标】1、区分实验研究中的变量，2.帮助学生理解实验研究的一般程序。教教学重、难点】重点：受控实验的程序；难点：实验变量的区分。【教学方式】讲授、讨论【教学课时】1课时【教学准备】多媒体教学课件【教学过程】自变量和因变量自然科学类的课题中，我们有时需要用到实验的方法。那我们在用实验验证 某一假设时，常常需要涉及两个概念。这两个概念就是常量和变量。常量是在某一数学或自然科学问题的讨论过程中 （或在某些条件下）保持不变 的量。例如圆周率九13 14159,自然对数的底e=2 71828,它们都是常量。而 在社会科学研究中，常量是一个研究中所有个体都具有的特征和条件。 例如在一
2、 项比较两种不同教学方法对5年级学生学习成绩的效果的研究中，年级水平就是 一个常量，因为5年级这一特征对每一个个体都是相同的， 它是这个研究中不变 的条件。变量亦称“变数。在数学或自然科学问题的讨论中，可以取不同数值的量。如 物体运动所经过的距离是一个变量。引进变量的概念，就有可能用数学方法来描 述事物的量的变化。在社会科学研究中，变量是指不同的个体具有不同的价值或 条件的特征。例如，在研究两种不同的教学方法对5年级学生成绩的影响时，因 为不可能每个学生的成绩（分数）都相同，所以在这次成绩测量中，分数就是一个 变量。在这项研究中，科学方法也是一个变量，它包括两种教学方法。变量又分自变量和因变量
3、。因变量是随着自变量的改变而改变的。例如，指 示剂颜色的变化是随着溶液的酸碱性变化而变化的。当溶液呈酸性时，酚吹指示 剂呈无色；当溶液呈碱性时，酚吹指示剂呈红色。因此，溶液的酸碱性是自变量， 而酚吹指示剂的颜色变化是因变量。 在社会科学研究中，自变量常常是一个分类 变量。例如就教学方法和学生成绩而言， 教学方法是一个自变量，而学生成绩是 因变量。不同的教学方法可能会导致不同的成绩。 成绩是随着教学方法的不同而 发生变化的，所以，后者取决于前者。例1研究课题：3年级男、女学生对自然课的学习态度常量：3年级学生自变量：学生性别-男、女因变量：学习自然课的学习态度的各类指标分数例2研究课题：枫树的叶
4、子为什么在秋天会变色 ？常量：枫树的叶子自变量：日照时间、温度等因变量：叶子的颜色在所有研究中，所研究的变量和条件必须是明确的，并且可以进行控制和测 量。实际上大多数的科学研究，尤其是自然科学的研究都是在寻找自变量和因变 量的因果关系。研究者常常先是寻找出影响整个事件的变量(我们也把它们称为影响因素)，然后限定自变量，只允许一个自变量按照实验意图进行变化，再观 察由于这一个自变量的变化所带来的因变量的变化，接下来可以考察其他变量， 如此继续，最终找出该事件变化的本质。这种在控制某一变量的条件下进行的实 验我们称之为受控实验。受控实验是寻找事件因果关系的一个很好的方法。例如在研究“实验室废弃物品
5、的利用”时，有同学选择了 从实验室制氢废液 中提取皓研”这个课题。其中，为了除去Fe2+,先将它氧化成Fe3+,然后调节溶 液的pH值至沉淀最完全。问题是溶液的pH值究竟应该调节到什么水平，Fe (OH)3的沉淀最完全？在这样一个问题中，溶液的pH值是一个自变量，Fe (OH)3的沉淀的量是一个 因变量。你可以设计一个实验来控制溶液的 pH值，将溶液的pH值调整到不同 的水平，然后测量Fe (OH)3,的沉淀的量，取最高值，其相应的pH值便是最佳 pH值。又如，在研究“污染物的生态效应”时，同学们设计和制作一个生态环境， 然后 分别注入不同的污染物，观察生物体的变化，这也是一个非常典型的受控实
6、验。对生物体生长造成影响的因素有很多， 如温度、压强、溶液中的各种物质及其浓 度、溶液的pH值等，这些因素都是变量，本实验只是改变溶液中的物质及其量， 而不改变其他变量，再观察生物体由该因素的影响而引起的变化，从而确定污染物与生物体成长的因果关系。实验是怎么做的案例：枫树的叶子为什么在秋天会变色？甲、乙两位学生为了回答“枫树的叶子为什么在秋天会变色？”这个问题而分别 进行了下列工作。甲、乙两学生共同的工作1 .分析季节变化会使枫树的外环境发生哪些方面的变化。结论是：温度、日 照时间会随着季节变化而变化。夏天温度最高，冬天温度最低；夏天日照时间最 长，冬天日照时间最短。2 .提出假设：A:枫叶变
7、色可能与温度有关。B:枫叶变色可能与日照时间有关。C:枫叶变色可能与温度和日照时间这两个因素都有关。甲学生的工作全年观察枫叶的颜色变化，可以选定一棵树，也可以选定许多树。每天收集 一片枫叶，然后记下当天的温度、白天时间的长短和枫叶的颜色。为了收集一套 数据，他必须等一个全年。为了重复这一结果，他又必须等下一个全年。他的结论只能是：枫叶在秋天这个季节颜色转红，此时温度范围在10-14C,日照时间平均为10小时。通过这种观察，他不能分清究竟是温度还是日照时间在起作用，或两个均在 起作用。因为温度和日照时间这两个影响因素同时在发生变化。如果能控制日照时间，而仅仅让温度变化；或控制温度，仅仅让日照时间
8、变化，进而观察结果，那么，你就能断定究竟是温度影响了枫叶的颜色，还是日照时间影响了枫叶的颜色；或者温度和日照时间都对枫叶颜色有影响， 还是两者均 没有影响。那么，如何来控制温度呢？这就是乙学生接下来进行的工作。乙学生的工作1 .设计将温度调节到秋天的温度。把一棵小枫树种在一个花盆里，并放入生长温室。尽管是夏天，室外温度很高，仍旧可以把生长温室调节到秋天的温度，白天约14C,夜晚约3C。2 .设计对比实验。如果确实看到了叶子颜色的变化，就能确定仅靠温度的变化便能使叶子发生 变化吗？毕竟实验室中的树和外界的树还是有差别的，实验中的枫树叶子的变红 是不是因为它生长在小的花盆中所引起的呢 ？是不是因为
9、自然光和温室中的光不 一样而引起的呢？这种不确定性表明必须设计一些更复杂些的实验，至少应该种两棵树。应该选择相似的树，且花盆的大小应该保持一致，把它们放置在相同的温室中，在同 一时间浇水。然后再做这样一个实验，一个保持在正常的夏季温度 （22C）,而另 一个的温度调节到秋天的温度（14C）。乙学生的工作与甲学生的工作有着本质的区别。他注重对影响因素的控制。他所有的实验设计都围绕着这样一个中心进行：控制其他影响因素，只让一个影 响因素变化，从而确定是否是该影响因素在起作用。这种实验我们就把它称为 受控实验”。乙学生的受控实验设计就是温室 A和温室B的设计。受控实验是自然科学研究中广泛采用的一种研
10、究方法。正是因为有了受控实验，科学才得以突飞猛进的发展。受控实验的优点在于影响因素是可以被严格控制的，人们可以按照自己的设 想去改变条件，以探清事物的发展规律。这种控制使得实验可以重复进行、 反复 验证，从而保证了实验结果不是出于某种巧合而得。以下是乙学生的实验记录和数据分析。他记下了这 21天中，不同条件下每一 棵树上绿叶的数量。温室A (14C)时间（天）13579111315171921绿叶的数 量 （片）5050504949484848484747温室B (22C)时间（天）13579111315171921绿叶的数 量 （片）5050494949494947474747结论：低温不是
11、颜色变化的唯一影响因素，因为在高温情况下，树叶仍旧变 色。这个结论证明甲、乙两学生先前的假设是错误的。这时候必须重新建立新的 假设。在科学上否定原先假设，建立新的假设是经常出现的事，因为许多有关自 然界的猜想都被证明是不正确的。 但这同时也是科学向前发展的一种方法， 因为 它指出了进一步实验的方向。例如，如果两种树上的叶子都没有改变颜色的话， 那就可能说明温度与树叶的颜色是无关的。或许枫叶变红与白天的时间长短有 关，或许与降雨量有关，或许与风的强度有关 这种新的假设又引发了进一步 的另一方面的受控实验。经过研究，科学家现在知道，低温和白天时间的长短这两个因素同时影响着 枫叶颜色的变化。除此以外，许多科学家认为，枫树本身的生物钟也影响着枫叶 颜色的变化。但是生物钟是如何影响枫叶颜色的 ？是什么样的化学物质触发了生 物钟的工作？至今人们还无法给予解答。如果你把生物作为你今后的专业方向， 或许你将再一次考虑这一问题。