| 葉家棟
【文 / 課程及教學研究中心副研究員 葉家棟】
實驗設計不僅需靈活應用知識與實驗技能,而且必須掌握相關的科學方法(如假說–演繹法、假言推理、檢驗假說的方法、對照實驗、實驗條件的控制、實驗結果處理與表達等)。實驗設計能力是一種解決問題與創新能力的具體表現。由於科學實驗活動設計的相關著作相當少見,這使得教師自行設計實驗活動的工作,面臨挑戰。基本上,實驗設計包括四個要素:確定實驗目的及邏輯學原理、建立推理規則及對照實驗組、設計實驗步驟及推論可能的實驗結果和相應的實驗結論。例如:
問題:在常溫下,鐵在乾燥的空氣中很難跟氧氣發生化學反應。但是,鐵在潮濕空氣中卻能跟氧氣發生反應,生成鐵鏽,請你設計一個合理實驗步驟,驗證鐵生鏽需要水和氧氣,並提出可能的實驗結果和相應的實驗結論。
【設計思路分析】
一、確定實驗目的及邏輯學原理
實驗目的:「鐵生鏽需要水和氧」可設計成兩個假設的驗證實驗,分別為「鐵生鏽需要水」、「鐵生鏽需要氧氣」假設的驗證實驗;為了證明這兩個假設需使用反證法,如在沒有水的條件下,觀察鐵是否發生鏽蝕現象;從邏輯學原理來看,證明「A是B的必要條件」,即「水」是「鐵生繡」的必要條件,直接證明顯然證明不了,所以反過來證明「沒有水就沒有發生鐵生鏽現象」,相當於由「非A則非B」推論出「A是B的必要條件」。
二、建立推理規則及對照實驗組
(第一組)
大前提:如果鐵生鏽需要水(前件),那麼缺少水條件的鐵不會生成鐵鏽(後件)。
小前提:通過檢驗後件的真假。
結論:
若否定後件,則否定前件。
若肯定後件,則前件可能成立。
(第二組)
大前提:如果鐵生鏽需要氧氣(前件),那麼缺少氧氣條件的鐵不會生成鐵鏽(後件)。
小前提:通過檢驗後件的真假。
結論:
若否定後件,則否定前件。
若肯定後件,則前件可能成立。
運用比較思維法,把實驗組與對照組置於除實驗變量外其餘條件完全相同的情況下,所得的實驗結果不同,可歸因為實驗變量的作用。實驗設計策略:取三隻潔淨無鏽鐵釘,分別放入三個不同條件的試管內進行實驗,在試管中,使鐵釘與水和氧氣接觸(作為對照組),在試管中,使鐵釘只與水接觸(作為實驗組),在試管中,使鐵釘只與氧氣接觸(作為實驗組)。
三、設計實驗步驟
1. 在試管中把鐵釘放在一團濕棉花球上,使鐵釘與空氣和水接觸;
2. 在試管中放入鐵釘,注入經煮沸迅速冷卻的蒸餾水,蒸餾水要浸沒鐵釘,然後在水面上注入一層植物油,使鐵釘只與水接觸;
3. 在試管中加入少量乾燥劑(袋裝餅乾等食品中放的小袋中有氯化鈣乾燥劑),再放一團乾棉球,把鐵釘放在乾棉球上,塞緊橡皮塞,使鐵釘只與空氣接觸。
4. 注意每天觀察鐵釘鏽蝕的現象,連續觀察約一周。
四、推論可能的實驗結果和相應的實驗結論
1. 第一組實驗對照組:
(1)號和號試管的鐵釘皆無鏽蝕現象(或差異不顯著),則「鐵生鏽需要水」的假設不成立。
(2)號試管的鐵釘發生鏽蝕現象,號試管的鐵釘無鏽蝕現象(或差異顯著),則「鐵生鏽需要水」的假設成立;該實驗結果說明:鐵生鏽可能需要水。
(3)號和號試管的鐵釘皆發生鏽蝕現象(或差異不顯著),則「鐵生鏽需要水」的假設不成立。
2. 第二組實驗對照組:
(1)和號試管的鐵釘皆無鏽蝕現象(或差異不顯著),則「鐵生鏽需要氧氣」的假設不成立。
(2)號試管的鐵釘發生鏽蝕現象,號試管的鐵釘無鏽蝕現象(或差異顯著),則「鐵生鏽需要氧氣」的假設成立;該實驗結果說明:鐵生鏽可能需要氧氣。
(3)號和號試管的鐵釘皆發生鏽蝕現象(或差異不顯著),則「鐵生鏽需要氧氣」的假設不成立。