驗證「二氧化硫對植物葉片有傷害作用」的實驗設計
| 葉家棟
【文 / 課程及教學研究中心副研究員 葉家棟】
科學實驗設計活動可促進學生對科學探究的方法、科學過程技能、分析推理及科學知識建構過程的瞭解。科學實驗設計不僅需要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）。科學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，科學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：關於植物葉片的異常現象，有人認為二氧化硫對植物葉片有傷害作用，也有人認為植物葉片的異常現象與二氧化硫沒有關係，請你設計一個合理的實驗步驟，檢驗上述兩種觀點提供證據；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
實驗目的是為了證明「植物葉片的異常現象是二氧化硫引起的」，為了證明這一個假設只需直接證明即可，也就是將植物置放在二氧化硫的環境，觀察植物葉片是否發生異常現象即可證明。從邏輯學原理來看，「證明A是B的充分條件」，即「植物接觸二氧化硫」是「植物葉片發生異常現象」的充分條件，所以只要直接證明「由A得B」即可。
二、建立推理規則及對照實驗組
大前提：如果植物葉片的異常現象是二氧化硫引起的（前件），那麼接觸二氧化硫的植物葉片會產生變黑、發黃等病症（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：選擇生長狀況相同黃瓜幼苗分為兩組，其中一組置放在有二氧化硫的玻璃罩內（作為實驗組），另一組置放在無二氧化硫的玻璃罩內（作為對照組），用以確定黃瓜幼苗葉片的異常現象不是來自其他來源；將兩組實驗置於適宜的條件下培養，定時觀察黃瓜幼苗葉片的生長情況，並相互進行比較。
三、設計實驗步驟
1. 將2盆黃瓜幼苗分別放在玻璃板中央，罩上玻璃罩，並標號。
2. 在一個小燒杯中加入一定量的亞硫酸鈉和稀硫酸，放入1號玻璃罩內，取另一個小燒杯中加入等量的清水，放入2號玻璃罩內。用凡士林密封兩個裝置。
3. 將兩個裝置同時放在光照、溫度等條件相同的適宜環境中。
4. 定時觀察黃瓜幼苗葉片的生長情況，並記錄。
四、推論可能的實驗結果和相應的實驗結論
1.
1號和2號幼苗的葉片均正常（或差異不顯著），則植物葉片的異常現象是二氧化硫引起的假設不成立（若否定後件，則否定前件）；該實驗結果說明：該種植物葉片不受二氧化硫的影響或二氧化硫的量可能不足。
2. 1號幼苗的葉片異常，2號幼苗的葉片正常（或差異顯著），則植物葉片的異常現象是二氧化硫引起的假設成立（若肯定後件，則前件可能成立）；該實驗結果說明植物葉片的異常現象可能是二氧化硫引起的。
3. 1號幼苗的葉片正常，2號幼苗的葉片異常（或差異顯著），則植物葉片的異常現象是二氧化硫引起的假設不成立（若否定後件，則否定前件）。該實驗結果說明一定濃度的二氧化硫可能對葉片生長有益。