【文 / 課程及教學研究中心副研究員 葉家棟】

實驗教學可促進學生的認知以及對科學的瞭解，學生經由設計良好的科學實驗活動，瞭解科學探究的方法，從中學習科學過程技能、分析推理、相互溝通的能力，並能將科學的現象經由具體的操作而概念化，並且提供學生建構知識的途徑（Tobin, 1990；鐘建坪, 2009）。但是，由於科學實驗活動設計的原理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，面臨極嚴酷的挑戰。基本上，科學實驗活動設計的原理包括假說–演繹法（hypothetico–deductive method）、假言推理（hypothetical syllogism）、檢驗假說的方法及對照實驗（contrastive experiment），科學實驗活動的設計是一個高層次的思考技能。例如：

問題：請設計一個合理實驗步驟，驗證白磷的著火點比紅磷低，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「白磷的著火點比紅磷低」，為了證明這一個假設只需直接證明即可，也就是用酒精燈直接加熱白磷和紅磷，觀察白磷是否比紅磷易著火燃燒即可證明。從邏輯學原理來看，證明「A是B的充分條件」，即「白磷的著火點比紅磷低（A）」是「白磷比紅磷易著火燃燒（B）」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。

大前題：如果白磷的著火點比紅磷低，那麼白磷比紅磷易著火燃燒。

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。

三、設計實驗步驟

1.         用鐵架台上的試管夾固定著一個薄銅片。

2.         用藥匙取紅磷一匙放於薄銅片一邊；用鑷子再取白磷一小塊，用濾紙吸去白磷表面的水後，將其放在薄銅片的另一邊。

3.         在鐵架台上放上酒精燈，調整好酒精燈高度及位置，使酒精燈置於紅磷的正下方。

4.         點然酒精燈。觀察白磷與紅磷著火燃燒現象，並記錄燃燒現象發生的時間。

           

四、推論可能的實驗結果和相應的實驗結論

1.         白磷與紅磷同時發生著火燃燒（或差異不顯著），則「白磷的著火點比紅磷低」的假設不成立。

2.         白磷比紅磷先發生著火燃燒（或差異顯著），則「白磷的著火點比紅磷低」的假設成立；該實驗結果說明：白磷的著火點可能比紅磷低。

3.         白磷比紅磷晚發生著火燃燒（或差異顯著），則「白磷的著火點比紅磷低」的假設不成立。