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学习漫谈(99):精心设计 由简及繁——谈科研方法:7.实验篇 精选

已有 7438 次阅读 2013-10-11 06:02 |个人分类:寄语学子|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 实验, 科研方法, 要领

楔子

本讲阐述实验工作在科学研究中的重要性和方法要旨。从实验的目的谈起,述及实验研究的特点和分类,然后给出实验的要领、步骤和注意事项,最后用三个著名案例加以具体阐释。

 

大纲

一、引言

二、科学实验的分类

三、科学实验的计划和实施

四、案例分析

五、结束语

 

 一、引言

 

实验是科学探索的“垫脚石”。为了准确地认识研究对象,把握其变化规律,并对出现的现象给出科学合理的解释,就必须通过实验实现更精准的观察,掌握必要的实验数据;即使是做理论研究的学人,也必须对实验过程和结果有足够的了解。

   科学实验指的是人们根据一定的科研目的,运用一定的物质手段(科学仪器和设备),人为地控制或变革客观事物的过程,暴露它们在自然条件下无法显露的特性,以便深入地研究自然界规律的一种方法,亦即,通过创造人为环境在给定条件下实现观察。

   实验的目的有二:发现事物的新现象和发展规律,验证已有理论结果。正如法裔美国生物学家杜博斯( R.J. Dubos)所说:实验有两个目的,彼此往往不相干:观察迄今未知或未加解释的新事实;以及判断为某一理论提出的假说是否符合大量可观察到的事实。  

实验方法的优点在于:

   1. 可以排除附带因素的影响,简化研究对象;

2. 可引入新的因素,研究事物在更复杂的条件下发生的情况;

3. 若有必要,可在同样的条件下多次再现所研究的现象和结果;

4. 可研究自然界中不以纯粹形式存在的现象;

5. 可以创立新的人工对象。

实验方法有如下四个特点:

l        主动性-可以突破自然条件的限制;

l        目的性-可以有目的、有计划探索感兴趣的事物;

l        精确性-可以根据要求,经过细化、强化、纯化,精准把握规律;

l        经济性-可以有效地控制运作规模、周期和耗费。

 

二、科学实验的分类

 

可以采用各种不同的方式把实验进行分类,人们通常将其分成如下六类:

1. 定性实验

   用以判定某个(或某些)因素是否起作用,某些因素是否有联系,某研究对象的内在结构。例如,著名的迈克尔逊-莫雷实验:旨在证实光速不变性,否定宇宙中以太的存在性;再如,巴斯德的胚种论实验:用来证明空气中有一种能产生微生物的胚种。

2. 定量实验:

   为了了解研究对象的量的特征,测定某对象的数值,或求出某些因素之间的数量关系,给出定量结果或经验公式。例如,拉瓦锡的燃烧后的秤重实验,借此发现了氧气;再如汤姆逊的确定电子荷质比的实验。

3. 析因实验

  由已知结果寻找未知原因或因素的实验。例如,流体力学家进行的孤立波实验,用来确定孤立波形成的色散因素和非线性因素及其相互作用;再如,雷诺的圆管流动实验,确定管径、流速和粘度的对于从层流到湍流转捩的综合作用。

4. 对照实验:

   通过比较的方法,揭示某种原因或因素对研究对象的影响,通常有两个或多于两个的相似组——“试验组”和“对照组”,在生物学实验中最为常见。例如,达尔文的植物向光生长的实验,通过对照,确定植物的生长锥是植物向光生长的起作用的部位。

5. 模拟实验

   创造条件以模拟自然条件或自然演变过程,通常用原型的缩尺模型在实验室里完成的仿真实验。例如,高坝消能模拟实验,经常以1:100的比例完成缩尺模拟。

6. 思想实验

   在现实条件下无法进行的实验,通过在思想中的虚拟条件,在思想上塑造实验的过程。例如,伽利略的V型木槽的小球在理想光滑斜面上的滑动实验;再如,爱因斯坦所设计的相对性实验。人们有时不把思想实验归于实验类,而将其归结为一种推理形式。

 

 三、科学实验的计划和实施

 

有实践经验的人都知道,完成实验研究很有难度,经常费时费力费钱,往往旷日持久,一波三折,因此需要精细地筹划,并用心掌握有关要领。

概括地说,做好科学实验有如下要领:

  1. 有明确的目的性;

  2. 有可靠的准确性;

  3. 有可行的简单性;

  4. 有可再现性;

  5. 注意结果的正常性和反常性。

人们在实验研究中一般采取如下步骤:

u    确定总体目标;

u    完成设施准备;

u    小型简单实验;

u    正式规模实验;

u    数据处理整理;

u    具体结果分析。

 

可把实验研究的注意事项归纳如下:

1、精心筹划

   实验前对研究对象要心中有数,实验设施应精心研制、调试,对相关的概念、手段、关键数据和可能出现的问题胸有成竹。具体计划应包括:实验项目的个数、实验条件和分析方法、数据的获取和处理、测量的正确性和精确度、误差来源和可能的大小等等。

2、由简及繁

从简单的试验性实验入手,获得初步经验,而后渐入佳境。贝弗里奇在《科学研究的艺术》中指出:“应该尽可能在研究工作的开头进行一项简单的关键性实验,以判断所考虑的基本架设是否成立。                              

3、细致入微

   应集中注意力,观察、捕捉最有意义的结果。熟练掌握实验技巧,提高观察水平,不放过正常结果,更留意反常结果,反复试验,不被表面现象迷惑。

4、耐心分析

   实验中应有详尽的全程记录,抓住要点,注意现象之间的内在联系,耐心细致地进行分析。必要时需要“冷处理”。对主要实验结果应做好不确定性(uncertainty)分析。

5、谨慎表述

   对实验结果的适用范围应冷静分析,下结论时必须小心谨慎。不能轻信实验万能,做出重大结论时更应三思而后行。一个假说一时得不到验证不能就说这个假说不正确。

 

四、案例分析

 

我们引进下列案例来体会上述一般分析:

 

案例1:赫兹的电磁波实验

德国物理学家赫兹(1857-1894)在30岁那年用简单的自制仪器发现了电磁波。

这一实验有明确的目的性。十九世纪六十年代英国物理学家麦克斯韦建立了电磁场理论,并从理论上推测到电磁波的存在,可惜他英年早逝,未能用实验来证明这一推测的正确性。1879年,德国物理学家亥姆霍兹针对这一难题提出悬赏征答;1884年,他的学生赫兹挺身而出,立志发现电磁波。经过四年苦心孤诣的奋斗,1888年,提出了一种检测从莱顿瓶或线圈火花产生的电磁波的方法,首次发现了电磁波的存在性,实现了麦克斯韦担心难以实现的愿望。

这一实验想法奇妙,但实现起来却具有简单性。赫兹的验波器仅由一个圆形导线组成,导线的两端接到两个铜钮上,两铜钮之间的距离调节得很小。当莱顿瓶发出的波落到导线上时,在适当的条件下,两铜钮之间会产生细微的火花,赫兹成功地使这些波发生反射、折射、衍射和偏振,从而无可争议地实现了实验的目的。对人类的科技发现来说,这是一个极有意义的里程碑。可惜的是,六年之后的18941月,赫兹就被牙病引起的败血症夺走了生命,终年37岁。

 

案例2:孟德尔的豌豆杂交实验

奥地利生物学家孟德尔(18221884)家境贫寒,但自幼就对生物学(特别是生物的变异规律)有兴趣。他耗时年进行了豌豆杂交实验,总结出遗传学上的分离规律和自由组合规律,并提出了遗传因子假说,对细胞遗传学作出了重大贡献。

他的成功秘诀在于:

      1、殚精竭虑地做好实验观察;

      2、深入细致地分析实验结果;

      3、独具匠心地做好定量研究。

具体说来,他采用了如下步骤:

     1、选择恰当的实验对象——豌豆

孟德尔的选择条件:具有稳定的便于观察和区分的特性;开花时不易受外来花粉影响;易于栽培;生长期短。他一开始选用山柳菊为对象,结果一无所获。后经过反复试验,最终发现豌豆能满足这些条件。

他抓住了豌豆各品种的特性差异

种子外形(圆,皱);子叶(黄,绿);种皮外形(灰褐,白);豆荚(饱满,不饱满);未成熟豆荚颜色(绿,黄);花的位置(叶腋,顶端);植株(高,矮)。正是有这些差别,比较容易确定各代豌豆的遗传、变异的情况。

     2、精确观察,避免差错

 孟德尔指出,要尽量避免可疑结果的危险,有时需要准确地确定动手时间。例如,例如,选种应在豌豆成熟时进行,而识别子夜和植株必须趁早。在长期试验观察中,他从不放过细枝末节。

3、努力探索性状分配的数量关系

   孟德尔对七对性状的豌豆进行杂交,发现第一代只有一种性状得到表现,第二代两种性状的表现率之比为3:1。从大量数据的分析得到了统计规律。

4、大胆提出遗传因子假说

   他假设种子细胞里有一种遗传基础——遗传因子,每个遗传因子决定一种性状。又将其分为显性因子和隐性因子,前者占压倒优势。由此解释了3:1规律。推得孟德尔第一定律-分离定律:一对因子在异质接合状态下并不影响和沾染,按原样分离到不同配子。

5、从一对性状推广到多对性状

   经细致分析,得到孟德尔第二定律——自由组合定律:当两对或更多对因子处于异质接合状态时,它们在配子的分离彼此独立,不相牵连。

 

案例3: 费米的射线轰击原子实验

   意大利物理学家费米(1911-1954)既擅长于理论研究,又善于进行实验研究,他想象力特别丰富,善于设计富有新意的实验和理论框架。

   1933-1934年,费米领导的实验课题组用射线轰击不同质量的原子,发现:一种原子吸收了一个中子之后,就成为质量与元素周期表上下一位元素质量相等的同位素,但最初的实验效率很低。

   有一次,费米的两个学生正做用中子轰击银原子的实验,偶然地把放射源放在铅盒子里,发现照射产生的放射性强度有明显改变;费米接到报告,觉得奇怪;他灵机一动,想到把放射源包在石棉里会怎样?结果,轰击的中子大大减速,击中靶核后产生的放射性比原来大增百余倍,显示出慢中子的有效作用。

   费米联想起,用快中子轰击靶核就像手枪子弹漫射飞鸟,命中率必定很低;他想象,如果自己是中子,在其它像原子分布一样的人群中穿行时,若放慢脚步,同他人相撞的机会反而增多,作用也更强烈,于是就提出慢中子轰击靶核的方法,使用石棉和水为中子减速剂,大大改进了实验效果。两个月内制造出30多种同位素。

这一案例显示了偶然发现在实验研究中的重大作用。

 

五、结束语

 

u    实验是科学研究中的关键步骤;

u    科学实验必须精心筹划、由简及繁、细致入微、耐心分析、谨慎从事;

u    科学实验必须有深谋远虑,步步深入;

u    应充分注意实验中发现的反常现象。

 

初稿:写成于2013年3月21日,香港

二稿:写成于2013年10月11日,上海

 



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