科學(xué)課堂對(duì)比實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與實(shí)施

宋金榜

科學(xué)研究通常始于問題，然后基于已有經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)問題提出猜想或假設(shè)，再設(shè)計(jì)研究方案（常用的研究方法包括觀察、實(shí)驗(yàn)、查閱資料、調(diào)查等，本文主要討論實(shí)驗(yàn)方法），并對(duì)通過研究搜集到的證據(jù)（如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）進(jìn)行整理、分析，最后得出結(jié)論。

結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)問題往往指向兩個(gè)變量之間的關(guān)系，如大象版小學(xué)《科學(xué)》三年級(jí)上冊第三單元《溶解的秘密》第2課《溶解與攪拌》中提出的問題“攪拌對(duì)物質(zhì)溶解快慢有什么影響”，三年級(jí)下冊第四單元《土壤，生命的家園》第4課《土壤與植物》中提出的問題“植物也有自己喜歡的土壤嗎”，以及學(xué)生在日常生活中經(jīng)常會(huì)提出的問題“滑梯越陡，滑下來的速度越快嗎”等。第一個(gè)問題包含了兩個(gè)變量：一個(gè)是攪拌，一個(gè)是物質(zhì)溶解的速度。其中攪拌是可能引起物質(zhì)溶解速度變化的原因，是由實(shí)驗(yàn)者操縱、掌握的變量，稱為自變量;物質(zhì)溶解速度可能是攪拌引起的結(jié)果，稱為因變量。另外兩個(gè)問題的自變量和因變量分別是：土壤的不同類型與植物的生長狀況;滑梯的坡度與滑下來的速度。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)問題，我們往往可以通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究。

也有些科學(xué)問題是結(jié)構(gòu)不良的問題，字面上看不出有兩個(gè)變量，如一年級(jí)上冊準(zhǔn)備單元《吹泡泡，學(xué)科學(xué)》中提出的問題“怎樣吹出大泡泡”，三年級(jí)上冊準(zhǔn)備單元《倒立的小丑》中提出的問題：“怎樣才能讓小丑更不容易從鋼絲上掉下來？”對(duì)于這樣的問題，要通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，就必須先提出結(jié)構(gòu)良好的猜想或假設(shè)。一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的假設(shè)也往往包含兩個(gè)變量，比如：“如果在泡泡水中加入洗發(fā)水，吹出的泡泡可能更大?！薄叭绻o小丑每只手上固定一個(gè)重物，那么小丑就更不容易從鋼絲上掉下來?！钡谝粋€(gè)假設(shè)的自變量是在泡泡水中加入洗發(fā)水，因變量就是吹出泡泡的大小。第二個(gè)假設(shè)的自變量是給小丑每只手上固定一個(gè)重物，因變量是小丑在鋼絲上的穩(wěn)定程度。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)良好的假設(shè)，我們就可以通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)

我們知道，要驗(yàn)證我們的猜想或假設(shè)可以應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法，但有些問題或猜想、假設(shè)往往不是通過一個(gè)孤立的、針對(duì)單一研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)就能夠得出結(jié)論的。比如，在學(xué)習(xí)一年級(jí)上冊第二單元《認(rèn)識(shí)小動(dòng)物》第1課《兔子》時(shí)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)提出“小兔子喜歡吃什么”的問題。如果我們只拿一種食物來探究，比如拿胡蘿卜或者火腿腸去喂兔子看它吃不吃，我們只能得出“兔子吃胡蘿卜”或者“兔子不吃火腿腸”的結(jié)論。而拿兩種或多種食物同時(shí)去喂同一只兔子，看它選擇吃什么，就可以比較出在這些食物中兔子喜歡吃什么了。

在研究“植物角里的吊蘭怎么蔫了”的問題時(shí)（一年級(jí)下冊第二單元《植物“保育員”》第2課《缺水的吊蘭》），為了驗(yàn)證“我猜它一定是‘渴了”的猜想時(shí)，也必須通過對(duì)澆水的吊蘭和不澆水的吊蘭兩個(gè)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)澆水的吊蘭比不澆水的吊蘭生長得更好時(shí)，才能得出“吊蘭的生長需要水”的結(jié)論。單憑澆水的吊蘭生長良好，我們不能得出“吊蘭的生長需要水”的結(jié)論，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中可能還伴隨了其他條件，比如陽光照射、播放了音樂、出現(xiàn)了閃電、稱贊了吊蘭，等等。沒有澆水和不澆水、陽光照射和沒有陽光照射、播放了音樂和沒有播放音樂等實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，我們就無法判斷這些條件中哪些是吊蘭生長的必需條件。

像這種設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)組，通過對(duì)結(jié)果的比較分析，來探究不同的實(shí)驗(yàn)條件或因素（自變量）與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的反應(yīng)（因變量）之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)就是對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，通過有意識(shí)地改變某個(gè)條件或因素，探究它和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的反應(yīng)之間的關(guān)系，是一種重要的科學(xué)研究方法。

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（下文簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在科學(xué)探究總目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生初步了解分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法，對(duì)比實(shí)驗(yàn)就主要運(yùn)用了其中的“比較”的思維方法?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》也強(qiáng)調(diào)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，如：通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)、辯證分析和邏輯推理等方法，初步認(rèn)識(shí)地球物質(zhì)不斷變化并且互相影響，形成多種自然現(xiàn)象。對(duì)于三至四年級(jí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)“觀察并描述沙質(zhì)土、黏質(zhì)土和壤土的不同特點(diǎn);舉例說出沙質(zhì)土、黏質(zhì)土和壤土適宜生長不同的植物”，《課程標(biāo)準(zhǔn)》還提出了“做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較沙質(zhì)土、黏質(zhì)土和壤土的特征”的活動(dòng)建議。

控制變量

雖然對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴脕硌芯磕硞€(gè)條件或因素與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的關(guān)系，但是，不規(guī)范的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可能得出不可靠的結(jié)論。比如，在研究溫度對(duì)物質(zhì)在水中溶解快慢的影響的實(shí)驗(yàn)中，除了水的溫度，影響物質(zhì)在水中全部溶解所需要的時(shí)間的因素還包括物質(zhì)的多少及其顆粒的大小、是否攪拌、水的多少等。如果在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，在熱水中放入的物質(zhì)多，或者顆粒大，或者所用的水少，或者在冷水中放入物質(zhì)后進(jìn)行攪拌，都有可能得出“物質(zhì)在溫度低的水中溶解的速度快”的結(jié)論。顯然，這種錯(cuò)誤是由于實(shí)驗(yàn)條件的“不公平”引起的。

在實(shí)驗(yàn)中，往往有多種條件和因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們把在實(shí)驗(yàn)中需要操縱、控制和測量的各種因素或條件都稱為變量。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中主要涉及三種變量：自變量、因變量和無關(guān)變量。自變量是在實(shí)驗(yàn)中需要研究和改變的變量，比如上述實(shí)驗(yàn)中水的溫度。因變量是指實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)不同自變量的反應(yīng)，如上述實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)在熱水和冷水中完全溶解分別需要的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，除自變量和因變量以外的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的潛在因素或條件統(tǒng)稱為無關(guān)變量，如上述實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)的多少、物質(zhì)的顆粒大小、攪拌、水的多少等。需要注意的是，無關(guān)變量并不是和實(shí)驗(yàn)結(jié)果無關(guān)，而是和實(shí)驗(yàn)?zāi)康臒o關(guān)。事實(shí)上，很多無關(guān)變量往往可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響，并且讓我們得出不可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因此，教師在實(shí)驗(yàn)中要對(duì)這些無關(guān)變量進(jìn)行控制，不讓它們出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中，或者讓它們在不同的實(shí)驗(yàn)組中保持一致，從而避免它們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響。這種在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中對(duì)無關(guān)變量進(jìn)行控制使其保持一致的實(shí)驗(yàn)方法稱為“控制變量法”。只有將自變量以外一切可能引起因變量變化的無關(guān)變量控制好，才能真正弄清實(shí)驗(yàn)中自變量與因變量之間的關(guān)系，而不受其他無關(guān)變量的干擾。

控制變量是一種重要的實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)于“制訂計(jì)劃”要素，《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求五至六年級(jí)的學(xué)生能基于所學(xué)的知識(shí)，制訂比較完整的探究計(jì)劃，初步具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力和控制變量的意識(shí)，并能設(shè)計(jì)單一變量的實(shí)驗(yàn)方案。

當(dāng)然，要利用控制變量法設(shè)計(jì)單一變量的實(shí)驗(yàn)方案來消除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，還需要掌握控制變量的常用方法。

1.排除法

所謂排除法，就是把無關(guān)變量從實(shí)驗(yàn)中排除出去的方法。例如，在研究澆水對(duì)吊蘭生長狀況的影響時(shí)，陽光就成了無關(guān)變量，為了避免陽光對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，可以把兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象都放到暗盒里。在研究溫度對(duì)物質(zhì)溶解快慢的影響時(shí)，攪拌就成了無關(guān)變量，為了避免攪拌對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，兩組實(shí)驗(yàn)都不進(jìn)行攪拌。排除法可以直接避免無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但所得出的結(jié)論卻因此帶有局限性，比如在暗盒中進(jìn)行的澆水對(duì)吊蘭生長狀況的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能直接推廣到有陽光照射時(shí)，因?yàn)闆]有經(jīng)過合適的實(shí)驗(yàn)研究，我們不能排除吊蘭在暗盒中生長需要水分，而在有陽光照射時(shí)不需要水分的可能，也不能排除不攪拌時(shí)物質(zhì)在熱水中溶解得快，而攪拌時(shí)在冷水中溶解得快的可能。

2.恒定法

恒定法是指控制無關(guān)變量，使其在實(shí)驗(yàn)過程中保持恒定不變以避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的方法。比如，在研究不同土壤對(duì)綠豆生長的影響時(shí)，土壤類型是自變量，綠豆的生長狀況是因變量，而花盆的大小和質(zhì)地、土壤的多少、澆水量、溫度、陽光等均為無關(guān)變量。要避免這些無關(guān)變量的影響，需要采用同樣大小和質(zhì)地的花盆，一樣多的土壤，澆同樣多的水，放在同一個(gè)地方以保持溫度和陽光都相同，等等。

和排除法一樣，用恒定法控制無關(guān)變量也有其不可避免的缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能推廣到無關(guān)變量的其他水平上去。比如，在澆水少的情況下得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能推廣到澆水多的情況下，因?yàn)槲覀儾荒芘懦撤N植物在干旱地區(qū)喜歡黏質(zhì)土，而在多雨的地區(qū)喜歡沙質(zhì)土的可能。

3.匹配法

有時(shí)為了避免實(shí)驗(yàn)對(duì)象個(gè)體屬性的偶然性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，我們在實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會(huì)采用多個(gè)研究對(duì)象。比如在研究水對(duì)種子萌發(fā)的影響時(shí)，往往會(huì)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)組中使用多顆種子，以觀察澆水量不同時(shí)（不澆水、適量澆水、一直淹在水中）種子的發(fā)芽率。為了避免種子質(zhì)量的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，教師在分配種子時(shí)，需要使每個(gè)組的種子質(zhì)量大致平均。這種使每個(gè)組中被試對(duì)象的屬性相等的控制變量方法就稱為匹配法。

我們在研究男生和女生肺活量的差異時(shí)，也需要使用匹配法來控制變量：分別測量一定數(shù)量的男運(yùn)動(dòng)員和女運(yùn)動(dòng)員的肺活量，并對(duì)比其平均值，再分別測量一定數(shù)量的非運(yùn)動(dòng)員男生和非運(yùn)動(dòng)員女生的肺活量并對(duì)比其平均值。如果以女運(yùn)動(dòng)員的肺活量和非運(yùn)動(dòng)員男生的肺活量進(jìn)行對(duì)比，就有可能會(huì)得出“女生比男生肺活量大”的結(jié)論。

再如，如果我們想研究早飯前背單詞效果好，還是早飯后背單詞效果好，就需要把研究對(duì)象按照英語水平平均分為兩組，再讓其中一組先背單詞再吃早飯，另一組先吃早飯?jiān)俦硢卧~，然后測試單位時(shí)間內(nèi)每組記住單詞的平均數(shù)量。

4.隨機(jī)法

隨機(jī)法是把被試隨機(jī)分派到各組中的控制變量的方法。從理論上講，如果被試樣本足夠多，隨機(jī)法就是一種控制無關(guān)變量的可靠方法，因?yàn)槿绻魏我粋€(gè)成員都有同等機(jī)會(huì)被分派到任意一組，那么我們就可以期望隨機(jī)分派形成的每個(gè)組的各種無關(guān)變量是均等的，也就在無關(guān)變量上做到了匹配。比如，我們在研究不同因素對(duì)種子發(fā)芽率的影響時(shí)，如果種子數(shù)量足夠多，種子的質(zhì)量差異不是特別大，完全可以使用隨機(jī)法來控制變量，將種子隨機(jī)地分派到各組中。

這種利用隨機(jī)法來控制無關(guān)變量的實(shí)驗(yàn)方法也被稱為隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)常常用來檢測藥物或療法的治療效果：將實(shí)驗(yàn)對(duì)象（病人）隨機(jī)分成兩組，其中一組采用所研究的藥物或療法進(jìn)行治療，稱為實(shí)驗(yàn)組;另一組則不給予有效治療，稱為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，對(duì)比兩組的治療效果，從而對(duì)所研究的藥物或療法的治療效果做出判斷。

隨機(jī)雙盲實(shí)驗(yàn)

在用隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)檢測藥物或療法的治療效果時(shí)，對(duì)照組的病人如果知道自己沒有得到藥物或療法的治療，可能會(huì)產(chǎn)生失望、沮喪的心情，而實(shí)驗(yàn)組的病人如果知道自己得到藥物或療法的治療就會(huì)產(chǎn)生期待、興奮的心情，從而出現(xiàn)無關(guān)變量差異，并可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。為了避免這種差異，研究者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)將受試者分為采用真正實(shí)驗(yàn)藥的實(shí)驗(yàn)組和采用外部特征完全一樣的假藥的安慰劑組，而實(shí)際用藥情況對(duì)病人保密。這種用藥情況只有研究者知道，對(duì)病人保密的研究方法稱為單盲實(shí)驗(yàn)。

單盲實(shí)驗(yàn)仍然有其不足之處。由于研究人員會(huì)與病人接觸，研究人員的言行、表情、暗示等都會(huì)引起病人的猜測并對(duì)病人的心理產(chǎn)生影響，而且研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果傾向性的期望也會(huì)自覺或者不自覺地影響其對(duì)治療效果的判斷。

為了避免這種現(xiàn)象，醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)在進(jìn)行藥物或療法的臨床實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往讓實(shí)驗(yàn)操作者和病人都不知道哪些病人接受了哪種實(shí)驗(yàn)條件，甚至不知道實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果則交由第三方統(tǒng)計(jì)人員處理分析，從而避免了主試、被試雙方因?yàn)橹饔^期望所引發(fā)的無關(guān)變量的影響。這種實(shí)驗(yàn)方式被稱為雙盲實(shí)驗(yàn)。雙盲實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У乇苊庵髟嚒⒈辉囯p方的主觀偏向?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從而得出更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，因而被現(xiàn)代醫(yī)學(xué)奉為檢測藥物療效的“金標(biāo)準(zhǔn)”，很多國家和地區(qū)都明確規(guī)定新藥在進(jìn)入臨床應(yīng)用前必須經(jīng)過隨機(jī)雙盲臨床實(shí)驗(yàn)。

因此，醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)所廣泛使用的雙盲實(shí)驗(yàn)也是一種更為嚴(yán)謹(jǐn)、能夠應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的主觀因素影響的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。前文說過，假設(shè)往往需要通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，而不能通過孤立的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，對(duì)于藥物療效的研究更是如此。但是，在實(shí)際臨床治療中，對(duì)于一些新出現(xiàn)的疾病或者疑難雜癥往往會(huì)采用多種藥物來進(jìn)行治療，尤其是一些病人“有病亂投醫(yī)”，用過的藥物種類更為繁多。在這種情況下，如果采用“我吃了什么藥病就好了，所以這種藥對(duì)我的病有效”的邏輯，得出的結(jié)論往往是不可靠的，因?yàn)椴荒芘懦瞧渌幬锲鸬降闹委熥饔谩?/p>

藥物對(duì)自限性疾病的治療效果的研究更需要進(jìn)行雙盲實(shí)驗(yàn)。自限性疾病是疾病在發(fā)展到一定程度后，依靠機(jī)體調(diào)節(jié)能夠控制病情發(fā)展并逐漸痊愈的疾病。病毒性感冒就是一種常見的自限性疾病，所以，一個(gè)人在確診為病毒性感冒后，如果不太嚴(yán)重而且沒有其他并發(fā)癥，醫(yī)生往往會(huì)建議他多喝水、多休息，一般一周左右就會(huì)逐漸痊愈。在這種情況下我們當(dāng)然不能得出“水可以治療病毒性感冒”的結(jié)論。如果要研究某種藥物治療病毒性感冒的效果，就需要對(duì)這種藥物進(jìn)行隨機(jī)雙盲對(duì)照實(shí)驗(yàn)，考查實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在病程長短、病癥輕重等方面是否有足夠顯著的差異。如果與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組癥狀明顯減輕，病程明顯縮短，我們就可以得出這種藥物能夠有效治療病毒性感冒的結(jié)論。

河南教育報(bào)刊社（450003）？？