基于設(shè)計程序與方法導(dǎo)向的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計流程方法的研究
——以液體表面性質(zhì)測量教具的設(shè)計改進(jìn)研究為例

董潔 蘇藝＊

（北京服裝學(xué)院，北京 100029）

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究過程中，不少研究者在不斷嘗試傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)設(shè)計以減小實(shí)驗(yàn)帶來的誤差、提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。通過筆者多方面研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：目前并沒有完備的基于實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計的流程方法體系。如何以設(shè)計的程序與方法為導(dǎo)向，從科學(xué)的維度及操作者體驗(yàn)維度出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計改進(jìn)簡單化、系統(tǒng)化作為本研究的切入點(diǎn)。因此，本研究將以拉脫法測量液體表面性質(zhì)方法研究和改進(jìn)為例，從了解現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)流程到改進(jìn)方案的解決等七個階段入手，同時運(yùn)用每一階段的特定方法來完成對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計改進(jìn)，從而提出一套完整的實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計改進(jìn)流程。

1 實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計流程

圖1 是本研究中筆者所提出的以設(shè)計程序與方法為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計流程方法圖，該方法可以適用于大部分實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計。

圖1 實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計流程圖

該設(shè)計流程圖的使用方法如下：

第一步是了解現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)流程，改進(jìn)設(shè)計者在具有相關(guān)行業(yè)知識能力的基礎(chǔ)上，通過大量文獻(xiàn)、多次個人實(shí)踐操作來熟悉實(shí)驗(yàn)流程。在基于前述知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)，可以運(yùn)用本階段所提到的專家訪談法，向有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行訪談交流以對實(shí)驗(yàn)流程有充分了解。

第二步是要發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)問題，這一階段可以用到對比分析法、觀察法、實(shí)驗(yàn)人群訪談法。對比分析法是設(shè)計改進(jìn)者針對某個實(shí)驗(yàn)的不同實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行整理對比，可以用表格或者更直觀的形式進(jìn)行列舉，梳理其各自的優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行整合。對比整理后用觀察法對多位實(shí)驗(yàn)操作者進(jìn)行全流程實(shí)驗(yàn)觀察，觀察他們的實(shí)驗(yàn)操作過程，可以采取拍照、錄像等方式進(jìn)行記錄，觀察完畢后對其進(jìn)行回顧分析，盡可能地發(fā)現(xiàn)問題。基于之前發(fā)現(xiàn)的問題要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)人群的訪談來驗(yàn)證問題，并且嘗試發(fā)現(xiàn)其他潛在問題。這一階段要完成原有實(shí)驗(yàn)教具存在的問題的發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證。

第三步是分析已發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)問題，可以從人為因素、量具因素、力量因素、測量因素幾個方面對發(fā)現(xiàn)后的問題進(jìn)行分析以對改進(jìn)設(shè)計方向有初步的預(yù)判。

第四步是尋找問題的解決方案，這一過程要明確需要尋找解決方案的重點(diǎn)研究方向。要對改進(jìn)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)教具有解決方案的設(shè)想?？梢圆扇?W1H 法即what （是什么）、who（是誰來使用）、when（在什么時候使用）、where（在什么地點(diǎn)使用）、why（為什么要使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教具）、how（改進(jìn)后的教具怎么解決發(fā)現(xiàn)的問題）進(jìn)行思考定義實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計改進(jìn)方案。

第五步是解決方案的實(shí)施，可以先將預(yù)想的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行草圖繪制，再通過一定的科學(xué)分析、原理關(guān)系來確定哪一個草圖方案最優(yōu)，通過各方面可實(shí)現(xiàn)性的判斷后再進(jìn)行器具、工具的準(zhǔn)備、教具的整體搭建。

第六步是對解決方案進(jìn)行驗(yàn)證，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、數(shù)據(jù)處理，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計算、對比，確定設(shè)計改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差是否減小。其次根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則進(jìn)行評估。最后需要對上述參與的實(shí)驗(yàn)操作人群進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后的實(shí)驗(yàn)教具體驗(yàn)測試，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的全流程是否順利、是否有所改良，檢驗(yàn)是否滿足人機(jī)尺寸、是否符合操作者認(rèn)知、各方面痛點(diǎn)需求是否得以解決。

第七步是對于提出的解決方案的改進(jìn)，可以用回顧分析法回顧設(shè)計的每一環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計各個階段中的對于設(shè)計改進(jìn)目的性有偏差的地方、設(shè)計改進(jìn)的方式有潛在問題的地方，應(yīng)該立即再改進(jìn)設(shè)計，此時可以回到流程3 分析實(shí)驗(yàn)問題繼續(xù)依照此流程順序不斷探索。設(shè)計改進(jìn)者應(yīng)該判斷自身是否有能力或方法解決新發(fā)現(xiàn)的問題，在無條件、無能力解決的情況下提出改進(jìn)方法或改進(jìn)設(shè)計展望。

接下來筆者將上述實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計流程方法運(yùn)用于具體的改進(jìn)設(shè)計案例，以液體表面張力測量這一大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的研究和改進(jìn)為例。

2 液體表面性質(zhì)測量教具的研究和改進(jìn)

液體的表面張力是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù)，這一參數(shù)對建筑、船舶制造、化學(xué)化工、水利等行業(yè)都有較大的影響，所以準(zhǔn)確的測量液體的表面張力系數(shù)具有重要的意義[1]。

測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)中測量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一。該方法的特點(diǎn)是，用秤量儀器直接測量液體的表面張力，通過測量一個已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力F, 求得液體表面張力系數(shù)，該測量方法直觀、概念清楚、實(shí)驗(yàn)裝置簡單、可操作性強(qiáng)。但用拉脫法測量液體表面張力，對測量力的儀器要求較高。

2.1 了解現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)流程

在設(shè)計程序的最初階段，要通過設(shè)計背景，設(shè)計調(diào)研等多個維度的了解去探尋設(shè)計機(jī)會。在各類實(shí)驗(yàn)中，首先應(yīng)具有相關(guān)行業(yè)的知識能力，并且已多次進(jìn)行個人實(shí)踐操作，同時可以向有經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行訪談交流，對其有充分了解。

本文中實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)是依托大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)又高于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，筆者有相關(guān)物理理論知識和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ⑼瓿闪似鋵W(xué)習(xí)，同時通過查閱了大量文獻(xiàn)來了解測量液體表面性質(zhì)的多種方法的不同流程。在以上知識的基礎(chǔ)上，又對行業(yè)中經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行了訪談交流以期積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與方法。

拉脫法測量液體表面張力的主要流程如下：把金屬吊環(huán)固定在力敏傳感器上，升高液面，使金屬吊環(huán)底部完全浸入在液體中，然后緩慢調(diào)節(jié)升降臺，使吊環(huán)逐漸從液面拉脫，吊環(huán)拉出液柱破裂前后力的差值就是液柱的兩個液面表面張力的大小。

2.2 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)問題

在設(shè)計程序中，通常會通過一系列的調(diào)研及分析過程能夠了解到一些潛在情況，基于此再通過一些設(shè)計中的常用方法（如同類產(chǎn)品分析法、觀察法、用戶訪談法等）去繼續(xù)深入發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計中存在的問題或不足進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計或改進(jìn)設(shè)計。

根據(jù)上述設(shè)計的程序與方法，首先筆者查閱了大量文獻(xiàn)對現(xiàn)有的不同測量液體表面張力的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行整理對比，現(xiàn)有的主要測量液體表面張力系數(shù)的方法有：毛細(xì)管上升法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法和拉脫法等。對其各自的優(yōu)缺點(diǎn)以表格的形式進(jìn)行整理梳理。筆者發(fā)現(xiàn)：相較于一些新的測量方法及裝置，傳統(tǒng)的拉脫法具有實(shí)驗(yàn)儀器簡單、操作簡單的特點(diǎn)，目前很多高校實(shí)驗(yàn)室主要采用拉脫法來測量液體表面張力，但是拉脫法存在的問題在于使用該實(shí)驗(yàn)裝置測量時人為干預(yù)多、測量誤差大、測試結(jié)果重復(fù)性不好等問題[2]。

是哪些人為因素會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大誤差作為了筆者研究的下一個切入口。基于此，又對多位實(shí)驗(yàn)操作者進(jìn)行全流程實(shí)驗(yàn)觀察，觀察實(shí)驗(yàn)操作者的實(shí)驗(yàn)操作行為，觀察他們在實(shí)驗(yàn)中會產(chǎn)生哪些問題。采取拍照、錄像等方式進(jìn)行記錄，觀察完畢后又回顧分析，同時對觀察的結(jié)果進(jìn)行了整理思考。筆者發(fā)現(xiàn)在操作者每一次拉起吊環(huán)時速度并不相同，而且不同的操作者調(diào)節(jié)升降臺時速度不同、用力也不同，這都會影響到數(shù)字電壓表的示數(shù)，如圖2。

圖2 手動調(diào)節(jié)升降臺

為了驗(yàn)證并發(fā)現(xiàn)用戶在實(shí)驗(yàn)操作時的需求同時發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作者在實(shí)驗(yàn)操作時的痛點(diǎn)，筆者對實(shí)驗(yàn)人群進(jìn)行了訪談。訪談前先制作了訪談提綱，將希望要了解到的相關(guān)問題的相關(guān)情況進(jìn)行列舉，提綱準(zhǔn)備完畢后對其進(jìn)行逐一訪談交流。經(jīng)過多位實(shí)驗(yàn)操作者反饋：在液膜拉斷的前、后一瞬間兩次讀數(shù)困難，需要一直觀察數(shù)字電壓表數(shù)值變化，稍加不注意將會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，用戶體驗(yàn)不佳。

2.3 分析實(shí)驗(yàn)問題

在設(shè)計程序中，問題發(fā)現(xiàn)后要進(jìn)行問題的分析以及設(shè)計方向的預(yù)判，要從哪一個方向去解決問題，一個好的設(shè)計不是會解決所有的問題，一定是有取舍的解決問題。

在本實(shí)驗(yàn)中筆者對上述發(fā)現(xiàn)的問題從以下幾個維度進(jìn)行整合：人為因素、量具因素、力量因素、測量因素。將主要問題概括為：本實(shí)驗(yàn)裝置在測量中其人為因素使吊環(huán)脫離液面時受力不均勻、速度不均勻帶來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，同時操作者在液膜拉斷前后一瞬間由于數(shù)字電壓表數(shù)值變化迅速不易觀察數(shù)值變化而導(dǎo)致操作者體驗(yàn)不佳、因而讀數(shù)不準(zhǔn)確造成較大實(shí)驗(yàn)誤差。

2.4 尋找解決方案

設(shè)計程序中的這一過程是對新設(shè)計的構(gòu)建洞見、尋找到解決方案并進(jìn)行設(shè)計定義，設(shè)計定義常用到5W1H 定義法，即what （具體是什么）、who（用戶人群是誰）、when（在什么時候）、where（什么地點(diǎn)）、why（為什么）、how（怎么解決）。

避免人為拉起吊環(huán)、數(shù)字電壓表數(shù)值變化速度減慢、操作者讀數(shù)更方便而提升操作者的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)度是需要尋找解決方案的重點(diǎn)研究方向。

筆者以5W1H 法進(jìn)行思考定義本實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計方案，定義如下：

what: 液體表面張力系數(shù)測量教具

who: 實(shí)驗(yàn)操作者

when: 金屬環(huán)脫離液面前后時，操作者讀數(shù)時

where: 實(shí)驗(yàn)室操作臺

why: 改進(jìn)設(shè)計實(shí)驗(yàn)教具以減少實(shí)驗(yàn)誤差，讓測量結(jié)果更精確

how：利用排水法原理排開燒杯內(nèi)液體體積而使金屬環(huán)脫離液體表面，同時液面下降緩慢數(shù)字電壓表示數(shù)變化也將減緩。

2.5 解決方案實(shí)施

在設(shè)計程序中，方案的具體實(shí)施過程要進(jìn)行造型草圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計確定最終要實(shí)施的設(shè)計方案，接下來再將最終設(shè)計草圖進(jìn)行設(shè)計模型，具體實(shí)現(xiàn)方式的轉(zhuǎn)化。

筆者將設(shè)計程序加以轉(zhuǎn)化運(yùn)用，將預(yù)想的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行草圖繪制，分析各部分之間的連接關(guān)系、原理關(guān)系，通過各方面可實(shí)現(xiàn)性的判斷后又進(jìn)行器具、工具的準(zhǔn)備和教具的整體搭建。改進(jìn)設(shè)計后的教具主要連接關(guān)系如圖3。

圖3 改進(jìn)設(shè)計后實(shí)驗(yàn)教具搭建

2.6 解決方案驗(yàn)證

在設(shè)計程序中，方案設(shè)計完成后會對其進(jìn)行方案的可實(shí)現(xiàn)性測試、評估來驗(yàn)證設(shè)計。要對設(shè)計中人機(jī)工學(xué)進(jìn)行測試，同時測試的數(shù)據(jù)要同原數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證結(jié)果否滿足人機(jī)工學(xué)，是否相較于原有測試數(shù)據(jù)有所改良。其次也要用戶進(jìn)行體驗(yàn)測試，總結(jié)用戶反饋的信息，優(yōu)缺點(diǎn)等。

依據(jù)設(shè)計的程序與方法，筆者首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理數(shù)據(jù)，通過與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對如下。由結(jié)果可以明顯看出，在同一測量環(huán)境，保證其他條件因素均不變的情況下，使用改進(jìn)后的教具，并且盡可能減少實(shí)驗(yàn)中人為操作帶來的誤差，其結(jié)果更接近該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)值?？梢暂^明顯地提高實(shí)驗(yàn)的測量準(zhǔn)確度，減小測量誤差。

傳感靈敏度的測量

金屬環(huán)內(nèi)外徑的測量

金屬環(huán)外徑D1=3.489cm，內(nèi)徑D2=3.317cm，水的溫度：t=20.8℃

改進(jìn)前水的表面張力系數(shù)的測量數(shù)據(jù)

改進(jìn)后水的表面張力系數(shù)的測量數(shù)據(jù)

結(jié)論：在同一測量環(huán)境，溫度等其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果更接近標(biāo)準(zhǔn)值。同時U1、U2 的差值越大，證明液膜拉的越長，誤差越小。

隨后，筆者再一次對上述實(shí)驗(yàn)操作人群進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計后的實(shí)驗(yàn)教具體驗(yàn)測試、人機(jī)工學(xué)測試、科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計原則評估，筆者邀請了多位經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)專家進(jìn)行了三次以上的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，后又進(jìn)行了分部實(shí)驗(yàn)，如圖4，并按步驟排除各種可能性，均驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計的教具所得結(jié)果不是偶然情況。同時多數(shù)實(shí)驗(yàn)操作者有讀數(shù)體驗(yàn)更好，操作更加簡便的反饋。

圖4 分步實(shí)驗(yàn)

2.7 解決方案改進(jìn)

在設(shè)計程序的最后階段需要回顧設(shè)計的每一環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計各個階段中的對于設(shè)計目的性有偏差的地方、設(shè)計的方式有潛在問題的地方，應(yīng)該立即再改進(jìn)設(shè)計。

筆者在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完成后又對實(shí)驗(yàn)的每一環(huán)節(jié)回顧、檢驗(yàn)，筆者認(rèn)為：實(shí)驗(yàn)的教具可以改進(jìn)為一個在側(cè)壁帶有止水夾的平底燒杯，這樣可以更好的控制液體均勻平緩流放，能更好減小實(shí)驗(yàn)誤差，更容易讀出數(shù)字電壓表上數(shù)值的變化。

3 結(jié)論

本研究以拉脫法測量液體表面性質(zhì)測量教具的設(shè)計改進(jìn)為例對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計提出了一套完整的設(shè)計改進(jìn)流程方法。以設(shè)計程序與方法為導(dǎo)向，從七個改進(jìn)設(shè)計階段來完成對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計，此方法可應(yīng)用于大多數(shù)學(xué)科領(lǐng)域中實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)設(shè)計，可以靈活變通使用。本方法將促進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教具的教學(xué)創(chuàng)新發(fā)展，同時也為多領(lǐng)域、跨學(xué)科間的實(shí)驗(yàn)教具改進(jìn)設(shè)計研究方向做出了指引。

注釋

[1]李艷琴.基于力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)及其表面張力再認(rèn)識[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(8):18.

[2]葉智豐,蔡文君,巴佳燕,彭力.基于杠桿原理的測量液體表面張力系數(shù)新方法[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2020,33(06):7-10.