科學課堂對比實驗的特點與實施

宋金榜

科學研究通常始于問題，然后基于已有經驗和知識對問題提出猜想或假設，再設計研究方案（常用的研究方法包括觀察、實驗、查閱資料、調查等，本文主要討論實驗方法），并對通過研究搜集到的證據（如實驗數據）進行整理、分析，最后得出結論。

結構良好的科學問題往往指向兩個變量之間的關系，如大象版小學《科學》三年級上冊第三單元《溶解的秘密》第2課《溶解與攪拌》中提出的問題“攪拌對物質溶解快慢有什么影響”，三年級下冊第四單元《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”，以及學生在日常生活中經常會提出的問題“滑梯越陡，滑下來的速度越快嗎”等。第一個問題包含了兩個變量：一個是攪拌，一個是物質溶解的速度。其中攪拌是可能引起物質溶解速度變化的原因，是由實驗者操縱、掌握的變量，稱為自變量;物質溶解速度可能是攪拌引起的結果，稱為因變量。另外兩個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。對于這種結構良好的科學問題，我們往往可以通過對比實驗來進行研究。

也有些科學問題是結構不良的問題，字面上看不出有兩個變量，如一年級上冊準備單元《吹泡泡，學科學》中提出的問題“怎樣吹出大泡泡”，三年級上冊準備單元《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？”對于這樣的問題，要通過對比實驗進行研究，就必須先提出結構良好的猜想或假設。一個結構良好的假設也往往包含兩個變量，比如：“如果在泡泡水中加入洗發水，吹出的泡泡可能更大?！薄叭绻o小丑每只手上固定一個重物，那么小丑就更不容易從鋼絲上掉下來?！钡谝粋€假設的自變量是在泡泡水中加入洗發水，因變量就是吹出泡泡的大小。第二個假設的自變量是給小丑每只手上固定一個重物，因變量是小丑在鋼絲上的穩定程度。對于這種結構良好的假設，我們就可以通過對比實驗來進行研究。

對比實驗

我們知道，要驗證我們的猜想或假設可以應用實驗的方法，但有些問題或猜想、假設往往不是通過一個孤立的、針對單一研究對象的實驗就能夠得出結論的。比如，在學習一年級上冊第二單元《認識小動物》第1課《兔子》時，學生經常會提出“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”的結論。而拿兩種或多種食物同時去喂同一只兔子，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（一年級下冊第二單元《植物“保育員”》第2課《缺水的吊蘭》），為了驗證“我猜它一定是‘渴了”的猜想時，也必須通過對澆水的吊蘭和不澆水的吊蘭兩個研究對象進行實驗觀察，發現澆水的吊蘭比不澆水的吊蘭生長得更好時，才能得出“吊蘭的生長需要水”的結論。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”的結論，因為在實驗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驗的對比，我們就無法判斷這些條件中哪些是吊蘭生長的必需條件。

像這種設置兩個或兩個以上的實驗組，通過對結果的比較分析，來探究不同的實驗條件或因素（自變量）與實驗對象的反應（因變量）之間關系的實驗就是對比實驗。在對比實驗中，通過有意識地改變某個條件或因素，探究它和實驗對象的反應之間的關系，是一種重要的科學研究方法。

《義務教育小學科學課程標準》（下文簡稱《課程標準》）在科學探究總目標中強調讓學生初步了解分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法，對比實驗就主要運用了其中的“比較”的思維方法?！墩n程標準》也強調了對比實驗在小學科學教學中的運用，如：通過對比實驗、辯證分析和邏輯推理等方法，初步認識地球物質不斷變化并且互相影響，形成多種自然現象。對于三至四年級的學習目標“觀察并描述沙質土、黏質土和壤土的不同特點;舉例說出沙質土、黏質土和壤土適宜生長不同的植物”，《課程標準》還提出了“做對比實驗，比較沙質土、黏質土和壤土的特征”的活動建議。

控制變量

雖然對比實驗能夠用來研究某個條件或因素與實驗現象之間的關系，但是，不規范的對比實驗可能得出不可靠的結論。比如，在研究溫度對物質在水中溶解快慢的影響的實驗中，除了水的溫度，影響物質在水中全部溶解所需要的時間的因素還包括物質的多少及其顆粒的大小、是否攪拌、水的多少等。如果在進行對比實驗時，在熱水中放入的物質多，或者顆粒大，或者所用的水少，或者在冷水中放入物質后進行攪拌，都有可能得出“物質在溫度低的水中溶解的速度快”的結論。顯然，這種錯誤是由于實驗條件的“不公平”引起的。

在實驗中，往往有多種條件和因素影響實驗結果，我們把在實驗中需要操縱、控制和測量的各種因素或條件都稱為變量。對比實驗中主要涉及三種變量：自變量、因變量和無關變量。自變量是在實驗中需要研究和改變的變量，比如上述實驗中水的溫度。因變量是指實驗中實驗對象對不同自變量的反應，如上述實驗中物質在熱水和冷水中完全溶解分別需要的時間。實驗中，除自變量和因變量以外的影響實驗結果的潛在因素或條件統稱為無關變量，如上述實驗中物質的多少、物質的顆粒大小、攪拌、水的多少等。需要注意的是，無關變量并不是和實驗結果無關，而是和實驗目的無關。事實上，很多無關變量往往可能對實驗結果帶來影響，并且讓我們得出不可靠的實驗結論。因此，教師在實驗中要對這些無關變量進行控制，不讓它們出現在實驗過程中，或者讓它們在不同的實驗組中保持一致，從而避免它們對實驗結果帶來影響。這種在對比實驗中對無關變量進行控制使其保持一致的實驗方法稱為“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變量控制好，才能真正弄清實驗中自變量與因變量之間的關系，而不受其他無關變量的干擾。

控制變量是一種重要的實驗方法。對于“制訂計劃”要素，《課程標準》要求五至六年級的學生能基于所學的知識，制訂比較完整的探究計劃，初步具備實驗設計的能力和控制變量的意識，并能設計單一變量的實驗方案。

當然，要利用控制變量法設計單一變量的實驗方案來消除無關變量對實驗結果的影響，還需要掌握控制變量的常用方法。

1.排除法

所謂排除法，就是把無關變量從實驗中排除出去的方法。例如，在研究澆水對吊蘭生長狀況的影響時，陽光就成了無關變量，為了避免陽光對實驗結果造成的影響，可以把兩組實驗對象都放到暗盒里。在研究溫度對物質溶解快慢的影響時，攪拌就成了無關變量，為了避免攪拌對實驗結果造成的影響，兩組實驗都不進行攪拌。排除法可以直接避免無關變量對實驗結果的影響，但所得出的結論卻因此帶有局限性，比如在暗盒中進行的澆水對吊蘭生長狀況的影響的實驗結論不能直接推廣到有陽光照射時，因為沒有經過合適的實驗研究，我們不能排除吊蘭在暗盒中生長需要水分，而在有陽光照射時不需要水分的可能，也不能排除不攪拌時物質在熱水中溶解得快，而攪拌時在冷水中溶解得快的可能。

2.恒定法

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

和排除法一樣，用恒定法控制無關變量也有其不可避免的缺點：實驗結果不能推廣到無關變量的其他水平上去。比如，在澆水少的情況下得出的實驗結論不能推廣到澆水多的情況下，因為我們不能排除某種植物在干旱地區喜歡黏質土，而在多雨的地區喜歡沙質土的可能。

3.匹配法

有時為了避免實驗對象個體屬性的偶然性對實驗結果的影響，我們在實驗時可能會采用多個研究對象。比如在研究水對種子萌發的影響時，往往會在每個實驗組中使用多顆種子，以觀察澆水量不同時（不澆水、適量澆水、一直淹在水中）種子的發芽率。為了避免種子質量的差異對實驗結果帶來的影響，教師在分配種子時，需要使每個組的種子質量大致平均。這種使每個組中被試對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，也需要使用匹配法來控制變量：分別測量一定數量的男運動員和女運動員的肺活量，并對比其平均值，再分別測量一定數量的非運動員男生和非運動員女生的肺活量并對比其平均值。如果以女運動員的肺活量和非運動員男生的肺活量進行對比，就有可能會得出“女生比男生肺活量大”的結論。

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，另一組先吃早飯再背單詞，然后測試單位時間內每組記住單詞的平均數量。

4.隨機法

隨機法是把被試隨機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，隨機法就是一種控制無關變量的可靠方法，因為如果任何一個成員都有同等機會被分派到任意一組，那么我們就可以期望隨機分派形成的每個組的各種無關變量是均等的，也就在無關變量上做到了匹配。比如，我們在研究不同因素對種子發芽率的影響時，如果種子數量足夠多，種子的質量差異不是特別大，完全可以使用隨機法來控制變量，將種子隨機地分派到各組中。

這種利用隨機法來控制無關變量的實驗方法也被稱為隨機對照實驗。隨機對照實驗在醫療衛生行業常常用來檢測藥物或療法的治療效果：將實驗對象（病人）隨機分成兩組，其中一組采用所研究的藥物或療法進行治療，稱為實驗組;另一組則不給予有效治療，稱為對照組。實驗結束，對比兩組的治療效果，從而對所研究的藥物或療法的治療效果做出判斷。

隨機雙盲實驗

在用隨機對照實驗檢測藥物或療法的治療效果時，對照組的病人如果知道自己沒有得到藥物或療法的治療，可能會產生失望、沮喪的心情，而實驗組的病人如果知道自己得到藥物或療法的治療就會產生期待、興奮的心情，從而出現無關變量差異，并可能對實驗結果產生影響。為了避免這種差異，研究者在進行實驗時，會將受試者分為采用真正實驗藥的實驗組和采用外部特征完全一樣的假藥的安慰劑組，而實際用藥情況對病人保密。這種用藥情況只有研究者知道，對病人保密的研究方法稱為單盲實驗。

單盲實驗仍然有其不足之處。由于研究人員會與病人接觸，研究人員的言行、表情、暗示等都會引起病人的猜測并對病人的心理產生影響，而且研究人員對實驗結果傾向性的期望也會自覺或者不自覺地影響其對治療效果的判斷。

為了避免這種現象，醫療衛生行業在進行藥物或療法的臨床實驗時，往往讓實驗操作者和病人都不知道哪些病人接受了哪種實驗條件，甚至不知道實驗的內容和目的，實驗結果則交由第三方統計人員處理分析，從而避免了主試、被試雙方因為主觀期望所引發的無關變量的影響。這種實驗方式被稱為雙盲實驗。雙盲實驗能有效地避免主試、被試雙方的主觀偏向對實驗結果的影響，從而得出更嚴謹的結論，因而被現代醫學奉為檢測藥物療效的“金標準”，很多國家和地區都明確規定新藥在進入臨床應用前必須經過隨機雙盲臨床實驗。

因此，醫療衛生行業所廣泛使用的雙盲實驗也是一種更為嚴謹、能夠應對更為復雜的主觀因素影響的對比實驗。前文說過，假設往往需要通過對比實驗來驗證，而不能通過孤立的實驗來驗證，對于藥物療效的研究更是如此。但是，在實際臨床治療中，對于一些新出現的疾病或者疑難雜癥往往會采用多種藥物來進行治療，尤其是一些病人“有病亂投醫”，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，所以這種藥對我的病有效”的邏輯，得出的結論往往是不可靠的，因為不能排除是其他藥物起到的治療作用。

藥物對自限性疾病的治療效果的研究更需要進行雙盲實驗。自限性疾病是疾病在發展到一定程度后，依靠機體調節能夠控制病情發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，一個人在確診為病毒性感冒后，如果不太嚴重而且沒有其他并發癥，醫生往往會建議他多喝水、多休息，一般一周左右就會逐漸痊愈。在這種情況下我們當然不能得出“水可以治療病毒性感冒”的結論。如果要研究某種藥物治療病毒性感冒的效果，就需要對這種藥物進行隨機雙盲對照實驗，考查實驗組和對照組在病程長短、病癥輕重等方面是否有足夠顯著的差異。如果與對照組相比，實驗組癥狀明顯減輕，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論。

河南教育報刊社（450003）？？