基于設計程序與方法導向的傳統實驗教具的改進設計流程方法的研究
——以液體表面性質測量教具的設計改進研究為例

董潔 蘇藝＊

（北京服裝學院，北京 100029）

在科學實驗研究過程中，不少研究者在不斷嘗試傳統實驗教具、實驗裝置的改進設計以減小實驗帶來的誤差、提高實驗結果的精確度。通過筆者多方面研究和實踐發現：目前并沒有完備的基于實驗教具的改進設計的流程方法體系。如何以設計的程序與方法為導向，從科學的維度及操作者體驗維度出發，將實驗教具的設計改進簡單化、系統化作為本研究的切入點。因此，本研究將以拉脫法測量液體表面性質方法研究和改進為例，從了解現有實驗流程到改進方案的解決等七個階段入手，同時運用每一階段的特定方法來完成對傳統實驗教具的設計改進，從而提出一套完整的實驗教具的設計改進流程。

1 實驗教具的改進設計流程

圖1 是本研究中筆者所提出的以設計程序與方法為導向的實驗教具的改進設計流程方法圖，該方法可以適用于大部分實驗教具的改進設計。

圖1 實驗教具的改進設計流程圖

該設計流程圖的使用方法如下：

第一步是了解現有實驗流程，改進設計者在具有相關行業知識能力的基礎上，通過大量文獻、多次個人實踐操作來熟悉實驗流程。在基于前述知識經驗的基礎，可以運用本階段所提到的專家訪談法，向有經驗的專家進行訪談交流以對實驗流程有充分了解。

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

第三步是分析已發現的實驗問題，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現后的問題進行分析以對改進設計方向有初步的預判。

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研究方向。要對改進設計的實驗教具有解決方案的設想。可以采取5W1H 法即what （是什么）、who（是誰來使用）、when（在什么時候使用）、where（在什么地點使用）、why（為什么要使用改進后的實驗教具）、how（改進后的教具怎么解決發現的問題）進行思考定義實驗教具的設計改進方案。

第五步是解決方案的實施，可以先將預想的實驗裝置進行草圖繪制，再通過一定的科學分析、原理關系來確定哪一個草圖方案最優，通過各方面可實現性的判斷后再進行器具、工具的準備、教具的整體搭建。

第六步是對解決方案進行驗證，通過對實驗數據進行記錄、數據處理，并與傳統實驗方法所得實驗數據進行整理、計算、對比，確定設計改進的實驗教具的實驗結果誤差是否減小。其次根據科學實驗設計原則進行評估。最后需要對上述參與的實驗操作人群進行改進設計后的實驗教具體驗測試，體驗實驗的全流程是否順利、是否有所改良，檢驗是否滿足人機尺寸、是否符合操作者認知、各方面痛點需求是否得以解決。

第七步是對于提出的解決方案的改進，可以用回顧分析法回顧設計的每一環節，發現設計各個階段中的對于設計改進目的性有偏差的地方、設計改進的方式有潛在問題的地方，應該立即再改進設計，此時可以回到流程3 分析實驗問題繼續依照此流程順序不斷探索。設計改進者應該判斷自身是否有能力或方法解決新發現的問題，在無條件、無能力解決的情況下提出改進方法或改進設計展望。

接下來筆者將上述實驗教具的改進設計流程方法運用于具體的改進設計案例，以液體表面張力測量這一大學生物理實驗的研究和改進為例。

2 液體表面性質測量教具的研究和改進

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

測量液體的表面張力系數有多種方法，拉脫法是大學生物理實驗中測量液體表面張力系數常用的方法之一。該方法的特點是，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，該測量方法直觀、概念清楚、實驗裝置簡單、可操作性強。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 了解現有實驗流程

在設計程序的最初階段，要通過設計背景，設計調研等多個維度的了解去探尋設計機會。在各類實驗中，首先應具有相關行業的知識能力，并且已多次進行個人實踐操作，同時可以向有經驗的專家進行訪談交流，對其有充分了解。

本文中實驗教具的改進是依托大學物理實驗，實驗方法的改進又高于大學物理實驗，筆者有相關物理理論知識和實驗能力并完成了其學習，同時通過查閱了大量文獻來了解測量液體表面性質的多種方法的不同流程。在以上知識的基礎上，又對行業中經驗豐富的專家進行了訪談交流以期積累實驗經驗與方法。

拉脫法測量液體表面張力的主要流程如下：把金屬吊環固定在力敏傳感器上，升高液面，使金屬吊環底部完全浸入在液體中，然后緩慢調節升降臺，使吊環逐漸從液面拉脫，吊環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 發現現有實驗問題

在設計程序中，通常會通過一系列的調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計中的常用方法（如同類產品分析法、觀察法、用戶訪談法等）去繼續深入發掘，發現現有設計中存在的問題或不足進行創新設計或改進設計。

根據上述設計的程序與方法，首先筆者查閱了大量文獻對現有的不同測量液體表面張力的實驗方法進行整理對比，現有的主要測量液體表面張力系數的方法有：毛細管上升法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法和拉脫法等。對其各自的優缺點以表格的形式進行整理梳理。筆者發現：相較于一些新的測量方法及裝置，傳統的拉脫法具有實驗儀器簡單、操作簡單的特點，目前很多高校實驗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驗裝置測量時人為干預多、測量誤差大、測試結果重復性不好等問題[2]。

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

圖2 手動調節升降臺

為了驗證并發現用戶在實驗操作時的需求同時發現實驗操作者在實驗操作時的痛點，筆者對實驗人群進行了訪談。訪談前先制作了訪談提綱，將希望要了解到的相關問題的相關情況進行列舉，提綱準備完畢后對其進行逐一訪談交流。經過多位實驗操作者反饋：在液膜拉斷的前、后一瞬間兩次讀數困難，需要一直觀察數字電壓表數值變化，稍加不注意將會對實驗結果產生影響，用戶體驗不佳。

2.3 分析實驗問題

在設計程序中，問題發現后要進行問題的分析以及設計方向的預判，要從哪一個方向去解決問題，一個好的設計不是會解決所有的問題，一定是有取舍的解決問題。

在本實驗中筆者對上述發現的問題從以下幾個維度進行整合：人為因素、量具因素、力量因素、測量因素。將主要問題概括為：本實驗裝置在測量中其人為因素使吊環脫離液面時受力不均勻、速度不均勻帶來的實驗結果誤差較大，同時操作者在液膜拉斷前后一瞬間由于數字電壓表數值變化迅速不易觀察數值變化而導致操作者體驗不佳、因而讀數不準確造成較大實驗誤差。

2.4 尋找解決方案

設計程序中的這一過程是對新設計的構建洞見、尋找到解決方案并進行設計定義，設計定義常用到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）、why（為什么）、how（怎么解決）。

避免人為拉起吊環、數字電壓表數值變化速度減慢、操作者讀數更方便而提升操作者的實驗操作體驗度是需要尋找解決方案的重點研究方向。

筆者以5W1H 法進行思考定義本實驗教具的改進設計方案，定義如下：

what: 液體表面張力系數測量教具

who: 實驗操作者

when: 金屬環脫離液面前后時，操作者讀數時

where: 實驗室操作臺

why: 改進設計實驗教具以減少實驗誤差，讓測量結果更精確

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

2.5 解決方案實施

在設計程序中，方案的具體實施過程要進行造型草圖、結構設計確定最終要實施的設計方案，接下來再將最終設計草圖進行設計模型，具體實現方式的轉化。

筆者將設計程序加以轉化運用，將預想的實驗裝置進行草圖繪制，分析各部分之間的連接關系、原理關系，通過各方面可實現性的判斷后又進行器具、工具的準備和教具的整體搭建。改進設計后的教具主要連接關系如圖3。

圖3 改進設計后實驗教具搭建

2.6 解決方案驗證

在設計程序中，方案設計完成后會對其進行方案的可實現性測試、評估來驗證設計。要對設計中人機工學進行測試，同時測試的數據要同原數據進行對比，驗證結果否滿足人機工學，是否相較于原有測試數據有所改良。其次也要用戶進行體驗測試，總結用戶反饋的信息，優缺點等。

依據設計的程序與方法，筆者首先對數據進行記錄、處理數據，通過與傳統實驗方法所得實驗數據進行對如下。由結果可以明顯看出，在同一測量環境，保證其他條件因素均不變的情況下，使用改進后的教具，并且盡可能減少實驗中人為操作帶來的誤差，其結果更接近該溫度下的標準值。可以較明顯地提高實驗的測量準確度，減小測量誤差。

傳感靈敏度的測量

金屬環內外徑的測量

金屬環外徑D1=3.489cm，內徑D2=3.317cm，水的溫度：t=20.8℃

改進前水的表面張力系數的測量數據

改進后水的表面張力系數的測量數據

結論：在同一測量環境，溫度等其他實驗條件不變的情況下改進后的實驗測量結果更接近標準值。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驗操作人群進行了改進設計后的實驗教具體驗測試、人機工學測試、科學實驗設計原則評估，筆者邀請了多位經驗豐富的行業專家進行了三次以上的重復性實驗，后又進行了分部實驗，如圖4，并按步驟排除各種可能性，均驗證了改進設計的教具所得結果不是偶然情況。同時多數實驗操作者有讀數體驗更好，操作更加簡便的反饋。

圖4 分步實驗

2.7 解決方案改進

在設計程序的最后階段需要回顧設計的每一環節，發現設計各個階段中的對于設計目的性有偏差的地方、設計的方式有潛在問題的地方，應該立即再改進設計。

筆者在實驗驗證完成后又對實驗的每一環節回顧、檢驗，筆者認為：實驗的教具可以改進為一個在側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，能更好減小實驗誤差，更容易讀出數字電壓表上數值的變化。

3 結論

本研究以拉脫法測量液體表面性質測量教具的設計改進為例對傳統實驗教具的改進設計提出了一套完整的設計改進流程方法。以設計程序與方法為導向，從七個改進設計階段來完成對傳統實驗教具的改進設計，此方法可應用于大多數學科領域中實驗教具的改進設計，可以靈活變通使用。本方法將促進科學實驗教具的教學創新發展，同時也為多領域、跨學科間的實驗教具改進設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及其表面張力再認識[J].實驗室研究與探索，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新方法[J].大學物理實驗,2020,33(06):7-10.