科学课堂对比实验的特点与实施

宋金榜

科学研究通常始于问题，然后基于已有经验和知识对问题提出猜想或假设，再设计研究方案（常用的研究方法包括观察、实验、查阅资料、调查等，本文主要讨论实验方法），并对通过研究搜集到的证据（如实验数据）进行整理、分析，最后得出结论。

结构良好的科学问题往往指向两个变量之间的关系，如大象版小学《科学》三年级上册第三单元《溶解的秘密》第2课《溶解与搅拌》中提出的问题“搅拌对物质溶解快慢有什么影响”，三年级下册第四单元《土壤，生命的家园》第4课《土壤与植物》中提出的问题“植物也有自己喜欢的土壤吗”，以及学生在日常生活中经常会提出的问题“滑梯越陡，滑下来的速度越快吗”等。第一个问题包含了两个变量：一个是搅拌，一个是物质溶解的速度。其中搅拌是可能引起物质溶解速度变化的原因，是由实验者操纵、掌握的变量，称为自变量;物质溶解速度可能是搅拌引起的结果，称为因变量。另外两个问题的自变量和因变量分别是：土壤的不同类型与植物的生长状况;滑梯的坡度与滑下来的速度。对于这种结构良好的科学问题，我们往往可以通过对比实验来进行研究。

也有些科学问题是结构不良的问题，字面上看不出有两个变量，如一年级上册准备单元《吹泡泡，学科学》中提出的问题“怎样吹出大泡泡”，三年级上册准备单元《倒立的小丑》中提出的问题：“怎样才能让小丑更不容易从钢丝上掉下来？”对于这样的问题，要通过对比实验进行研究，就必须先提出结构良好的猜想或假设。一个结构良好的假设也往往包含两个变量，比如：“如果在泡泡水中加入洗发水，吹出的泡泡可能更大。”“如果给小丑每只手上固定一个重物，那么小丑就更不容易从钢丝上掉下来。”第一个假设的自变量是在泡泡水中加入洗发水，因变量就是吹出泡泡的大小。第二个假设的自变量是给小丑每只手上固定一个重物，因变量是小丑在钢丝上的稳定程度。对于这种结构良好的假设，我们就可以通过对比实验来进行研究。

对比实验

我们知道，要验证我们的猜想或假设可以应用实验的方法，但有些问题或猜想、假设往往不是通过一个孤立的、针对单一研究对象的实验就能够得出结论的。比如，在学习一年级上册第二单元《认识小动物》第1课《兔子》时，学生经常会提出“小兔子喜欢吃什么”的问题。如果我们只拿一种食物来探究，比如拿胡萝卜或者火腿肠去喂兔子看它吃不吃，我们只能得出“兔子吃胡萝卜”或者“兔子不吃火腿肠”的结论。而拿两种或多种食物同时去喂同一只兔子，看它选择吃什么，就可以比较出在这些食物中兔子喜欢吃什么了。

在研究“植物角里的吊兰怎么蔫了”的问题时（一年级下册第二单元《植物“保育员”》第2课《缺水的吊兰》），为了验证“我猜它一定是‘渴了”的猜想时，也必须通过对浇水的吊兰和不浇水的吊兰两个研究对象进行实验观察，发现浇水的吊兰比不浇水的吊兰生长得更好时，才能得出“吊兰的生长需要水”的结论。单凭浇水的吊兰生长良好，我们不能得出“吊兰的生长需要水”的结论，因为在实验过程中可能还伴随了其他条件，比如阳光照射、播放了音乐、出现了闪电、称赞了吊兰，等等。没有浇水和不浇水、阳光照射和没有阳光照射、播放了音乐和没有播放音乐等实验的对比，我们就无法判断这些条件中哪些是吊兰生长的必需条件。

像这种设置两个或两个以上的实验组，通过对结果的比较分析，来探究不同的实验条件或因素（自变量）与实验对象的反应（因变量）之间关系的实验就是对比实验。在对比实验中，通过有意识地改变某个条件或因素，探究它和实验对象的反应之间的关系，是一种重要的科学研究方法。

《义务教育小学科学课程标准》（下文简称《课程标准》）在科学探究总目标中强调让学生初步了解分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，对比实验就主要运用了其中的“比较”的思维方法。《课程标准》也强调了对比实验在小学科学教学中的运用，如：通过对比实验、辩证分析和逻辑推理等方法，初步认识地球物质不断变化并且互相影响，形成多种自然现象。对于三至四年级的学习目标“观察并描述沙质土、黏质土和壤土的不同特点;举例说出沙质土、黏质土和壤土適宜生长不同的植物”，《课程标准》还提出了“做对比实验，比较沙质土、黏质土和壤土的特征”的活动建议。

控制变量

虽然对比实验能够用来研究某个条件或因素与实验现象之间的关系，但是，不规范的对比实验可能得出不可靠的结论。比如，在研究温度对物质在水中溶解快慢的影响的实验中，除了水的温度，影响物质在水中全部溶解所需要的时间的因素还包括物质的多少及其颗粒的大小、是否搅拌、水的多少等。如果在进行对比实验时，在热水中放入的物质多，或者颗粒大，或者所用的水少，或者在冷水中放入物质后进行搅拌，都有可能得出“物质在温度低的水中溶解的速度快”的结论。显然，这种错误是由于实验条件的“不公平”引起的。

在实验中，往往有多种条件和因素影响实验结果，我们把在实验中需要操纵、控制和测量的各种因素或条件都称为变量。对比实验中主要涉及三种变量：自变量、因变量和无关变量。自变量是在实验中需要研究和改变的变量，比如上述实验中水的温度。因变量是指实验中实验对象对不同自变量的反应，如上述实验中物质在热水和冷水中完全溶解分别需要的时间。实验中，除自变量和因变量以外的影响实验结果的潜在因素或条件统称为无关变量，如上述实验中物质的多少、物质的颗粒大小、搅拌、水的多少等。需要注意的是，无关变量并不是和实验结果无关，而是和实验目的无关。事实上，很多无关变量往往可能对实验结果带来影响，并且让我们得出不可靠的实验结论。因此，教师在实验中要对这些无关变量进行控制，不让它们出现在实验过程中，或者让它们在不同的实验组中保持一致，从而避免它们对实验结果带来影响。这种在对比实验中对无关变量进行控制使其保持一致的实验方法称为“控制变量法”。只有将自变量以外一切可能引起因变量变化的无关变量控制好，才能真正弄清实验中自变量与因变量之间的关系，而不受其他无关变量的干扰。

控制变量是一种重要的实验方法。对于“制订计划”要素，《课程标准》要求五至六年级的学生能基于所学的知识，制订比较完整的探究计划，初步具备实验设计的能力和控制变量的意识，并能设计单一变量的实验方案。

当然，要利用控制变量法设计单一变量的实验方案来消除无关变量对实验结果的影响，还需要掌握控制变量的常用方法。

1.排除法

所谓排除法，就是把无关变量从实验中排除出去的方法。例如，在研究浇水对吊兰生长状况的影响时，阳光就成了无关变量，为了避免阳光对实验结果造成的影响，可以把两组实验对象都放到暗盒里。在研究温度对物质溶解快慢的影响时，搅拌就成了无关变量，为了避免搅拌对实验结果造成的影响，两组实验都不进行搅拌。排除法可以直接避免无关变量对实验结果的影响，但所得出的结论却因此带有局限性，比如在暗盒中进行的浇水对吊兰生长状况的影响的实验结论不能直接推广到有阳光照射时，因为没有经过合适的实验研究，我们不能排除吊兰在暗盒中生长需要水分，而在有阳光照射时不需要水分的可能，也不能排除不搅拌时物质在热水中溶解得快，而搅拌时在冷水中溶解得快的可能。

2.恒定法

恒定法是指控制无关变量，使其在实验过程中保持恒定不变以避免其对实验结果产生影响的方法。比如，在研究不同土壤对绿豆生长的影响时，土壤类型是自变量，绿豆的生长状况是因变量，而花盆的大小和质地、土壤的多少、浇水量、温度、阳光等均为无关变量。要避免这些无关变量的影响，需要采用同样大小和质地的花盆，一样多的土壤，浇同样多的水，放在同一个地方以保持温度和阳光都相同，等等。

和排除法一样，用恒定法控制无关变量也有其不可避免的缺点：实验结果不能推广到无关变量的其他水平上去。比如，在浇水少的情况下得出的实验结论不能推广到浇水多的情况下，因为我们不能排除某种植物在干旱地区喜欢黏质土，而在多雨的地区喜欢沙质土的可能。

3.匹配法

有时为了避免实验对象个体属性的偶然性对实验结果的影响，我们在实验时可能会采用多个研究对象。比如在研究水对种子萌发的影响时，往往会在每个实验组中使用多颗种子，以观察浇水量不同时（不澆水、适量浇水、一直淹在水中）种子的发芽率。为了避免种子质量的差异对实验结果带来的影响，教师在分配种子时，需要使每个组的种子质量大致平均。这种使每个组中被试对象的属性相等的控制变量方法就称为匹配法。

我们在研究男生和女生肺活量的差异时，也需要使用匹配法来控制变量：分别测量一定数量的男运动员和女运动员的肺活量，并对比其平均值，再分别测量一定数量的非运动员男生和非运动员女生的肺活量并对比其平均值。如果以女运动员的肺活量和非运动员男生的肺活量进行对比，就有可能会得出“女生比男生肺活量大”的结论。

再如，如果我们想研究早饭前背单词效果好，还是早饭后背单词效果好，就需要把研究对象按照英语水平平均分为两组，再让其中一组先背单词再吃早饭，另一组先吃早饭再背单词，然后测试单位时间内每组记住单词的平均数量。

4.随机法

随机法是把被试随机分派到各组中的控制变量的方法。从理论上讲，如果被试样本足够多，随机法就是一种控制无关变量的可靠方法，因为如果任何一个成员都有同等机会被分派到任意一组，那么我们就可以期望随机分派形成的每个组的各种无关变量是均等的，也就在无关变量上做到了匹配。比如，我们在研究不同因素对种子发芽率的影响时，如果种子数量足够多，种子的质量差异不是特别大，完全可以使用随机法来控制变量，将种子随机地分派到各组中。

这种利用随机法来控制无关变量的实验方法也被称为随机对照实验。随机对照实验在医疗卫生行业常常用来检测药物或疗法的治疗效果：将实验对象（病人）随机分成两组，其中一组采用所研究的药物或疗法进行治疗，称为实验组;另一组则不给予有效治疗，称为对照组。实验结束，对比两组的治疗效果，从而对所研究的药物或疗法的治疗效果做出判断。

随机双盲实验

在用随机对照实验检测药物或疗法的治疗效果时，对照组的病人如果知道自己没有得到药物或疗法的治疗，可能会产生失望、沮丧的心情，而实验组的病人如果知道自己得到药物或疗法的治疗就会产生期待、兴奋的心情，从而出现无关变量差异，并可能对实验结果产生影响。为了避免这种差异，研究者在进行实验时，会将受试者分为采用真正实验药的实验组和采用外部特征完全一样的假药的安慰剂组，而实际用药情况对病人保密。这种用药情况只有研究者知道，对病人保密的研究方法称为单盲实验。

单盲实验仍然有其不足之处。由于研究人员会与病人接触，研究人员的言行、表情、暗示等都会引起病人的猜测并对病人的心理产生影响，而且研究人员对实验结果倾向性的期望也会自觉或者不自觉地影响其对治疗效果的判断。

为了避免这种现象，医疗卫生行业在进行药物或疗法的临床实验时，往往让实验操作者和病人都不知道哪些病人接受了哪种实验条件，甚至不知道实验的内容和目的，实验结果则交由第三方统计人员处理分析，从而避免了主试、被试双方因为主观期望所引发的无关变量的影响。这种实验方式被称为双盲实验。双盲实验能有效地避免主试、被试双方的主观偏向对实验结果的影响，从而得出更严谨的结论，因而被现代医学奉为检测药物疗效的“金标准”，很多国家和地区都明确规定新药在进入临床应用前必须经过随机双盲临床实验。

因此，医疗卫生行业所广泛使用的双盲实验也是一种更为严谨、能够应对更为复杂的主观因素影响的对比实验。前文说过，假设往往需要通过对比实验来验证，而不能通过孤立的实验来验证，对于药物疗效的研究更是如此。但是，在实际临床治疗中，对于一些新出现的疾病或者疑难杂症往往会采用多种药物来进行治疗，尤其是一些病人“有病乱投医”，用过的药物种类更为繁多。在这种情况下，如果采用“我吃了什么药病就好了，所以这种药对我的病有效”的逻辑，得出的结论往往是不可靠的，因为不能排除是其他药物起到的治疗作用。

药物对自限性疾病的治疗效果的研究更需要进行双盲实验。自限性疾病是疾病在发展到一定程度后，依靠机体调节能够控制病情发展并逐渐痊愈的疾病。病毒性感冒就是一种常见的自限性疾病，所以，一个人在确诊为病毒性感冒后，如果不太严重而且没有其他并发症，医生往往会建议他多喝水、多休息，一般一周左右就会逐渐痊愈。在这种情况下我们当然不能得出“水可以治疗病毒性感冒”的结论。如果要研究某种药物治疗病毒性感冒的效果，就需要对这种药物进行随机双盲对照实验，考查实验组和对照组在病程长短、病症轻重等方面是否有足够显著的差异。如果与对照组相比，实验组症状明显减轻，病程明显缩短，我们就可以得出这种药物能够有效治疗病毒性感冒的结论。

河南教育报刊社（450003）？？