如何進行科學實驗

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實驗是科學家們通過測試自然現象獲得新認識的方法。正確的實驗遵循有邏輯的設計分離和測試具體、準確界定的變量。通過學習實驗計劃背後的基本原則，你可以把這些準則應用在自己的實驗裏。不管它們的適用範圍，所有優秀的實驗操作，從五年級土豆鍾科學展覽項目到尖端的希格斯玻色子研究，都要遵循邏輯、演繹的科學方法。

設計科學合理的實驗

（01）選出特定的主題。導致全方位科學思維模式轉換的實驗結果非常罕見。大部分的實驗都是找出具體小問題的答案。科學知識是建立在無數的實驗中不斷積累的數據。在可測試的小範圍內，選擇特定的主題或未解決的問題。例如，如果你想研究農業化肥，不要找尋這樣的問題的答案，“哪一種化肥最適合植物生長？”世界上有許多不同種類的化肥和植物—一個實驗無法總結所有的答案。設計實驗更好的問題是“什麼濃度的氮肥培育的玉米最大？”現代科學知識非常廣泛。如果你傾向於進行比較正式的研究，最好是在開始設計實驗前，廣泛深入地研究和學習與話題相關的知識。以往的實驗回答了你想研究的主題的答案嗎？如果答案是肯定的，有沒有辦法調整你的主題，以便回答以往的實驗還沒找到答案的問題？

（02）分離變量。科學的實驗是測試被稱為變量的具體、可測量的參數。概括地説，研究人員進行一項實驗是測試變量獲得一系列的數值。進行實驗的一個至關重要的事情是隻改變你正在測試的具體變量（沒有其他的變量）。例如，在我們的化肥實驗的例子中，研究人員將施用不同氮濃度的化肥種植多顆玉米樹。他會給每顆玉米樹提供數量“完全”相同的化肥。他會確保使用的化肥的化學成分除了氮濃度不同，其他都一樣—比如，他不會給玉米樹施用含有更高濃度的鎂的化肥。他還將在每個重複的實驗中的同一時間和同樣條件的土壤裏種植數量和種類完全一樣的玉米樹。

（03）提出假設。假設實質上是對實驗結果的預測。它不能是盲目的猜測—恰當的假設應該是通過在選擇實驗主題時所進行的背景調查得出的假説。在你的同行對相同領域做出的類似的實驗得到的結果的基礎上提出你的假設，或者，如果你要解決的問題還沒有得到充分研究，那就結合任何可以找到的文獻研究和觀察記錄再提出假設。要記住，儘管你做了最深入的研究，最後得到的結果很可能會證明你的假設是錯誤的—這種情況下，猜想被證明“不”正確，你還是學到了更多的知識。通常，假設使用的是定量陳述句。同時假設還將實驗參數的測量方式考慮在內。關於我們的化肥實驗恰當假設是：“每蒲式耳（約36.37升）玉米樹施用1磅（0.45千克）氮肥比等量的玉米樹施用不同含量的氮肥得到更大的產量。”

（04）計劃收集數據。事先知道你要 “什麼時候” 收集數據和收集“什麼類型”的數據。在特定時間測量這些數據，在其他情況下，定期測量數據。例如，在我們的化肥實驗的例子中，玉米樹生長到一定階段後，我們會測量玉米的重量（單位：千克）。我們會把玉米的重量和化肥的含氮量進行比較。其他實驗（比如隨着時間的推移，測量某一變量的變化），需要定期收集數據。提前做好數據表是個不錯的方法—記錄時，你可以簡單地將數值填入表格。瞭解因變量和自變量的區別。自變量是我們做實驗時控制的量，而因變量是由於自變量變動而引起變化的量。在我們的實驗裏，“含氮量”是“獨立”變量，而“產量（單位：千克）”是“從屬”變量。一個基本的表格會有位置填寫兩種變量隨時間變化的數值。

（05）有條不紊地進行實驗。做實驗，測試變量。這差不多需要你多次進行實驗和得到多個數值。在化料實驗中，我們將種植多顆相同的玉米樹，施用含氮量不同的化肥。一般，越廣泛地收集數據就越好。儘可能記錄更多的數據。優秀的實驗設計包含所謂的控制因素。重複的實驗 “不”應該包括你測試的變量。在化肥實驗中，我們會給其中一顆玉米樹施用不含氮的化肥。這些都由我們控制—這將是我們測量其他玉米樹生長狀況的一個基準。注意實驗過程中所有危險材料的安全措施或處理方法。

（06）收集數據。如果可以，直接把實驗數據記錄在表格上——為你後期保存和總結數據省時省力。要懂得如何評估數據異常值。最好是儘量直觀地顯示實驗數據。用圖表描繪數據，並用直線或曲線連接最適合的數值，把趨勢顯示出來。這樣有利於你（和任何其他看圖的人）對數據圖形一目瞭然。多數基本的實驗，獨立變量用水平線x軸表示，因變量用垂直線y軸表示。

（07）分析數據和歸納總結。你的假設正確嗎？數據中能否觀察到變化趨勢？你是否得到意想不到的數據？你有沒有任何未解決的問題可能會成為將來的實驗基礎？當你評估結果時嘗試回答這些問題。如果實驗數據不能肯定你的假設是“正確”還是“錯誤”，考慮進行更多的實驗和收集更多的數據。寫一篇全面的科學論文分享你的實驗結果。懂得如何寫一篇科學論文是一項有用的技能—大多數新研究的結果必須根據特定的格式編寫和發表。

進行示例實驗

（01）選擇一個主題和決定變量。因為實驗的目的，我們會選擇一個簡單、小規模的實驗。在實驗中，我們會測試不同氣溶膠燃料對土豆槍的有效射程的影響。在這個實驗中，我們使用的氣溶膠燃料是“自變量”（我們控制的量），而射程是“因變量”。這個實驗要考慮的問題—有辦法保證每個土豆彈都有同樣的重量嗎？是否每次發射都使用等量的氣溶膠燃料？這些都會影響土豆槍的射程。提前稱量每顆彈的重量和每次射擊都使用等量的燃料。

（02）作出假設。如果我們測試髮膠、烹飪噴霧和噴漆，比方説，髮膠的氣溶膠比其他噴霧含有更高的丁烷。由於我們知道丁烷具有可燃性，我們可以假説髮膠點燃時產生更大的推進力，使土豆彈發送更遠。我們會這樣寫假説：“通常，髮膠中丁烷含量越高的氣溶膠發射250 - 300克土豆彈的射程越遠。”

（03）事先收集數據。在實驗中，我們將測試每種氣溶膠燃料和取平均值。我們還將測試一種不含丁烷的氣溶膠燃料作為實驗控制變量。我們需要做好準備，組裝土豆加農炮，先測試以確保它能發射，購買氣溶膠噴霧，雕刻和稱出土豆炮彈重量。我們事先設計好數據表。我們將有五個垂直列：最左邊一列標記“實驗#”。這一列的單元格每行標數字1-10，代表每個射擊實驗。接下來的4列標上我們在實驗中使用的氣溶膠噴霧的名稱。4列對應的10行單元格上分別記錄每次射擊的範圍(單位：米)。四列燃料下面分別留點空間填寫每種燃料的平均射擊範圍。

（04）開始實驗。我們將使用每個氣溶膠噴霧發射十枚炮彈，發射每種炮彈使用等量的氣溶膠噴霧。每次發射後，我們將使用長卷尺測量炮彈射程。並把數據記錄在數據表。像許多實驗那樣，這次實驗包含一些需要注意的安全問題。實驗中使用的氣溶膠噴霧具有可燃性—我們要保證安全地關閉土豆槍的射擊帽和點燃燃料時要穿厚手套。為避免炮彈造成意外傷害，還應該確保在土豆槍開火時我們(和任何觀察員)必須站到一邊，而不是在槍口或槍後。

（05）分析數據。比方説，我們發現一般用髮膠噴射土豆最遠，但用烹飪噴霧射程比較均勻。我們可以把這些數據呈現出來。描出每種噴霧的平均射程最好的方法是用條形圖，而顯示每種燃料的射程的變化最好是用散點分佈圖。

（06）歸納總結。反映你的實驗結果。根據實驗數據，我們可以自信地宣佈我們之前的猜想是正確的。我們還可以説，我們獲得料想之外的新發現—烹飪噴霧生產最一致的結果。我們可以實驗中遇到的任何問題或麻煩表達出來-比方説噴漆堵在土豆加農炮的燃燒室，使重複點火變得困難。最後，我們可以為人們進一步研究的領域提出建議—例如，也許增加燃料，我們可以得到更遠的射程。我們甚至可以以科學論文的形式與世界分享我們的研究成果—鑑於我們的實驗主題，可能更適合以三折面的科學展覽形式展示。