制订研究和实验方案大致要考虑以下几个方面的内容:
(1)研究的背景
告诉人们问题是怎么提出来的,怎么想到研究和实验这个课题的。比如“净化公共语言,倡导规范用字”这一课题就是一名青少年在街上看到许多标语、条幅、商店的招牌、商家的广告中,有的有错别字,有的繁简混用,有的乱用意译等,造成了公共语言混乱,对社会尤其青少年有许多消极影响,于是就提出了这样的课题。
(2)研究和实验的界定
即对课题研究和实验的对象、范围、时间、空间的具体规定,它体现课题研究和实验的深度和广度。比如一名青少年对“当前学生着装的调查研究”就是针对当前学生着装“校服太单调,自选太讲究,应该穿什么,负担不能重”的一个研究。对象是在校中小学生,内容是着装怎样得体,怎样符合学生身份,展示当代学生的精神风貌。一个普通的穿衣问题,与我们品德形象的建设紧密地联系起来了,这就有了一定的深度。
(3)研究和实验的假设
即运用一定的科学思维方法,对事物发生变化的主要原因或结果的多种可能性的分析和预测。比如“学生的着装研究”就可以通报当前学生的着装情况,对学校的校服制作、开展德育工作有一定的指导意义。假设包括调查研究可能出现的结论,解决某一问题的方案、产品的创新设计、实物制作等。
(4)研究和实验的目的
比如“县城周边的卤菜制作对环境的影响研究”,青少年可通过一些卤菜作坊的垃圾对环境造成严重污染的调查研究,给环保部门决策作参考:取缔脏乱差的卤菜作坊,规范卤菜制作,确保人民身体健康和环境安全。
(5)研究和实验的内容
主要是从什么地方入手,要做哪些方面的工作。比如“白色餐盒为何屡禁不绝”的研究,就要研究哪些地方仍在使用,白色餐盒的危险性,用什么替代品等。
(6)研究和实验的条件
包括哪些条件(主观、客观)已经具备,哪些需要完善和创造,小组成员的水平和能力,指导老师的素质和水平,采访的对象,工作的地点,必要的物质支持等。
(7)研究和实验的分工
研究和实验任务需要小组全体成员的共同努力才能完成,谁做组长,谁做记录,谁负责安全,应该有一个明确的分工,做到分工合理、有序,达到理想的效果。
(8)研究和实验的方法和步骤
根据研究和实验的性质和目标去确定研究和实验的主要方法,制定具体的实施步骤。
4.做好实验的各项准备工作
为了做好实验,必须先做好实验准备工作。对于青少年来说,一般是两类实验:一类是老师布置的实验课,学校提供实验装置、器材,由自己在实验室做;一类是自己根据课本或科普书刊的实验性文章在家里做。下面分别说一说这两类实验的准备工作。
(1)教学实验的准备工作
上实验课之前一定要首先认真阅读实验指导书。阅读实验指导书的目的有两点:一是弄清实验的目的和原理,二是弄清实验的步骤。有的实验指导书明确写着“实验目的”、“实验原理”、“实验步骤”,那比较好办;有的没有写,你就要善于从中寻找提炼。
例如:初中《生物》课本的“实验七·解剖家兔”就明确写着“目的要求”是“认识家兔的体腔和其中的主要器官。”这虽然只是一句话,但是它的指导作用却贯彻于实验的始终。
在阅读实验指导书中的“方法步骤”时,一定要认真仔细,正确理解每一句话,它写的是“加微热”,就不是“加热”;一定要搞清步骤的先后次序,不能颠倒,必要时还应当明白每一个步骤的道理。
做实验之前还有一项工作就是熟悉器材。这个实验中,要用到哪些材料、器具和测量仪器,每一种器材的规格,都应当心中有数。
在上实验课之前,到实验室看一看,遇到测量仪器还应当事先学会使用,学会如何提高该仪器的测量精度。与此同时,还应当认真阅读“实验室规则”,以便在做实验时遵照执行。
(2)自选实验的准备工作
青少年在课外自己设计做一些实验是很有意义的。它可以提高青少年学习兴趣,培养青少年创造能力,提高青少年的实验技能。这类实验要有三种准备:第一是理论准备。实验目的是什么,为达到这一目的做的实验理论依据是什么。第二是方案准备。为了达到实验目的,应当设计怎样的实验步骤。第三是器材准备。由于在家中做实验,条件有限,因此要在家庭许可的条件下来设计,待需要的器件、材料一一准备齐全之后,方可进行。
从青少年时期就养成做好实验前准备工作的习惯,对将来从事科学技术研究工作大有益处。在一个实验之前,对实验目的、原理和方案、器材,不作可行性论证,不做好准备,是做不好实验、取得不了成果的。
5.客观准确地做好实验观测
科技实验,其目的是创造一定的条件,使人们需要的自然现象或过程能够发生或重演,以便于人们观察和测量,然后再根据观察和测量的结果来进行研究。因此,离开了观察和测量,就失去了实验的意义。青少年做实验也是如此。那么在实验中怎样进行观察和测量呢?也许有的青少年会回答:那还不容易,用眼睛看,用测量工具量呗。这样回答只答对了一半。实验中的观察和测量自然是眼睛看、工具量,但是,正确的观察和测量并不是随便可以做到的。它要求注意以下三点:
(1)坚持观察的客观性
观察的客观性有两层含义:一方面,要求实验者严格地按实验的目的和步骤去进行,使应该出现的现象客观地出现;另一方面,客观出现的现象要客观地观察到,观察到的现象要客观地反映出来。不能头脑里事先带着框框,是自己预期的现象就高兴,不是预期的现象或是同预期现象相矛盾的现象就不注意、不反映。用句通俗的话说就是看到什么就是什么。
在科学史上由于不能坚持观察的客观性,不少人包括大科学家在内都吃过亏。例如:
巴甫洛夫的学生在实验中观察到稀盐酸对小肠黏膜的刺激可以使胰腺分泌胰液的现象。但是他们头脑中有神经反射机制学说的框框,就认为观察到的现象是由于他们在做实验时没有把神经割干净,仍旧是神经反射机制。而另外两个科学家,在观察到上述现象之后,不带框框,认真研究,终于提出了人体内激素调节机制的新学说。在青少年中,也有一些人不能坚持实验观察的客观性。有一个学校做化学实验,老师布置的实验是用氢氧化钠和硫酸铜反应,产生蓝色絮状沉淀的氢氧化铜,不料实验结果出现的是白色沉淀。有的同学为了急于结束实验,不能坚持观察的客观性,在实验报告中写上“产生出蓝色沉淀”。后来查清,出现白色沉淀是因为用的不是硫酸铜而是硫酸锌。实验错了可以重做,但是不能坚持实验观察的客观性,是搞好科学研究的大敌。
(2)坚持测量的准确性
测量,是对研究对象的一种定量的描述,实质上就是一种定量观察。测量的准确性,就是从量的方面坚持观察的客观性。
为了保证测量的准确性,一是要选择比较先进、精密度较高的测量仪器,二是要努力掌握好测量方法。有了好的仪器和方法之后,还要如实地客观地反映测量到的结果,不能主观地修改数据。
在实验“互成角度的两个力的合成”中,根据测量到的两个力F1和F2的值计算出合力F为4.21千克。可是在实际测量时测得的合力F是4.5千克。这个时候也应当以4.5千克为测得数据,不应擅自改为4.21千克。至于为什么会有差异,可另外寻找原因。
(3)坚持观测时的积极思维
坚持观察的客观性,所指并不是消极地观看,必须同时伴随着思考,要将自己看到的现象和自己过去的经验、知识联系起来进行思考。例如在上面提到的化学实验中,当溶液中出现白色沉淀时,应当马上意识到这不是硫酸铜,可能是硫酸锌,这是已学的知识中就明确的,还要进一步核查搞清。这样就可以保证实验的正常进行。
6.多多地做一些小实验
小实验是青少年最常见的动手操作,它既能激发学习兴趣,又能培养和提高观察、分析、抽象思维能力等综合智能素质。因此,青少年在完成课本中的演示实验的同时,还应当结合自己的实际情况,自己动手进行一些小实验,从而提高自己动手、动脑、动口的能力。
那么如何进行小实验呢?
掌握小实验操作的一般步骤为:了解和掌握相关的理论知识作为背景发现问题并进行猜测或提出假设依据猜测或假设选择适当的器材进行实验改变实验条件重复实验对各次的实验结果进行分析并把实验获得的数据进行处理联系理论知识对整个实验过程进行反思,并总结经验。在进行小实验时还需要注意以下几个方面:
(1)要仔细聆听老师的指导
青少年在动手操作时,由于受到自身知识水平的限制,往往对所进行的活动缺乏明确的目的性,在操作过程中容易发生一些意外的事件。因此,需要聆听老师的指导,要在老师的指导下明确活动的要求、主要的操作步骤、操作时应当运用的方法以及在操作过程中涉及的安全问题等。
(2)要善于与他人进行合作
选择恰当的实验伙伴,是保证实验成功的前提,它需要实验技能强弱不同的同学之间合理搭配。如果自己的理论知识掌握得比较好,就应当选择那些理论知识掌握得比较差的同学;如果自己的实验技能比较强,就应当选择那些实验技能比较弱的同学;如果自己对实验非常感兴趣,就应当选择那些对实验不太感兴趣的同学。这样,有利于青少年在实验中相互帮助,共同提高。同时,由于男女学生对事物的观察角度、方式不同,体力有差别,在进行小实验操作时,还应当考虑到男女之间的搭配,这样可以充分发挥不同性别同学各自的优势。
青少年们在进行小实验操作时,还要善于与其他人进行合作,因为这是顺利完成操作活动的前提。其实,无论是实验计划的拟定、实验器材的准备、实验操作的过程还是实验结果的展示都要求相互协作。
青少年在与他人合作做实验的时候,要求都要明确活动的目的,共同讨论和研究所面临的问题,在实验操作过程中要密切配合,并且共同展示成果。
(3)要无遗漏地记录实验及分析处理数据
自己动手设计实验、记录实验及分析处理数据是提高实验能力的重要手段。在实验之前,自己要设计出实验方案,包括实验目的、选用的实验仪器、实验涉及的原理和注意事项,还要在进行实验时把实验中收集到的各种材料和现象毫无遗漏地记录下来,要做到准确地观察,认真地记录。实验结束后要把实验所得的现象或数据进行概括、分析、归纳、综合判断、去伪存真,并以简洁准确的语言表达出实验结论。
(4)养成良好的观察习惯
良好观察习惯的养成是提高实验能力的前提。观察是人类认识世界的一个重要途径与开端,做实验离不开对实验现象的观察分析。通过观察与分析,不仅能够使自己更好地掌握课本知识,激发学习热情和积极性,而且有的青少年能从实践中发现一些奥秘,这就为青少年们以后的发展与创新打下良好的基础。在进行观察的时候,要掌握观察的一般程序,即先局部后整体,既要观察明显的现象,也要注意抓住那些细微、稍纵即逝的现象,同时还不要忽略各种感觉器官的作用。
7.用小发明来培养自己的操作能力
通过小发明能够培养青少年的实验和研究能力。享有“当代爱迪生”美誉的日本人中松义郎,在很小的时候就迷恋上了航空飞机模型的制作,并让他的父母买来大量的航空模型材料和制作模型所必需的全部物品和工具,然后在他的小书房中,开始了他的发明之路。经过不懈的努力,中松义郎终于获得了巨大成功,他拥有专利2000多项,是爱迪生的1倍还多,并15次在纽约世界发明竞赛中荣获最高奖,被尊称为“世界发明大王”。是什么使得他取得如此大的成就呢?原因之一就在于他不断地运用自己的双手,勤于动手操作;在读中学的时候,他就着重培养自己独特的思维视角和强烈的批判意识以及精细的观察能力。所有这些,不仅是进行发明创造所必需的,也是青少年在平时学习中应当着重培养的。可见,小制作或小发明对青少年是多么的重要。
事实也是如此,小制作和小发明作为实践性很强的操作活动,不但要求青少年拥有扎实的学科理论知识,还要求具有较强的动手操作能力。它对培养青少年的创新精神和实践能力具有无法替代的作用。
请看下面几个青少年的小发明:
找一个大号手电筒上的凹面反光碗,用硬质泡沫塑料或木料削一根长约4厘米的圆柱体,直径以正好能紧紧塞进反光碗的圆孔为宜;然后在圆柱一端横向钻一个细孔,穿入一根直径相当于孔径的铁丝,然后将露在圆柱外的铁丝两头扳折90°,各留5厘米,截去多余部分;把圆柱塞入反光碗的圆孔内,再将铁丝两端插在一块泡沫塑料或木质底板上;再拿一根细竹签,削尖两头,一头插在反光碗中央的圆柱上,另一头插上一小块土豆;最后把装置放在太阳下,让反光碗朝着太阳,竹签长度要耐心调节,让插上去的土豆正好位于发光焦点上。要不了多久,土豆就会被太阳光烤熟,发出香味。
图书馆阅览室为方便读者阅读和自身整理、收集报纸,一般都用报夹把一期一期报纸夹在一起,积满一个月后再取下来装订,但这样不是很方便。方便报夹可以在每次夹满报纸后,不用取下装订,而是直接用装订线穿过装订孔,把报纸装订好。
它的结构是在普通报夹上钻三个定位孔,在每一根的定位孔内分别装上带孔的尖头定位桩。使用时,把报纸放在定位桩上,合上另一根报夹,报纸就固定在报夹上了,报纸积满后直接在孔中穿线装订。本报夹最适合在图书馆使用,同学们可以根据上面的步骤也来做一个方便报夹。
上面两个小发明的操作过程给我们的启发是:生活中处处是学问,要做个有心人,善于发现问题,把从书本上学到的知识灵活运用到实际生活中去。实际上许多发明创造都是从生活中存在的问题中提炼出来的,前面提到的中松义郎博士就是发现传统的航模飞机由于机体的中心位于飞机主翼前缘的1/3处,导致飞机在飞行中容易偏离方向,从而发明了航模飞机“中心稳定自动装置”。
那么,进行小制作和小发明需要注意哪些问题呢?
(1)要明确操作的目的