時間：2022-07-25 17:28:34
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇實驗設計方法，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：實驗設計；市場研究；統計分析
中圖分類號：F713.50 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2013）05-0102-02
按照美國管理協會的定義，市場營銷是“創造、傳播、傳遞和交換對顧客、客戶、合作伙伴乃至整個社會有價值的產品和服務的一系列活動、機制和過程”。市場活動面對著多樣性的顧客、客戶，產品和服務必須適應這種需求的多樣性。企業不僅要適應已經存在市場需求，還要創造新的產品和服務以適應潛在的市場需求。因此，企業應該主動尋求獲得市場優勢的途徑。市場實驗是企業主動探索市場的有效方法，實驗中獲得的數據經過統計分析可以顯示出很多有價值的信息。
一、市場數據的類型與作用
市場調查是獲得市場需求數據的必要手段，獲得的數據主要有三類：宏觀統計數據、觀測調查數據和專項調查數據。宏觀統計數據是統計部門經調查和記錄獲得的關于人口、經濟、行業信息等宏觀統計的數據。觀測數據是對某種頻繁發生的行為觀測的結果，不能預示未來情況。專項調查數據是面向人的態度、價值觀獲得的數據，可以對原因行為進行描述、對未來行為進行預測的調查。
宏觀統計數據是一種歷史數據，歷史數據的優點是搜集數據的成本小。但可能存在以下一些缺點：（1）一些重要過程數據缺失；（2）數據的可信度和有效性不足；（3）數據不適應當前問題的需要；（4）一些可能產生影響的因素沒有被記錄。觀測調查數據和大部分專項調查數據本質上都是通過觀察或調查得到的，其缺點是只能提供有限的關于系統變量的具體信息。歷史數據和觀察數據都是研究者被動接受的數據，數據能夠反映的規律性可能要打折扣。
在專項調查中也可以設計一個實驗過程，有目的地改變控制變量（或稱為輸入因素、因素），觀察系統輸出結果得到的數據（或稱為輸出相應）。“實驗”（experiment）同“觀察”（observa-tion）有所區別。實驗是積極地作用于對象，考察在人為的條件下會產生什么樣的輸出，是能動地對環境提出問題，并積極地尋求答案。觀察不像實驗那樣對對象做人為干預，而是原原本本地確認關于對象的狀況的事實，因此說，觀察是被動的認識。
二、市場實驗與市場實驗設計
市場實驗是對市場的主動測試。市場實驗設計可作如下描述，它是運用數理統計的原理、方法，研究市場因素――產品或服務，及其價格、廣告、銷售渠道、促銷等的變化對消費者或用戶的影響及其數量化因果關系的變化規律。實驗者通過控制一個或幾個因素，研究對其他市場因素的影響。
企業都追求市場競爭中的優勢地位，為此必須在營銷過程對產品和市場都有準確的把握，這需要對市場進行深刻研究。市場實驗是重要的研究手段。市場實驗包括兩個方面：第一，產品定型前的實驗設計；第二，產品進入市場的實驗。產品定型前需要通過實驗設計找到最好的影響產品性能的因素組合，包括消費者從產品中獲得的體驗和感覺等因素，是產品具有最好的性能。產品進入市場時，需要通過小規模的市場實驗來測試市場中的利益相關者對產品的反應，例如，何種型號的產品受歡迎，什么產品組合更適合市場需求，應該針對哪些消費群體進行訴求，何種渠道需要獲得的利益更多，批發商、零售商等分銷渠道中的成員會以怎樣的方式對新產品提供支持和服務。
常見的錯誤實驗設計是將產品開發實驗與市場實驗分離開，在產品設計階段忽視消費者的體驗，對市場的反應考慮不充分，只重視產品開發實驗過程創造的新產品往往不能獲得市場優勢。產品最終需要獲得市場的認可，因此市場實驗是必要的，并且這種實驗可能需要長期進行以適應市場的變化。單純進行產品實驗仍然是被動認識市場，只有將市場實驗的兩個方面同時考慮，才能主動認識市場。
三、市場實驗方法的運用與優化設計
通常來說，市場研究人員都重視對市場數據的調查，但是從這些數據中挖掘出有用的市場信息需要有效地運用統計技術。進行市場實驗設計應該處理好四方面問題。
1 產品開發實驗需要考慮市場因素
通過初步的市場調查確定適合市場需求的產品型號等因素，通過實驗設計方法找到合理的因素組合。減少產品推向市場后造成的使用不便等問題。在市場調查過程中，對消費者的行為或環境都不能控制，而實驗設計方法是在一個受到控制的環境下研究各種因素的效果。
2 市場研究中的非正式實驗
在市場實驗中應該適當使用非正式實驗。非正式實驗包括四種：事后設計、有控制組的事后設計、事前設計和有控制組的事前設計。事后設計是在變動實驗處理之后才測量對其他變量的影響，例如改變了包裝設計后研究對銷售量的影響。有控制組的事后設計，即在實驗組之外再設一個控制組進行比較。事前事后設計是實驗者在一個實驗組內實驗前測量變量，實驗后再進行測量以考察實驗變量的效果。有控制組的事前事后設計是在實驗組內考察變量實驗前后變動受到組內和外來變量兩種因素影響。
非正式實驗是簡單方便的實驗方法，試驗費用少，設計簡單，計算簡單，可以在處理一些簡單市場問題時使用，例如對市場的某些因素進行探測性研究，為進一步安排復雜的實驗設計做準備。進行非正式實驗不適合研究復雜的因素組合問題。
本文以廣東省科技計劃項目課題－磷酸酰肌醇－3激酶（PI3K）對小鼠氣道炎癥影響的實驗研究為案例，介紹公式法、PASS軟件Simple法和Stata軟件計算法這3種樣本含量估算方法的實際應用，并通過實驗所得數據驗證其檢驗效能，判斷3種方法確定的樣本含量是否合理有效，為醫學工作者實驗設計時估算樣本含量提供一定實踐經驗借鑒。
1材料與方法
1．1材料1．1．1材料Balb／c小鼠：由廣州醫學院動物中心提供，4～6周齡，雄性，清潔級，體質量20～25g，無卵清蛋白（OVA）飲食。致敏液：由0．08％OVA0．1mL（美國Sigma公司）和等體積液態鋁（美國Pierce公司）混合。LY294002（PI3K抑制劑）：美國Sigma公司提供。1．1．2動物分組分組方法：隨機數字表法。組別：OVA組、LY294002組和對照組。1．1．3實驗方法OVA組：本組小鼠于第0、7、14天腹腔注射致敏液0．2mL，第15天將小鼠置于透明密閉容器中以1％OVA溶液10mL霧化吸入，每次20min，隔日一次，連續5周。LY294002組：同期同時給予注射致敏液和吸入OVA，第13天開始經尾靜脈給予LY294002，用量為7．5mg／kg，連續3d每天1次，第15天于吸入OVA前30min給藥。對照組：同期同時給予相同體積生理鹽水腹腔注射及霧化吸入。觀察指標：支氣管肺泡灌洗液（BALF）中細胞分類計數、骨髓懸液和肺組織學檢查。通過實驗檢測LY294002對OVA致敏哮喘小鼠肺組織病理、BALF和骨髓中細胞分類的影響，計數細胞總數和嗜酸性粒細胞（Eos）并進行統計學分析［3］。1．1．4實驗目的運用公式法、PASS軟件Simple法和Stata軟件計算法求得本實驗的樣本含量，并通過實驗所得數據驗證其檢驗效能，判斷3種方法確定的樣本含量的有效性。1．2方法1．2．1公式法介紹n＝［（Zα／2＋Zβ）＊σ／δ］2，n為所需要的樣本含量，δ為總體差值，σ為總體標準差，Zα／2為標準正態分布的雙側臨界值；Zβ為正態分布的單側臨界值。1．2．2PASS軟件介紹PASS是樣本含量估計和效能分析中常用的一款優秀的統計分析軟件［4］。它界面良好、功能齊全，可以進行描述性統計、相關及回歸分析、實驗設計、生存及可靠性分析、統計圖表繪制等操作，只需要輸入相應的參數，即可實現對樣本含量或檢驗效能的預測。常用方法有Com－poundSymmetry法、AR法、Banded法和Simple法。本實驗研究選用Simple法。1．2．3Stata軟件介紹Stata是一個功能強大的統計分析軟件，它可以進行t檢驗、參數估計、協方差分析、單因素和多因素的方差分析、方差齊性檢驗、缺項數據的處理、正態性檢驗等一般分析。它采用具親和力的窗口接口，操作靈活簡便、學習方便，使用者可以通過Stata官方網站學習使用方法。該軟件用于樣本含量和檢驗效能估計的主要命令是sampsi（samplesizeandpower），命令格式為：．sampsi＃1＃2［，一般選擇項］［重復測量選擇項］。＃1表示處理前測量的均數，＃2表示處理后測量的均數。一般選擇項包括：檢驗效能、檢驗水平、n1與n2樣本量的比值、sd1／sd2（sd為標準差）、單側／雙側檢驗、單樣本（缺省時為兩樣本比較）。常用方法有change法、post法和ancova法，本試驗研究選用ancova法。
2結果
2．1參數設置Ⅰ類錯誤概率大小α越小，所需要的樣本含量越大，通常情況下α取0．05，可取單側或雙側用統計學檢驗。選擇雙側檢驗的條件是研究結果高和低于效應指標的界限均有意義，所需樣本量就大；選擇單側檢驗條件是研究結果僅高或低于效應指標的界限有意義，所需樣本量就小。Ⅱ類錯誤概率大小β越小，檢驗效能1－β越大，所需樣本量也越大，一般要求檢驗效能不低于0．80，一般只取單側，本實驗取β＝0．1。n1與n2樣本量的比值常用的為4∶1、2∶1、1∶1，考慮成本最低取1∶1。總體標準差σ或總
體率π，常根據預實驗及前人的研究結果或統計理論進行估計，根據何勝東等［5］的研究結果和其他資料，取π＝0．7，σ＝7．87。容許誤差δ是指研究者要求的或客觀實際存在的樣本統計量與總體參數間或樣本統計量間的差值，本實驗認為Eos百分比降低80％以上為有效，取δ＝0．8σ。2．2計算結果公式計算值為12只，PASS軟件Simple法計算值為8只（見圖1），Stata軟件計算值為10只（由于軟件界面圖較復雜，本文不截取界面圖）。2．3實驗結果本實驗研究向廣州醫學院病理教研室咨詢了實驗材料的費用，根據以往的文獻研究經驗并考慮統計方便，最終確定樣本含量為10只。但考慮樣本的非正常失效（如取樣失敗、死亡等），筆者增加2只作為備份，將樣本編號為1～12號。本實驗在實驗過程中未出現樣本的非正常失效，12只小鼠都取到了真實有效的實驗數據。實驗研究結束后，筆者驗證了LY294002組對OVA組的檢驗效能，樣本數為8只取樣本編號為1～8號的數據，定為A組；樣本數為10只，取樣本編號為1～10號的數據，定為B組；樣本數為12只，取樣本編號為1～12號的數據，定為C組。其計算結果：所有組別1－β＞0．90（數據見表1），說明這3種方法計算的樣本數都是合適有效的。
3討論
醫學試驗研究設計包含專業設計和統計設計兩部分內容，統計設計對于保證研究結果的可靠性、科學性、重現性，具有非常重要的意義［6］。樣本含量估計與檢驗效能估算是統計設計中最重要的環節之一。只有科學地確定樣本含量才能確保研究的可靠性和研究結果的可信性。樣本含量的估計原則：在保證試驗研究結果具有一定可信度（1－α），又具有一定檢驗效能（1－β）的前提下，估算出能夠達到主要研究目標所需要的研究對象最小例數，以便通過樣本研究結果來推斷總體特征。其中α和β的取值大小是由試驗設計人員希望達到的可信性和檢驗效能而確定。有時試驗者會考慮到樣本意外丟失（如動物的非正常生病或死亡，人員的失訪等），會在估算出的最少樣本例數上比例不能太大，增加10％～20％即可，因為盲目追求大樣本量可能導致更多混雜因素的產生（如動物個體體質相差太大等），導致更大或更多的偏倚發生。醫學工作者習慣用公式計算法、查表法、文獻法和專家咨詢法等方法估算樣本含量，這些方法主觀因素對估算結果影響大，而統計軟件由于操作簡單，考慮的客觀因素多，計算結果相對合理。統計軟件除了本文介紹的PASS軟件和Stata軟件外，還有nQueryAdvisor軟件、SamplePower軟件（SPSS公司研發）、SASA軟件和SAS軟件等，使用方法都大同小異。本文采取的3種方法計算結果不相同但卻都是合理有效的，因為醫學試驗研究中樣本含量不是唯一的，不同的研究方法、研究目的，研究要求和研究資料決定了不同的樣本含量，從表1中可看出樣本含量也并不是越大越精確。這些樣本含量估算方法參考了研究個體的變異度、研究結果的精確度（抽樣誤差），但未考慮研究成本、可行性與倫理學要求對樣本含量的影響。
總之，估算樣本含量的方法有許多，統計軟件具有更客觀、更全面和簡單方便的優勢，在參數選擇正確的情況下其計算結果都是合理有效的，試驗研究人員要熟練掌握和運用，并以其計算結果為依據，正確分析試驗研究性質，再綜合考慮研究成本、可行性與倫理學要求對樣本含量的影響，最終確定合適的樣本數。
作者:喻寧芳喻寧芬單位:廣州市第一人民醫院南沙醫院檢驗科
一、化學探究性實驗設計的基本原則
不依規矩，無以成方圓。探究性實驗也不是天馬行空的想象，它要遵循一定的原則。在設計探究性實驗時主要遵循以下原則：（1）目的性原則。（2）科學性原則。（3）創新性原則。（4）啟發性原則（5）簡約性原則。（6）安全性原則。（7）趣味性原則。（8）可行性原則。以上各原則是滲透在整個探究性實驗設計過程中的，我們可以在設計的時候不斷地修正，使我們的設計方案達到最佳效果。
二、化學探究性實驗設計的基本方法
探究性實驗的基本內容是：課題、假設、設計實驗、預期、完成實驗、觀察并記錄結果、分析結果、得出結論。針對這些內容，在教學實踐中，我們進行了探索，總結了一些基本的方法。
（一）認真研讀教材，充分挖掘探究性實驗課題
我們的教材是化學知識的集合體，多數教材中的實驗是驗證性的實驗，這對培養學生的探究能力就比較不利，因此，需要教師進行研究改進，把能夠改成探究性的實驗進行改進，或者自己設計新的探究性的實驗進行教學，從而提高學生的探究能力。
《化學反應原理》是高中化學階段的重難點內容，抽象且枯燥，實驗多為驗證性的實驗。因此，《化學反應原理》中的實驗就需要教師進行改進，力求充分利用好化學實驗，使學生參與進來，用探究性的實驗幫助學生加深理論知識的理解。例如，魯科版《化學反應原理》第三章第四節講解酸堿中和滴定實驗的時候，書本上是直接給出反應原理和實驗步驟。雖然是定量實驗，我們也可以增加其探究性，可以先給出測定NaOH溶液濃度的多種方案，如用滴定管實驗、燒杯實驗、試管實驗，然后讓學生討論各種方案的準確性、可行性、最終確定實驗方案。
（二）積極總結經驗，建立一套探究性實驗設計的“套路”
進行探究性實驗的設計不是說什么都要從頭開始，什么都要從四面八方思考，這樣的話效率很低，而且可能會偏離教材的主題。我們在教學實踐中既要懂得思考、探究、創新，也要懂得積累經驗，優秀的經驗會讓我們事半功倍。經過一輪高中教學實踐，我們總結了一些常用的“套路”。
1.加強對實驗儀器的探究設計
把基本實驗儀器進行組裝、改進、優化，這是培養學生思維和動手能力的重要方法。比如，講解啟普發生器時，先讓學生思考討論原理，并總結其優缺點，等學生掌握理解后，就可以開始讓學生探究：如何用實驗室的其他儀器組裝成類似啟普發生器原理的裝置？教師可以先給出一些基本儀器，然后讓學生組裝。
讓學生進行實驗裝置的設計是探究性實驗設計的重點內容，教師應設計更多的這種類型的探究性實驗，讓學生不斷嘗試，以提高運用的能力。
2.豐富對實驗原理的探究設計
對實驗原理的探究很多樣化，為了豐富學生的思維，提高運用和創新能力，教師應該進一步豐富對實驗原理的探究設計。例如，魯科版高中化學選修《化學反應原理》第二章第3節中，在探究濃度、溫度、催化劑對化學反應速率的影響時，書本的確是設計了探究性的實驗，但是書上的探究實驗都是針對一個因素的單獨對比探究，然后分別進行分析討論，得出獨立的結論，這就為學生減輕了探究的難度。如果我們能夠在該實驗探究完后，將三個因素綜合起來，設計新的內容讓學生進一步探究，那就可以大大提高學生綜合運用的能力。
3.重視對實驗異常現象的探究設計
對于化學實驗，經常因為藥品不純，反應條件的不同而出現不同的實驗現象。當出現這種狀況時，要及時啟發學生進行思考，并找出原因，還可以讓學生思考是否有改進的方法，從而提高思考能力和創新能力。比如，魯科版高中化學選修《化學反應原理》第一章第3節，做銅鋅原電池演示實驗時，以鋅和銅為電極，稀硫酸為電解液進行實驗，理想的現象是銅電極表面有氣泡產生，而鋅電極沒有。但是實際演示會遇到的情況是：兩電極都有氣泡產生，甚至有的出現鋅極產生的氣泡遠多于銅極。這時就要引導學生思考：為什么鋅極也有氣泡產生？進而分析出是因為鋅中含有碳等雜質，鋅本身和雜質形成許多微小的原電池，所以有氣泡冒出，從而加深對原電池原理的認識，也增強學生積極思考的意識。
4.擴展對生活應用實驗的探究設計
新課程改革要求：加強課程內容與學生生活以及現代社會和科技發展的聯系，關注學生的學習興趣和經驗，精選終身學習必備的基礎知識和技能。如果我們能很好地引導學生將實驗與生產生活聯系起來，一方面，可以使學生感到化學就在身邊，從而提高學習化學的興趣；另一方面，可以使學生清楚所學的知識能用來做什么和怎么做，從而對化學的本質和價值有一個正確的認識，體現高中化學探究性實驗的時代性。比如，魯科版高中化學選修《化學反應原理》第一章第3節中探究原電池反應原理時，可以在講完原電池的組成條件后，讓學生用家里面的材料自己組一個原電池，讓學生動腦、動手，提高理論運用于生活的探究能力，激發學習的興趣。
“卓越工程師教育培養計劃”是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。該計劃的實施目標是培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。“卓越工程師教育培養計劃”具有三個特點：一是行業企業深度參與培養過程；二是學校按通用標準和行業標準培養工程人才；三是強化培養學生的工程能力和創新能力。教育部將在五個方面采取措施推進該計劃的實施：一是創立高校與行業企業聯合培養人才的新機制；二是以強化工程能力與創新能力為重點改革人才培養模式；三是改革完善工程教師職務聘任、考核制度；四是擴大工程教育的對外開放；五是教育界與工業界聯合制訂人才培養標準。
2010年7月，華南理工大學成為全國第一批“卓越工程師教育培養計劃”實施高校。土木工程“卓越全英班”是該計劃的重要組成部分，是為探索個性化創新型人才培養模式而開辦的。注重培養學生掌握力學、結構基本理論和設計方法、先進施工技術及工程管理知識，突出外語、計算機應用能力。大部分課程采用全英教學，注重和加強實踐和創新教學環節，配備高水平教師擔任導師進行專業學習和科研實踐指導。開設科技前沿專題講座，參與國際工程實踐。培養具有良好的人文、科學與工程的綜合素質，具有國際視野和國際交往能力的土木工程優秀創新人才，力爭與國際土木工程領域的培養模式接軌。
研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。該文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。
1 典型的研究性教學方法
研究性教學是以探究為基礎的教學，它以學生的發展為本，把學習與研究相統一，引導學生發現問題、思考問題和解決問題，使學生成為教學活動的中心，成為自我反思和自我發展的主體[1]。作為一種教學方法體系，研究性教學主要有案例教學、基于問題解決的學習和基于問題的學習等三種典型的教學方法。
1.1 案例教學法
案例教學法是一種使得學生處在面臨問題的決策者角色的教學方法。在案例教學法課堂，無論是教師和學生必須以不同的方式被激活。教師和學生相互依賴、互相學習。教師一般都是專家，但他們很少直接告知學生專業知識。
案例教學法主要是用在商業學院和公共政策學院教學活動中。例如，1908年已被用于在哈佛商學院和公共政策學院。教學案例研究是全球頂尖的商學院進行核心功能。他們常常組織比賽確定最佳的新的教學案例。商業案例是模仿或模擬真實情況下的文檔。案例陳述的現實讓讀者參與其中。案件往往說明企業或政策形勢需要解決問題，還包括課堂討論和研究的其他信息。在沒有明顯的解決方案的情況下，提供了充分的事實基礎上激發學生獲得一切可能的結果。作為現實的模擬，案例必須具有三個特征：一個重要的業務問題或問題。沒有問題的情況下，沒有教育價值；充分的信息基礎；沒有明確的結論。
在案例教學過程中，教師的作用是選擇和組織案例，這也是實現教學目標的關鍵。
1.2 基于問題解決的學習
基于問題解決的學習方法是1980年美國數學教師協會正式提出來的[2]。它將學習內容設計成問題，或由學生提出問題，讓學習者通過解決問題來獲得相應的知識和能力。
讓學生提出高質量的問題是這種教學方法的關鍵。要求學生將問題具體化和形象化，構造成模擬實際生活的故事情節。學生在原有知識和經驗的基礎上，通過分析解決問題，發現更加復雜和深入的問題。
因此，學生提出問題的多少、思考問題的廣度和深度等是基于問題解決的學習方法的重要的評價標準。
1.3 基于問題的學習
基于問題的學習是一種以學生為中心的教學方法。學習的目的是獲得解決問題的經驗、思考策略和該領域的知識[3]。基于問題的學習的目標是幫助學生形成靈活的知識、有效解決問題的能力、自主學習、有效的協作能力和內在動機。
基于問題的學習是一個主動的學習方式[4]。在工作過程中，學生發現他們已有的知識，需要知道什么，以及如何和在哪里獲得新的信息，可能會有益于該問題的解決。教師的作用是為了促進學生的學習、支持、指導和監控學習過程。導師必須建立學生對解決問題的信心，并鼓勵學生，同時也拓展他們的理解。
Barrows定義了基于問題的學習模型為[5]：
（1）以學生為中心的學習。
（2）學習是學生小團體做的，理想的6～10人。
（3）教師指導學生而不是教學。
（4）以問題為基礎組織和激發學生學習。
（5）問題是設置是提高學生解決問題能力的基礎，是刺激的認知過程。
（6）學生通過自我導向學習獲得新的知識。
基于問題的學習要求教師的教學風格達到幾個主要標準：首先，要有一個與教師科研相關的“學習中心”，所有的學生都需要圍繞該中心。第二個標準是必須有一個驅動問題，學生通過完成項目獲得問題的答案。這個問題也不能有一個預定的結果，它應該要求學生使用的先驗知識來所有可能的結果。其他標準包括建設性的調查研究、學生的自主權等。
基于問題的學習的主要教學過程包括提出問題、分析問題、形成假設、驗證假設、修正假設。
2 土木工程探索性試驗設計
近年來華南理工大學開展了“探索性實驗”教學項目建設工作，引導教師將科研項目成果轉化為計劃內實驗教學內容，從而深化實驗教學內容和體系改革，推進實驗室開放共享；通過科研與教學融合，切實促進學生實踐創新能力的培養。
下面介紹用研究性教學方法設計所申報的“探索性實驗”教學項目“瀝青混合料多軸加載試驗”。
2.1 提出問題
最新版的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料的試驗方法主要包括：單軸壓縮、單軸拉伸、小梁彎曲和劈裂試驗等。試驗過程中，瀝青混合料試件處于單軸或雙軸應力狀態。而實際瀝青路面中，瀝青混合料處于多軸受力狀態，承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。因此，現有瀝青混合料的試驗裝置與方法無法模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態。
2.2 分析問題
為了模擬實際瀝青路面材料的多軸受力狀態，采用如圖1所示的試驗裝置。通過轉動的橡膠輪胎帶動圓柱體試件轉動，試件受到橡膠輪胎的表面摩擦力F和鉛垂方向的壓力P作用。同時，在試件水平方向施加壓力Q。從而模擬實際路面材料多軸受力狀態，使得試件承受壓縮、拉伸、剪切的交互作用。
2.3 試驗步驟
（1）試件制作。采用擊實法、靜壓法或旋轉壓實法制作的圓柱體試件；或在輪碾法制作的板塊狀試件中鉆取的圓柱體試件；或在路面中鉆取圓柱體的芯樣。
（2）安裝試件。將試驗室的環境溫度控制在試驗溫度±0.1 ℃范圍內。加載前，保溫時間為90～120 min。
（3）水平方向加載。通過水平加載油缸對試件施加水平方向拉伸或壓縮荷載。
（4）鉛垂方向加載。通過鉛垂方向加載裝置在橡膠輪上施加荷載，從而在試件中部上方施加鉛垂方向荷載。
（5）啟動橡膠輪驅動馬達，使得橡膠輪單向旋轉，轉速為1～100 r/s。
2.4 試驗結果的分析與討論
試件轉動一定次數后，量測試件中部加載位置的直徑，計算直徑變化率。加載后試件中部直徑的變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后加載位置試件直徑/加載前試件直徑。
同時，量測試件長度，計算加載后試件長度的變化率。加載后試件長度變化百分率計算公式為：100%×加載一定次數后試件長度/加載前試件長度。
教學過程中，共15位同學參與該項試驗，分為3組，每組5人（表1）。
3 教學效果
采用研究性教學方法，有助于把學生納入教師的科研項目，驅使學生調查研究，組織討論會，分析問題，解決問題，完成工作任務。
授課教師與同學們一起通過該試驗項目掌握了實際路面材料的受力狀態，并創新性的設計了“瀝青混合料多軸加載試驗”方法。依托研究成果申報了2項實用新型專利和2項發明專利。在國外SCI源刊投稿論文2篇。
4 結語
研究性教學是一種符合工程能力培養規律和綜合素質形成邏輯的教學組織形式和教學方式，得到“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。本文著重介紹采用研究性教學方法進行土木工程專業道路工程方向的一項探索性試驗設計過程及其效果。主要結論如下。
（1）采用研究性教學方法，與教師的研究課題相結合，將土木工程專業實驗教學中部分傳統的驗證性實驗改革為探索性實驗是培養和提高學生創新能力的重要舉措。
關鍵詞： 化學實驗設計 類型和內容 教學策略
一、化學實驗設計對發展學生科學探究能力的意義
所謂化學實驗設計，是指學生在實施化學實驗之前，根據一定的化學實驗目的和要求，運用有關的化學知識與技能、科學過程與方法，對化學實驗的儀器、裝置、步驟和操作方法進行規范的一種規則。化學實驗設計對于發展學生的科學探究能力、提高他們的科學素養具有重要的意義。首先，它可以激發學生的化學學習興趣。學生根據自己所學的化學知識，獨立地或在教師啟發下，設計出各種實驗方案，成功地解決化學實驗問題，從而產生成功后的喜悅，激發起更大的學習熱情，成為進一步學習的強勁動力。其次，設計化學實驗方案需要學生靈活地和創造性地運用所學的化學基本能力和創造能力。最后，進行化學實驗設計還需要學生掌握各種科學方法（如實驗、測定、實驗條件的控制、假說等），具有嚴肅認真、一絲不茍和敢于創新的精神，有利于學生認識和掌握科學過程與科學方法，形成正確的化學實驗態度、情感與價值。
二、化學實驗設計的類型和內容
根據不同的標準，我們可以將高中化學實驗教學中的實驗設計劃成不同的類型。根據實驗在化學教學認識過程中的作用，它可以分為：
1.啟發性（或探索性）實驗的設計。
這類實驗是在課堂教學中配合其他化學知識的學習進行的，多采取隨堂實驗的形式。在引導學生進行設計時，我們要注意效果明顯、容易操作、時間短和安全可靠。
2.驗證性實驗的設計。
這類實驗目的主要是驗證化學假說和理論，多采取學生實驗課或邊講邊實驗的形式。在引導學生進行設計時，除了上述要求外，我們還要注意其作為證據對猜想與假設是否具有較強的說服力。
3.運用性實驗的設計。
這類實驗的目的是綜合運用所學的化學知識和技能，通過化學實驗解決一些與化學有關的實際問題。在引導學生進行設計時，我們要注意靈活性和綜合性，盡可能設計多種方案，并加以比較，進而進行優選。
根據化學實驗的工具，它可劃分為以下兩種類型：
（1）化學實驗儀器、裝置和藥品的改進或代替。
（2）化學實驗方法的改進。一方面，這主要是由于高中化學教課書中，有的實驗因裝置過于繁雜、操作不太方便、方法不合適、可見度較低而影響化學教學效果，因此需要改進方案，重新設計。另一方面，由于高中生受到種種條件的限制，常會發生缺少某些儀器、藥品的情況，因而需要自制一些儀器和代用品，采用微型實驗，所以也需要對實驗重新進行設計。
三、化學實驗設計的原則
1.科學性原則。
科學性是指實驗原理、實驗程序和操作方法必須與化學理論知識和化學實驗方法論相一致，這是化學實驗設計的首要原則。例如Na2S和Na2SO3的鑒別，在試劑的選擇上就不宜選用硝酸等具有氧化性的酸；在操作程序的設計上，應先溶解，取少量溶液，然后加試劑，而不能溶解后就加入試劑。
2.可行性原則。
可行性是指設計化學實驗時所運用的實驗原理在實施時切實可行，所選用的化學實驗藥品、儀器、設備和方法在中學的條件下能夠得到滿足。例如NaCl、Na2SO4的鑒別，有的學生常選用AgNO3做試劑，認為AgCl難溶、Ag2SO4微溶，從而把兩者加以區分。事實上，這種方法所依據的原理在實施時是不可行的。因為硫酸銀不穩定，很容易分解成難溶的氧化銀。
3.綠色化原則。
綠色化學是21世紀化學科學的一個重要發展方向，也是中學化學教學中，學生應樹立的基本化學觀念之一。綠色化學倡導從源頭上就盡可能地消除或減少有毒、有害化學物質對環境的影響，要想實現這一目標，必須首先從化學實驗設計做起。在化學實驗設計中體現綠色化學思想，就要遵循化學實驗設計的綠色化原則，即在化學反應原料的選擇、化學反應的條件的選擇、化學反應的產物、化學實驗的操作等環節都要貫徹綠色化學思想。
四、發展學生化學實驗設計能力的教學策略
1.盡可能為學生提供進行化學實驗設計的機會。
化學實驗設計能力，是實驗探究能力的重要組成部分。進行化學實驗設計的過程，也就是學生經歷制定實驗探究活動計劃，發展實驗探究能力的過程。因此，我們在化學實驗教學中，要盡可能多地為學生創造進行化學實驗設計的機會，使學生在化學實驗設計的過程中，體會實驗設計的重要性，認識實驗設計應遵循的基本原則，初步掌握化學實驗設計的基本方法。
2.增強發展學生化學實驗設計能力的計劃性。
增強發展化學實驗設計能力的計劃性是發展學生的化學實驗設計能力很重要的一個方面。我們應根據化學實驗教學內容的特點、學生知識與技能的基礎和能力發展水平，有目的、分階段地制定化學實驗設計能力的發展計劃。
影響畜牧實驗質量的因素
遺傳決定的反應差異由品種及品系差異造成。環境條件和實驗誤差也會影響動物對實驗處置的反應，影響畜牧實驗的因素包括：實驗動物實驗動物是科學研究的材料。實驗動物敏感且誤差小是最好，但動物反應比化學反應復雜，動物自身品質對實驗結果影響頗大。選取實驗動物力求其遺傳性狀相似，使動物反應的個體差異趨于零。環境因素從大范圍看，氣候、季節、降雨量等都會對動物身體機能產生影響。從小范圍看，動物所處環境的溫度、照明、籠具、墊料、同籠動物數量等都會對動物身體機能產生影響。照明間隔對動物生理機能的影響最重要，如血糖值等在明暗刺激下會發生變化，動物反應也受到影響。實驗方案和操作實驗方案是對實驗過程的具體設計，主要包括實驗處理方案、供試動物條件及數量、實驗設計方法、飼養管理要求、觀察記載項目、資料分析的方法和軟件等。錯誤的有太多不確定性因素的實驗設計，結果是不可靠的。嚴格按照實驗設計和規范進行操作控制，客觀準確全面的記錄資料才能確保原始數據的科學性。
提高畜牧實驗質量的途徑
科學選取樣本為了減少個體帶來的誤差，樣本量越大越好，然而成本也會隨之上升。因此，要在成本可控范圍內盡量增加實驗樣本。樣本應選取同一品種、性別、年齡，體重相似的實驗動物，采用隨機抽樣的方式選取，讓實驗動物有同樣的機會接受實驗處置。優化實驗設計實驗結論的正確性取決于實驗設計是否嚴密。理論上可采用的實驗設計方法很多，如區組化設計、拉丁方設計、交叉設計等。不同實驗設計各有優點，其要求的前置條件也不一樣，如拉丁方設計精確性較高，可以在不增加實驗單位的情況下，比隨機單位組設計多設置一個單位組因素，減少實驗誤差，而且分析起來更簡便，但這種方法要求橫行和直列單位組因素與實驗因素間不存在交互作用。雖然實驗設計方法很多，但使用得比較多的還是單因素或雙因素實驗，實驗效率低的同時，也使有些本應在同一實驗中聯合考察的因素被人為分在幾個實驗進行，導致實驗結論出現偏差。進行畜牧實驗設計時，應根據實驗的要求，綜合考慮不同實驗設計方法的優劣，選擇適當的實驗設計方法減少實驗誤差。嚴格控制過程采用各種技術措施來控制和減少處理因素外的其他因素對實驗結果的影響，接受同一實驗處置的個體應給予相同的條件，如放在同一圈、或條件（溫度、籠具材料和墊料、照明間隔、同籠動物數量等）完全相同的畜舍內飼養。并且供飼動物由同一人飼養，前后兩種實驗處置之間要留出間歇期。控制和排除外來因素干擾，如飼料突然改變、極端天氣、疾病侵襲等。實驗數據由專人詳細記錄并隨時備份，如有意外事項隨時上報，以便及時進行處置。
本文作者：蒲萬君工作單位：四川省阿壩州中等職業技術學校
[關鍵詞]物理；實驗設計；探究
新課程理念要求將學生從接受學習向探究學習轉變，變被動學習為主動學習，主要的表現就是主動探究問題的解決方法。在物理科學的實踐探究中，學生設計實驗是其中的重要一環，因此在物理課中強化學生的實驗設計教學顯得尤為重要。
一、實驗設計教學的必要性
（一）加強實驗設計教學是物理課程教學本身的需要。物理作為一門以觀察和實驗為基礎的學科，課程本身即要求學生能在教師的示范及教材的示例下，根據已學的知識和已有的經驗，按要求仿寫實驗方案，按部就班地完成預設的學生實驗，并完成實驗報告的撰寫。通過對已成立的實驗結論的親自驗證，形成尊重事實、探究真理的科學態度。
（二）加強實驗設計教學是大力全面推進素質教育的需要。如果我們總是教育學生“應該……”“必須……”，這樣培養選的人才在學校可能算是好學生，但思想僵化，毫無創見，面對新的形勢，不能適應社會飛速發展的需要。教師要轉變教育觀念，在實驗設計教學中，發展學生思維，培養學生能力。
（三）加強實驗設計教學是當前新課程改革和教育理念轉變的需要。新課程改革要求轉變教育理念，讓學生自己設計實驗方案，經歷探究過程，體驗探究過程中可能出現的失誤、失敗，甚至與已有定論相左的結論。通過置疑、假設、自我糾正的過程，變被動地接受學習為主動的探究學習。
（四）加強實驗設計教學是培養學生創造性思維能力和實踐能力的需要。培養學生的實驗設計能力，關鍵在教師應讓學生主動地、富有個性地學習。在教學過程中，教師及時地激勵、發現問題和解決問題以及在課堂講解上難題的解決上，都離不開創作。教師合理的創作使教學升華；學生的自主創作，使學生從“接受學習”走向“探究學習”，由被動學習到主動學習。通過教師的創作，使知識更加接近生活，使學生更加體驗到生活中的物理。
二、實驗設計教學的基本原則
堅持自主原則，正確處理好“主導”與“主體”的關系。堅持民主原則，充分信任學生，尊重學生的自主地位和首創精神，在教學中建立起師生互愛互敬，相互尊重，平等和諧，民主交流的良好教育氛圍。堅持探究性原則，鼓勵學生大膽嘗試，敢于發表創見。教師要運用啟發式的教學，盡可能提出供各創設具有價值的問題與情境，使學生處于“憤”“悱”的狀態中，且其研究方式方法應是多樣的。堅持實踐性原則，教師應鼓勵學生動口、動腦、動手，要引導學生主動參與，重視理論聯系實際。
三、多為學生提供實驗設計的機會
真知來源于實踐，教學中要多為學生提供實驗設計的機會，使學生能有反復實踐的條件。
（一）對課本上的學生實驗，要求他們在預習的基礎上編寫實驗目的、實驗原理、選定實驗器材、擬出實驗步驟、畫出記錄表格等。如測斜面的機械效率，要由學生選定器材，設計實驗。
（二）把實驗設計能力的培養與日常教學結合起來。在平時的書面作業中，讓學生做一些有關實驗設計的練習。如給一只彈秤、一塊小石頭、一個容器、還有水和線，要求測出小石頭的密度。在平時測評考試中，也適當考查這方面的內容。
四、學生設計實驗的基本方法指導
（一）嘗試根據實驗需要，綜合考慮相關因素，合理選擇實驗器材。選擇實驗器材涉及的問題很廣，如實驗的原理，實驗器材的性能和操作要求，實驗的基本知識和方法等，都會對實驗器材的選擇起作用。在選擇實驗器材時，考慮的因素也是多方面的。如怎樣實現探究的步驟，怎樣保證器材的安全，減少實驗的誤差，怎樣方便實驗的操作等。在選擇實驗器材時，應提倡學生選用日常生活中常見的器具來進行實驗，這有利于使他們產生對實驗探究的親近感以及發展他們在實驗器材選擇方面所表現的創造能力。
良好的材料是實驗成功的基礎和保證。選擇實驗材料時，首先考慮從實驗室獲取，但很多小學科學實驗材料從實驗室不易得到，這就要求我們教師自制教具，從生活中獲取簡易的、實驗現象明顯的材料。比如，小學科學教材《固體的熱脹冷縮》實驗，選擇材料是銅球，加熱用酒精燈，冷卻用冷水，觀察方法用鐵圈套銅球。這個實驗有兩個弊端，一是銅球溫度很高，易燙傷學生，有危險性；二是加熱時間比較長。因此，我將實驗材料改為PP-R塑料，因為PP-R塑料熱膨脹系數遠遠大于銅的熱膨脹系數，實驗現象特別明顯。再如教材《馬鈴薯在水中是沉還是浮》一課，我把馬鈴薯改為葡萄，在燒杯中就可以做。這樣既節省實驗用品，實驗效果又明顯。
二、方法“妙”才能一目了然
（一）充分利用對照實驗和對比實驗
對照實驗是提前控制“因”，然后觀察“果”；對比實驗是通過對“果”的對比，讓學生發現“因”，探究性更強一些。在實驗設計中我們要有意識地采用這兩種方法。例如五年級上冊第一單元第一課《小苗的誕生》中的實驗采用了對照實驗，適宜的溫度、水、空氣等諸多條件中，每次只能改變其中的一項。需要指出的是，為了節省時間，可以一次設置多個樣本，根據排列組合的原則使樣本間條件有所區別，最后通過將樣本兩兩對照得出結論。本實驗要求設計記錄表，能對澆水量、光照時間等進行記錄。同時，教師鼓勵學生課后對自行控制變量的種類和數量進行研究，激發興趣，鞏固知識。
（二）改進實驗，一切為了效果
實驗設計時，參照課本、參考書、網上所設計的實驗方法，從各角度思考，找出它們的優缺點，結合自己的設計確定最優方案。比如“光的直線傳播”實驗中，教材中提到森林中的光線直線傳播，但缺點是遠離生活只能想象；觀察教室窗戶中的一縷光線，實施起來也有困難。為此，我設計了利用激光筆大角度傾斜打在黑板上的方法，很方便地證明了光的直線傳播，效果很好。
（三）方案周密，預知可能的敗筆之處
實驗設計時，對可能影響實驗效果的不利因素要提前預知并加以避免。如五年級上冊《風的形成》一課中“風的形成”實驗，學生需要制作自己的實驗箱，在實驗設計階段要引導學生注意以下事項：實驗箱密封效果一定要好，任何地方不能漏氣，否則蚊香的煙會溜走；實驗箱要有一定的高度，否則點燃的蠟燭會引起燃燒，不安全。
三、讓學生積極參與實驗設計
【中圖分類號】 G633.9 【文獻標識碼】 A
【文章編號】 1004―0463（2015） 02―0065―01
生物是一門以實驗為基礎的學科，實驗設計題也是高考中的重要題型，同時還是高考復習教學中的重點和難點。下面，筆者結合教學實踐，就高中生物實驗設計的基本原則和基本步驟作以簡單介紹。
一、實驗設計的基本原則
1.科學性原則。所謂科學性原則，是指實驗的原理要符合科學原理，實驗結果的預期要有科學依據，實驗的各個環節不能偏離生物基本知識和基本原理。
2.單一變量原則。所謂單一變量原則，是指控制其他因素不變，只改變其中某一變量，觀察其對實驗結果的影響。除了整個實驗過程中要處理的實驗因素外，其他實驗條件要求做到前后一致。一般來說，應該做到以下幾點：一是所用生物材料的數量、質量、長度、體積、來源和生理狀況等方面要盡量相同或大致相同;二是所用實驗器具（試管、燒杯、培養皿、廣口瓶等器具）的大小型號要完全一樣;三是所用實驗試劑的成分、濃度、體積要相同，尤其要注意體積上等量的原則;四是所用處理方法要相同。
3.對照性原則。對照是實驗控制的手段之一，目的是消除無關變量對實驗結果的影響。實驗對照原則是設計和實施實驗的準則之一。
二、實驗設計的基本步驟
實驗設計的基本步驟包括：了解題目要求、明確實驗目的、分析實驗原理、確定實驗思路、設計實驗步驟、分析實驗結果。
1.了解題目要求。首先要明確題意，只有明確題意才能方向明確，少走彎路。
2.明確實驗目的。實驗目的是確定實驗原理和設計實驗方案的依據，而對于實驗設計來說，實驗目的是題干中必須明確的條件，否則整個實驗設計就無從談起。因此在實驗設計前，一定要認真審題，準確把握實驗目的。
3.分析實驗原理，確定實驗思路。一個結論可通過許多不同的實驗來驗證，但究竟應該選用何種設計方案，則要根據題目的具體要求來確定。所以在把握實驗目的之后，要弄清題目的設計要求，之后在此基礎上確定實驗思路。
4.設計實驗步驟。實驗步驟是實驗設計的核心，在解答實驗設計題目中，對于實驗能力的考查主要是通過實驗設計的步驟來體現的。最好的實驗設計思路也要通過具體的實驗步驟來體現。要合理設計好實驗步驟，一方面需要學生掌握一定的實驗理論知識，明確實驗設計應遵循的原則;另一方面要有一定的實驗技能。
5.分析實驗結果。實驗是手段，結果才是目的。因此，一定要對實驗結果進行討論、分析。
三、實驗設計過程中要注意的幾個問題
1.步驟設計一般不宜連續描述，往往需要分段敘述，并加以編號。在分段敘述的過程中，要掌握一定的技巧，一般情況我們分三步進行：
第一步，一般是對實驗進行分組;
第二步，一般是對實驗對象進行處理;
第三步，觀察、記錄數據、現象等。
如果在題目中沒有給出實驗步驟，我們可以按照以上的方法設計實驗。如果題目中已經規定步驟，那我們可以靈活處理。具體做法是壓縮步驟或分解步驟，如把二、三步壓縮為一步，或分為兩步，要視題目的具體情況而定。
2.要注意分組以后的表述，前后一致，否則會導致實驗設計過程中表述上的混亂。
3.實驗材料和用具要充分利用。除題目特殊要求外，不要隨便添加實驗材料和用具。題目如果沒有明確提出要選用的話，題目中給出的試驗材料和用具要盡量用完。
實驗評價是根據實驗目的和要求，對現有的多種實驗方案進行科學論證和對比評判，選擇最佳方案，并且加以必要的改進。
1實驗設計教學的基本要素
1.1實驗設計教學的目的和要求
（1）培養學生實驗知識與技能的綜合應用能力。
（2）根據實驗試題要求，運用掌握的化學知識設計一些基本實驗。
（3）能繪制和識別典型的實驗儀器裝置圖。
（4）根據觀察到的實驗現象，記錄、分析和處理（計算）實驗數據，作出正確結論。
1.2實驗設計的原則
實驗設計應遵循科學合理、簡便易行、安全環保、節約快捷、效果明顯等原則。
（1）符合科學性：科學性是化學實驗方案設計的首要原則，要求設計中的實驗原理、實驗操作方法和程序沒有科學性錯誤，并能出現預期的實驗現象，產生正確的實驗結果。
（2）安全性:要盡量避免使用有毒藥品和進行危險性高的操作。
（3）可行性:所選的化學藥品、儀器、設備等在現有的實驗條件下能夠獲得滿足。
（4）簡約性:采用簡單的實驗裝置，用較少的實驗步驟和實驗藥品，能在較短時間內完成實驗。在溫度和壓強方面盡量采取常規的條件，催化劑使用容易得到并且效果顯著的。
（5）經濟性:在不影響實驗效果的前提下，要盡量減少化學藥品的用量，一方面可降低實驗成本，另一方面也可減少對環境的污染。應用微型實驗在這方面有較大優越性。
（6）無污染:在使用易燃、易爆、強腐蝕和有毒藥品進行實驗時，要考慮尾氣和實驗廢棄物的處理，最大限度地減少對環境的污染。
1.3實驗設計的思維模型
實驗設計是一個從信息收集整理、加工處理到付諸實踐并能預期結果的完整的思維程序，如圖所示：
2實驗設計的一般過程
化學實驗設計重在培養或考查把已有知識和技能運用于新情景的能力，所選擇的課題往往是沒有直接實踐過的。在設計過程中時，能夠從題目中接受信息，分析評價信息，選擇并整合新信息與已有知識，以解決實驗設計的新問題。大致過程與思路如下：
2.1信息的獲取
接受、分析和篩選信息，主要是解決以下問題：理解實驗課題，了解實驗條件，明確設計要求。需要迅速、全面地提取題目中的重要信息，把信息歸類，并對各個信息在實現實驗設計中的作用進行分析和判斷。根據實驗目的和要求，闡明實驗原理，分析現有儀器和藥品的作用，選擇合適的儀器和藥品。
2.2實驗設計構思
根據實驗目的和要求，設計實驗的基本思路和方法，勾畫實驗裝置草圖。通過對新舊信息的加工開發，描述實現指定的實驗設計規劃。根據實驗設計的要求及解決問題的順序分析，這種構思包含兩個層次：一是實驗方法的選定，這是從總體上考慮實驗方案的設計。實驗方法主要取決于實驗原理，并受實驗條件的制約。二是實驗裝置和實驗操作設計。實驗裝置和操作的設計都是為了具體實施實驗方法，完成預定的實驗任務，實際上就是實驗方案細節的設計，這部分的設計主要的是體現實驗基礎知識與基本技能的應用。
根據實驗的要求，設計可行的操作步驟和觀察重點，分析實驗中應注意的事項(如反應過程中是否需要除去雜質及尾氣處理等)。
2.3實驗設計內容
（1）根據命題要求，說明設計該實驗的化學原理，并畫出實驗裝置圖。
（2）列出實驗所需的儀器和試劑。
（3）確定實驗操作步驟，說明實驗中應注意的事項。
（4）提示觀察、記錄實驗現象，分析實驗結果（包括寫出有關的化學方程式）。
（5）提出實驗數據的記錄和處理及計算方法。
（6）擬定完成實驗后對實驗結果對照預期目的進行分析、評價及實驗報告撰寫。
3實驗設計與評價能力的訓練
3.1根據實驗命題設計基本實驗方案
設計簡單實驗方案，通常有：驗證某個化學原理；確定某混合物中組分的實驗；定性和定量分析；實驗操作順序設計等。這些簡單實驗的設計，綜合性較強，能強化思維訓練，要求學生聯系所學過的實驗知識和技能，進行知識遷移和重組，全面而細致地思考，才能設計出正確的方案。實例：現有濃硝酸、稀硫酸、稀硝酸、FeCl3稀溶液及pH試紙，而沒有其它試劑。設計最簡便的實驗方法來檢驗CuO經氫氣還原所得到的紅色產物中是否含有Cu2O。
設計思路：Cu2O是堿性氧化物，能跟稀硫酸反應，生成的Cu+在酸性溶液中不穩定，可發生自身氧化還原反應生成Cu2+和Cu。Cu2+在水溶液中呈藍色，而Cu不跟稀硫酸反應。因此可以設想，若CuO被H2還原的產物全部是Cu，將其放入稀H2SO4中，將無變化；若紅色產物中含有Cu2O，將其放入稀H2SO4中，會生成Cu2+使溶液變成藍色。
分析所給試劑是否可用，因為濃H2SO4、濃HNO3、稀HNO3以及FeCl3都有較強的氧化性，不論紅色產物是否含有Cu2O，在上述物質中均會被氧化為Cu2+，無法檢驗是否存在Cu2O。而pH試紙也不起作用。所以最簡便的檢驗方法是取少量該紅色物質放入稀H2SO4中，振蕩，若溶液變為藍色，說明產物中有Cu2O，否則說明產物中無Cu2O。
3.2實驗裝置的創新性設計與評價
對教材中的實驗裝置進行合理的改進，通常都是實驗設計創新的切入點。傳統的氯氣實驗室制法，是用濃鹽酸與MnO2在燒瓶中加熱，加上洗氣和尾氣處理，實驗裝置較復雜，操作麻煩，而且容易泄露尾氣。
本著簡便、節約、省時、環保等原則，將本實驗裝置改進設計如圖：
實驗試劑有:濃鹽酸、飽和食鹽水、氫氧化鈉溶液、高錳酸鉀固體。
反應的化學方程式為:
2KMnO4+16HC1(濃)=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O
評價:本實驗設計體現了創新特點:（1）用注射器代替分液漏斗（使用時再連接），更便于濃鹽酸的添加；（2）用廣口瓶代替燒瓶，無需鐵架臺，簡化了裝置，且更易清洗。（3）使用高錳酸鉀固體，不需加熱即可跟濃鹽酸反應；（4）用排水（飽和食鹽水）集氣法收集氣體，氣體凈化，并容易觀察；（5）幾個聯通管的運用便于控制添加濃鹽酸、收集氣體與吸收尾氣，并使整個實驗過程基本形成封閉系統，防止氣體泄露，有利于環保。
3.3不同實驗方法的對比與評價
一般來說，每一個化學實驗都可以設計出不同的實驗方法。采用不同的試劑、不同的反應條件以及實驗步驟順序的改變，都可以得到不同的實驗方案。這就需要按照實驗設計的原則，認真分析影響實驗的各個因素，通過比較和評價，最終確定最佳方案。
例1：對于銀鏡反應實驗，人們以影響實驗結果的關鍵因素為依據提出過多種方案，各方案的要點是：（1）用乙醛作還原劑，強調試管壁的光潔度至關重要。（2）以葡萄糖為還原劑，醛基的濃度影響反應速度，是成敗關鍵。（3）滴加NaOH溶液，適當提高反應溶液的PH。（4）用0.2％氯化亞錫溶液處理試管。設計時開展討論，深入分析實驗原理，并做參照實驗加以驗證，歸納得出，Ag(NH3)+2與還原劑的適當且均勻的反應速度是關鍵因素。對各種方案綜合評價后，確定本實驗的最佳方案是，在試管潔凈、銀氨溶液正確配制的前提下，以10%葡萄糖溶液為還原劑，在Ag(NH3)+2溶液中加入1滴NaOH稀溶液使PH約為9，在水浴加熱中完成反應。運用此方案實驗，成鏡質量好，成功率基本上是100%。
例2：用鋁、稀硫酸和氫氧化鈉溶液為原料，制備一定量的氫氧化鋁。設計3種不同的實驗方法（以化學方程式表示），并指出哪種方案最節約原料，從每生產2molAl(OH)3所耗費的試劑用量來說明。
這是一道實驗設計與評價的訓練題，要點有二：一是依據鋁的性質描述實驗原理設計，二是根據化學方程式的計算比較評價。經討論歸納，設計與評價結果如下：
關鍵詞：高考；實驗題；基本類型
生物實驗題是近幾年生物高考題的熱點和難點題型，從生物實驗的類型和命題形式看，生物實驗題在高考命題中的基本類型可分為：教材基礎實驗、驗證實驗、探究實驗、評價實驗等四種類型。
一、教材基礎實驗的設計與分析
教材實驗是高考實驗命題的依據，其實驗原理、實驗方法、實驗思想是高考實驗命題的基礎，掌握教材實驗設計的一般規律和方法，是提高考生實驗設計能力的保障。
（一）緊扣教材實驗的特點，尋找解決教材基礎實驗題的思路。教材中所列舉的實驗常注重原理、目的、選材和步驟以及實驗結論的提出與總結，這些實驗設計具有非常嚴密的可操作性和科學性。所以，我們應該模擬教材實驗設計的思想和思路解決高考實驗題。同時，我們要經常性的有目的的訓練，以提高實驗設計的綜合能力。
（二）抓住教材實驗考察方式，學會解決教材基礎實驗題的方法。近年來高考中教材基礎實驗的命題形式一般為選擇題，考察方式一般為單獨考察某一實驗或綜合考察多個實驗兩種形式。
其一，單獨考察某一實驗的具體考察方式我們通常叫做“縱向考察”，即考察設計的問題只針對于某一實驗涉及，不與其他任何實驗作比較，單獨的考察對這一實驗的理解能力或掌握的程度，其難度相對較低。
其二，綜合考察多個實驗的具體考察方式，我們通常叫做“橫向考察”，即考察的問題是針對至少兩個實驗間涉及的問題，一般而言所涉及的實驗有必然的聯系。橫向聯系是歷年考察的一大方向，一般以選擇題的形式出現，此類題涉及的知識面廣、包含的實驗多、難度也相對較大。
二、驗證性實驗的設計與分析
驗證性實驗是實驗題型中的重要類型之一，重在考查考生驗證簡單生物學事實的能力。驗證性實驗考查形式多、范圍廣，除了考查設計或完善實驗步驟，還考查對驗證性實驗的分析能力。驗證性實驗典型特征是結果是唯一的且是正確的，需要考生準確的把握題設信息以及相關的教材基礎知識，才能很好地完成此類實驗。驗證性實驗的解題思路大體如下：
1.結合題意，明確實驗目的，掌握實驗原理；
2.根據實驗原理確定自變量、因變量，以及無關變量；
3.科學選材、合理設計實驗步驟：第一步分組編號；第二步加自變量控制無關變量；第三步觀察或檢測結果，并得出結論。
三、探究實驗的設計與分析
（一）探究實驗設計的一般過程。探究實驗的一般過程往往是從發現問題、提出問題開始，再根據所提出的問題作出假設，然后結合實驗的目的和相關原理設計具體的實驗過程、進行科學的操作并做好實驗記錄，最后分析實驗結果并得出結論。
（二）探究實驗設計的一般方法
第一步：“為什么做？”即明確實驗目的。明確實驗目的，找出自變量和因變量以及控制好無關變量，所有實驗步驟的設計都要圍繞這個核心來進行。
第二步：“怎么做？”即掌握實驗原理。實驗原理是實驗設計的科學依據或生物學原理，是實驗設計的出發點，有了實驗原理的指導，實驗設計就有了方向性和科學性。只有明確實驗原理才能理清實驗設計的思路、合理安排實驗步驟、正確分析實驗結果和結論。
第三步：“用什么做？”即科學選材。科學選擇實驗材料是實驗成功的關鍵，在解題過程中實驗材料要根據原理來選擇或題干所給的信息來確定。選材依據是要確保實驗的易操作性、科學性以及取材的經濟性。
第四步：設計實驗步驟。設計實驗步驟時，首先要理清實驗思路；再次，特別要注意遵循實驗設計的四個基本原則（對照原則、單一變量原則、等量原則、科學性原則）。常見實驗步驟的基本模式：
（1）將相關的實驗材料、用具或相應的實驗對象等平均分組、編號（平行重復，其目的是為了防止偶然誤差，提高實驗科學性，使實驗更具有說服力）；（2）加自變量，控制無關變量，并設置對照（控制無關變量、設置對照是排除額外變量對實驗結果的影響，使實驗結果僅是由單一的某自變量引起）；（3）觀察實驗結果，做出統計和記錄，并結合實驗原理得出結論。如果實驗現象是隱蔽的，必須找出具體的檢測方法，以便觀察、分析實驗結果，之后找出具體的觀察和記錄對象，做記錄和統計，然后結合檢測結果的原理得出實驗結論。
愛好，增強學生學科學、用科學的能力。
認識自然始于觀察自然，讓學生用觀察的方法認識自然。如“四季星空”的教學，由于教學內容分散、抽象，學生很難形成對四季星空的整體認識。教師在實驗設計時，要科學地安排學生觀察四季星空，保證觀察的持續、完整。指導學生用正確的方法觀察，寫出觀察日記，積累有關四季星空的感性認識和材料。并引導學生歸納總結出：不同小學自然是以實驗為基礎的學科。精心設計實驗，讓學生通過親自參加實驗獲得知識是搞好小學自然教學的關鍵。教學實踐證明，實驗設計的好壞直接關系到教學的成功與失敗。現就如何搞好自然教學中的實驗設計談談個人的體會。
1實驗設計要符合自然學科特點
一切自然科學都來自實踐，都是從科學實驗和生產實踐中總結發展起來的，小學自然也不例外。教師在教學時，要讓學生充分感受到大自然的豐富多彩，培養學生探求自然知識的興趣、季節星座交替出現，北極星始終停留在原位置不動，周圍的星座繞著它逆時針轉圈，且一年轉一圈等有關四季星空的變化規律。“水的循環”的教學設計則可以采取另一種方法。教師充分利用學生已有的對水的感性認識。如：天上有下不完的雨、雪；淋濕的衣服會干，冬天關在屋子里洗澡窗玻璃上會有水珠等。引導學生通過實驗歸納總結出：水或冰受熱變成水蒸氣，水蒸氣遇冷變成水或冰的循環規律。讓學生通過實驗的方法認識自然現象，總結自然規律，使感性認識上升到理性認識。為培養學生科學世界觀創造條件，增加學生探索宇宙奧秘的興趣愛好。
2實驗設計要符合學生的認知規律
教學活動是教師教、學生學的雙邊活動，學生是學習的主體。教師在實驗設計時要充分考慮學生的主體地位，讓學生在學習過程中能夠通過自己的觀察、思考、實驗得出結論，達到認識周圍自然現象的目的。低年級學生年齡小，注意力不易集中，感知世界往往從興趣出發，抓不住事物主要特征等特點。設計實驗時要采取多種方式，調動他們的各種感官有意識地直接觀察事物。如：“植物的根”的實驗設計，教師可通過提供大量的可供學生觀察的有代表性的實驗材料――植物的根，讓學生在觀察、比較的基礎上，歸納總結出：植物的根有直根和須根之分。常見的蘿卜、胡蘿卜等直根，土豆、紅薯等須根，它們可以儲藏養分即貯藏根。學生可以通過觀察直接獲得知識，而中高年級學生已初步具備了觀察事物的能力，且能自己動手做一些實驗。他們對神秘的自然界充滿了好奇，對探索自然奧秘充滿了自信。這時教師設計實驗，主要是以一種引路的方式讓學生多動手，多動腦，自己動手實驗獲得結論，并自己設計實驗驗證結論。設計“水的浮力”的教學實驗，就可以通過學生自己動手將各種不同類型的實驗材料放入水中觀察現象，并動手將浮在水面的物體用手向下壓，產生水有向上的浮力的直觀感受，從而得出結論。然后讓學生自己設計實驗證明下沉物體也受到水的浮力的作用。并啟發學生思考如何利用水的浮力，使不平衡的杠桿達到平衡。這種設計可滿足學生強烈的求知欲，達到事半功倍的效果。
3實驗設計要聯系當地的自然條件
教學大綱規定：“自然課要密切聯系當地自然條件。”，我地有豐富的動植物資源和礦產資源。這些抬頭可見，垂手可得的實驗材料，為豐富自然教學實驗提供了方便。教師在設計實驗時，充分利用這一自然優勢，通過多種形式，使原本生動的自然課教學更加豐富多彩。
“學習的最好刺激乃是對所學材料的興趣”。小學生對周圍的一切事物都充滿了好奇，他們渴望認識自然，了解自然，弄清為什么有的樹到了秋冬季就會落葉，而有的卻抽出了新芽，動物靠什么越過寒冷的冬天等問題。教師要充分利用學生這一興趣特點進行實驗設計。如昆蟲是小學生常見的最易引起他們興趣的一類動物，在山區無論是天上飛的，還是地上爬的應有盡有。教師在設計實驗時可先安排學生到林問、樹旁、小河邊捕捉各種昆蟲，并將各自捕捉的昆蟲有選擇地帶到課堂，進行認真觀察、研究，看它們都有一些什么共同特征，從而達到認識昆蟲的教學目的。
實驗設計要聯系當地的自然條件。教師要全面了解當地的自然資源，做到心中有數，進行實驗設計方可如魚得水，運用自如。設計“植物的生長與環境”這類教學實驗時，要安排學生對當地的氣候資源，水土資源進行較長時間的觀察分析，記好觀察日記，歸納總結出：植物適應在什么樣的氣候條件下生長發育，什么樣的植物適應什么樣的土壤種植等有關植物生長與環境的知識，并指導當地的農作物種植，服務地方經濟建設。培養學生學科學、用科學的能力，使他們在獲得科學知識的同時，掌握一定的勞動技能。
教學的實踐過程也是教學方法的探索研究過程，好的實驗設計思想有利于學生有效地掌握基礎知識、基本方法，培養學生的技能和能力，有利于義務教材內容的完成，也有待教師更進一步地探索研究。
