科学实验和原理十篇-尊龙凯时最新

科学实验和原理篇1

关键词:地理信息系统;实验;原则

地理信息系统原理课程有较强的理论性和技术性，其理论抽象，技术复杂，难以理解，不便掌握，成为课程教学的难点。因此通过科学的实验项目与内容设计，让理论与实践结合，是不二之选，而实验设计的原则与方法则是首先要考虑的。

1课程性质

地理信息系统学科是融地理科学、计算机、遥感和地图学于一体的边缘学科，是“用于回答地理学问题的艺术、科学、工程和技术”的统称[1]。它首先是一个信息系统，只是数据管理的难度高于一般系统；它既是一门多学科交叉学科，还是一门技术性很强的学科，虽外观表现为计算机软硬件，内涵却是数据的流动；兼具工具、资源和学科三大属性，它有以空间操作和分析专业提供空间问题答案的工具属性，以整合多源数据与资源体现资源性，而学科属性则是指其相对独特的研究对象和技术体系，并正在逐步地发展为关于地理空间信息处理的专门技术、服务和科学等。地理信息系统原理课程是地理信息科学、测绘科学与技术、遥感科学与技术及相关专业的入门课程，也是学生的第一门专业主干核心课程，担负学科导论的作用。故课程具有理论性、技术性、实践性、综合性、先导性，它是确定教学目标、教学内容和教学方式的前提。

2实验教学要求

2.1总体教学目标

作为入门基础课程，旨在通过本课程的学习，让学生树立正确的空间认知观，了解数据采集规范，掌握数据输入、处理技术，熟悉基本空间分析和建模分析方法，明确gis技术与专业应用的结合手段，提高解决实际问题的能力，学会平台软件的使用。具体教学内容可划分为基本理论、系统技术和应用方法三大模块。基本理论包括基本概念、信息传播理论、空间定位基础、空间分析理论及学科发展等，技术系统涵盖系统配置、数据结构、输入输出系统、空间数据管理、用户界面和支撑软件操作等，应用方法涉及专题分析模型、系统设计、各类技术手段及实际问题与技术的结合方法等，它们以知识的逻辑结构，形成相对固定的教学顺序。而伴随着地理信息科学的推广，将有更多创新的理论、思路、技术和实用模型被充实进来。课程教学目标可分为了解、理解、掌握三个层次，而课程学习中需深入理解和掌握的内容较多。概念多而严密，须加以深刻理解，并区分与日常生活和相关学科概念的内涵异同；其理论是学科的支撑，是地理信息科学的基石，恰恰是陌生的；技术系统———功能实现，杂乱、抽象、技术性强；应用方法，缺少思路，难以捉摸，难与具体决策结合；即使于了解层面，也需了然于胸，否则影响后续教学。既要求宏观体系的把握，又要细节的理会。综上所述，本课程教学具有任务重、类型多样、涉猎面广、知识点丰富、知识体系庞杂等特点，构成大一统的内容体系。教学过程表现出内容“虚”，理解难，基础内容多，要求学生基础全面、学习能力强，成为了教学的难点。化解以上问题，常辅以阅读材料、使用相关教学法和实验等手段。

2.2实验设置问题

有学者通过社会需求、教与学三个方面的分析，对理工科的教学方法进行研究，提出引导高校理工科学生“应用创新”的授课方法和手段，从而将教学落实到“实处”，成为有影响的教改思想。也有学者提出立体化教学方法、问题教学法等，皆为多手段并用，让学生充分参与，亲自动手。而随着地理信息科学的出现，有研究者提出针对地理信息科学方法论的教学机制，建立了地理信息本体论、科学方法、技术方法及创新机制与策略的教学体系，同样强调创新。前述方法中最突出的要求就是理论与实践结合。在教学过程中设立课程实验，这已是通行的方法。实验所用软件有mapinfo、arcview、arcgis等等，它们虽有所差异，但都是成熟的支撑平台，均能满足课程需要。但现有实验存在针对软件功能而设置的问题[2-3]，如设立初识软件、数字化、数据库管理、数据操作、空间分析、制图等实验，重心是软件操作和功能实现，其实是一种验证实验，虽然对理解教学内容似乎起到一定作用，但往往目的并不突出，与理论教学和知识体系结合不紧密，并非针对课程，无法达到以实验巩固、化解知识的目标，突显教学目标和实验设计的矛盾。因此实验设置的目标就必须针对课程内容、教学目标和实验存在的问题展开，以此探讨设计原则。

3实验设计的原则

3.1一般原则

这是所有实验设置必须遵守的共同原则。首先是科学可行性原则。原理、方法、材料和结果要满足科学性，符合客观规律，不违背基本知识、基本原理，逻辑正确。做到实验目的明确、原理正确、手段恰当。其次是对照性原则。通过对照实验的设计消除无关变量影响，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响。再次是可重复性原则。实验都必须能够重复，这是可靠性的标志，也就是在相同实验条件下必须做多次独立重复实验，避免偶然性，提高试验可靠程度，要求控制实验条件、实验变量下重复实验，消除无关条件的干扰。还有就是最经济原则。不论什么实验，都有它的最优选择方案，这包括在资源的使用及时间的损耗上，可用产出和投入的比值来衡量，不可超越所拥有的实验条件。此外还有随机性原则。即研究样本可以从总体中任意抽取[4]。而平衡原则、弹性原则也是需要遵循的。

3.2专有原则

除通用原则外，结合课程特点还应该有需要遵守的专门原则。理论性原则。这是针对课程全新晦涩的理论和易混的概念，要求实验服务于理论，实验结论落实于理论、原理，而非别处，以实验加深对理论的理解。操作性原则。服务于技术操作功能，突出系统的基本功能和应用功能，便于学生对知识体系的把握。应用性原则。服务于应用，与方法结合，锻炼学生解决实际问题的能力。融合性原则。基于边缘交叉的学科性质，适当扩充，顾及其他，让学生扩大知识面。总之要服务于教学目标。实验内容设置应包含训练、综合、分析和验证多类别。具体的实验设计涉及实验目的、实验内容、方案设计等，宜展开后续研究。

4总结

科学实验和原理篇2

为了培养适应21世纪需要的医学人才，1995年9月原 中山医科大学以世界银行贷款支持的高等教育发展项目的 实施为契机，在国内率先对基础医学课程教学实验室管理 体制进行改革，撤销了各教研室所属的实验教学实验室，组 建成实验教学中心，中心下设4个实验室:化学、生物化学实 验室，形态学实验室，实验生理科学实验室和综合实验室。 承担我校临床医学、预防医学、法医学、口腔医学、视光学、医 学影像学、营养学、护理学、医学检验等本科专业、七年制临 床医学专业、研究生、成人教育本科班、专科班绝大部分的 基础医学实验教学任务。2001年10月中山大学与中山医 科大学合校以后，新的中山大学决心以“高起点、高水平、高 效益”的标准创建校级基础医学实验教学中心。根据学科 课程的特点，在资源共享的理念的指导下，对原有的基础医 学实验课程进行了优化整合，重新组建了中山医学院教学 中心实验室，包括分子医学实验室（适宜课程为生物化学、 免疫学、遗传学）形态学实验室（适宜课程为组织胚胎学、 病理学、生物学）病原生物学实验室（适宜课程为寄生虫 学、微生物学）实验生理科学实验室（适宜课程为药理学、 生理学、病理生理学）人体解剖学实验室和医用化学实验 室。在学校和学院的领导与支持下，通过多年的建设和 “ 985专项实验室建设”资金的投入，实验室增添了一大批先 进的教学仪器设备，加强了实验教学手段，改善了教学环境， 提高了实验技术水平，为培养适应新世纪国家建设与社会 发展需要的、具有国际竞争能力的高素质创新实践性医学 人才创造了条件，提供了良好的实验教学技术平台。基础医 学教学实验室管理体制的改革已经取得明显成效，先后获 得卫生部、教育部及广东省高等教育厅和学校多项教改课 题资助，取得了一批有示范推广意义的成果，获得了部级 优秀教学成果二等奖1项，广东省优秀教学成果一等奖3 项，现已发展成为在国内有重要影响的基础医学实验教学 单位之一。2005年3月，中山大学正式成立中山大学基础一，还被评为广东省首批高等教育实验教学示范中心。

1 明确提出基础医学实验教学理念与改革思

     路实验室是高等学校进行教学和科研的重要场所，是学 校教学和科研水平的重要标志，对提高教学质量和科研水 平产生影响。为鼓励实验教学人员、实验技术人员和实验 管理人员进行科技研究和革新，学校制订了一系列相关政 策来正确评价他们做出的贡献，调动他们的积极性和创造 性，积极为实验教学、科学研究工作提供良好的技术服务和 条件保障。

中山大学将实验教学置于与理论教学同等重要的地 位，实验室建设和管理、实验教学研究和改革（包括综合性 和创新性实验项目的建立）由设备与实验室管理处负责。 学校拟建立以学校为主导的校级实验教学中心和以学科专 业为主的功能实验室，搭建文、理、医基础教学大平台。现已 撤销了学校原有的90多个教学实验室，建立了 3个校级实 验教学中心和学院管 理的 9个实验中心 及专业实验室 建立 了集教学、科研于一体的实验教学中心，为进行实验教学改 革提供了条件。

学校将对实验教学中心在管理体制、运行机制、实验人 员队伍建设和设备管理等方面进行新的探讨。由各学院提 出实验室建设需求，并负责实验教学，由设备与实验室管理 处统筹规划，实验教学中心提供条件保障，分工合作；以实 验教学改革带动实验室建设，建立一体化、多层次、开放式 的实验教学体系，由验证式实验教学转变为探究性、研究 性、综合性实验教学，为创新性实验教学提供平台，培养实 践和动手能力强的高素质人才。在实验人员队伍建设方 面，实行实验教学人员和管理人员分开，培养管理专门化队 伍，人员定编、定岗、定员，实验教学人员实行统一管理、管用 分离、开放共用、专管共用的机制，并逐步提高实验教学人 员的素质。

中山大学基础医学实验教学中心属于校级实验教学中 心建制，由学校委托基础医学院进行管理，实行校、院二级 管理。实验中心的管理理念是：以教学为中心，以服务为 目标，以管理出效益，以培训为基础。做到五个“一流”，即 一流管理理念、一流人才队伍、一流服务意识、一流条件保 障和一流教学质量。

我们将建立一个为基础医学实验教学服务的大平台， 实现实验资源有效共享、实验室的开放和创新，保证全校基 础医学课程的相关实验教学任务的顺利落实和完成，为我 校培养创新性和研究性医学 人才 提供条 件和 服务 在 2 年 ~ 3年内争取建设成为国家实验教学示范中心。

2 构建有特色的基础医学实验教学课程体系

     2.1基础医学实验教学改革的背景

     目前，国内外医学教育主要有如下三种教学模式：以器 官系统为中心的教学模式，以问题为基础的教学模式和以 学科为中心的教学模式。我国当前大多数院校的医学教学 模式属于第三种，这种模式存在的主要问题有：①每门课程 都有对应的独立的教研室，每个教研室都有自己的学生实 验室，由各教研室负责理论和实验教学，实验课从属于理论 课教学，以验证课堂教学理论为主要目的。而随着医学的 发展，理论教学内容越来越深入，实验课内容已经越来越不 现“机体从徤康到病死，’这一整体性，但以学科为中心的教 学模式使人体系统知识被人为分成的诸多学科所分割。因 此，淡化学科界限、整合课程内容是基础医学教学改革的一 项重要课题。③医学教育应该重新认识实验教学的地位和 重要性。随着医学科学的发展和医学模式由“生物医学模 式，’向“生物一心理一社会医学模式，’的转变，高等医学教育 的目标转变为培养高素质的创造型人才。医学教学的实践 性很强，实验教学是理论联系实际的重要环节，实验课教学 不仅传授“系统性，“整体性，’的医学知识，更应该成为培养 学生创新能力的重要场所，要在实验课教学过程中培养学 生的科研能力。

2.2构建有特色的基础医学实验教学课程体系

     基础医学实验教学是构成高等学校课程教学的重要组 成部分。实验教学中心按照新世纪经济建设和社会发展对 高素质创新型人才的需要，将实验教学同理论教学紧密结 合，科学地设置实验项目，并注重先进性、开放性和科研成果 的转化，形成适应学科特点的、系统的、科学的、完整的课程 体系，自行研制开发实验设备和实验软件，开展具有自身特 色的实验项目并应用于实验教学，探索实施开放式实验教 学。1]全面培养学生的科学作风，实验技能以及综合分析、 发现和解决问题的能力，使学生具有创新精神和实践能力。

2.3构建有特色的基础医学实验课程体系本中心

    开设的各门实验课程均包括基本实验、提高型 实验（综合性、设计性、应用性等实验）和研究创新型实验， 其中提高型、研究创新型实验应当在全部实验项目中占有 一定的比例。中心实行开放式教学，实验室提供选题（含必 修、选修）学生可以自带题目，中心为学生提供技术指导等 全方位服务。中心承担的实验课程主要有:分子病原生物学 (病原体形态与病原学检测实验、病原体的免疫学检测试 验、病原体的分子生物学检测试验、病原生物学综合实验、开 放性实验）生命化学基础技能实验，分子医学技能、实验生 理科学、人体解剖学（含断层解剖学和局部解剖学）组织学 与细胞生物学实验，病理学实验。

分子病原生物学实验课程教学时数为98学时，实验项 目35个。其中，基础实验10个，技能熟练实验9个，综合性 实验11个，综合与创新实验5个。此外，还有21个探索性 实验，供学生课余科研小组及七年制医学生选修。学生也可 以在课余时间自选课题进行研究，每个课题在一个学期内 完成。生命化学基础技能实验是将原来的医用基础化学实 验和医用有机化学实验课程的内容优化重组而成，实验项 目总数19个，共57学时，其中基本技能实验14个占42学 时，探索性实验5个占15学时。分子医学技能教学时数为 150学时，其中基本技能实验42个占75学时，探索性实验 29个占75学时。实验生理科学总时数为72学时，教学按 照三个阶段进行，即基本知识、基本技能实验12学时，综合 性实验40学时，探索性实验20学时。人体解剖学总学时数 为126学时，其中基本知识、基本技能实验100学时，综合性 实验20学时，探索性实验6学时。组织学与细胞生物学实 验总学时数为85学时，其中基本知识、基本技能实验60学 时，综合性实验15学时，探索性实验10学时。病理学实验 总学时数为65学时，其中基本知识、基本技能实验40学时，3实验教学与科研、临床等实际应用密切结合3 1人体解剖学实验室人体解剖学实验室在全国率先提出并实施“系统解 剖一局部解剖相结合的解剖学教学新模式”这一教学模式 符合当前医学教育课程改革的综合、精简、联系临床的整体 趋势，减少了如肌肉、血管、神经等知识内容的大量重复，并 在整体上保持系统解剖一局部解剖一中枢神经系统解剖的 循环教学方式，有机地弥补了传统的局部解剖学和系统解 剖学相分离的教学模式的缺陷；该模式增加了学生解剖操 作的时间，使学生动手操作的机会增多，“让学生从解剖实 践中学习解剖知识”从而充分调动了学生学习人体解剖学 的积极性，提高了学生动手操作的能力与观察和分析问题 的能力。教师能够在一个学期内完成该课程的教学，因而 有较多时间从事科研和教学研究，有利于教学与科研相结 合和教学内容的改革。这种新的教学模式的建立带动了人 体解剖学课程的建设，促进了本门课程教学内容、教学方法 和考试等方面的改革。该教研室还安排临床手术科室教师 参加人体解剖学实验教学，从而促进了基础与临床的双向 渗透，促进了人体解剖学与临床医学的密切联系，使实验教 学生动活泼，激发了学生学习人体解剖学的兴趣。教研室 还采用诸如讨论式教学、教师指导下的学生自导学习，安排 学生参加暑期科研活动(simmersiudent)等多种方式，引导学生积极主动地学习人体解剖学，以培养学生主动获取知 识及动手操作的能力。2'5j3 2形态学实验室形态学实验室负责的生物学、组织胚胎学和病理解剖 学都是通过显微镜来观察正常的或病理的细胞和组织的形 态，在授课内容上互有关联又有重复。实验室拟把部分教 学内容统一归由某一学科重点讲授，这样既可以减少课程 间的重复，节省学时，又可以保持课程的系统性。因此，要求 各学科教师不仅要精通本学科的知识，而且对其他学科的 知识也要有相当的了解。这样在授课时才能将3门课程内 容融会贯通，避免不必要的重复，有利于增加授课的趣味性 和实用性。组织3个学科的教师相互听课，促进相互了解， 优化3门课程之间的组合，在实验教学内容上也可以适当交 叉渗透。例如，在学习正常组织显微结构时，也让学生观看 一些病理切片，让学生开阔视野、活跃思维，并调动学生学 习组织胚胎学的积极性。

3.3机能实验室机能实验室

    把生理学、病理生理学与药理学3门实验课 程有机地重组成一门“实验生理科学”独立开课，独立考 核，不与理论教学同步进行。实验生理科学教学打破过去 以教师为中心、以教室为中心、以书本为中心的教学模式， 树立教师在教学中的主导作用与学生在教学中的主体地 位，促进学生主动参与，促进师生双向交流，促进个性化教 学，从而对培养学生的综合素质起到了极大的促进作用。 该研究于2001年获得部级优秀教学成果二等奖及广东省 优秀教学成果一等奖。从2000年起，该教研室还启动了 “高等医学教育机能学科实验教学深化改革的研究”计划， 该研究已在教育部“高等医药教育世行贷款教改项目”中 立项并获得资助，该研究把“实验生理科学”的教改引向深 科学教程》该教材已被教育部评为高等教育“面向21世纪 课程教材”。该教研室还引进网络信息技术，创建成功先进 的、多功能的网络化机能教学实验室，把实验技术水平推上 一个新的台阶，在全国居于领先地位。[6j实现了实验教学手 段现代化，促进了教学质量的进一步提高；积极开展多媒体 教学与远程教学，进一步改进了教学方法，推行创新教育，对 探索性实验的实施与管理做了进一步的探索，并积累了宝 贵的经验。教研室还进一步完善了学生成绩评价体系;成功 地举办了部级继续教育项目“网络化实验室的创建与应 用讲习班”。机能学科的教改大大促进了学生综合素质、开 拓创新精神与各方面能力的提高。

    3.4病原生物学实验室

    病原生物学实验室将原有的医学微生物学的实验和人 体寄生虫学的实验内容优化、创新、重组成为病原生物学实 验课。病原生物学实验课将保留部分基础实验内容，如病原 的形态学，使之与临床应用相结合，构成病原体形态与病原 学检测实验系列。该课程还将把免疫学、生物化学及分子生 物学的临床诊断新技术引用到实验教学中，开设病原体免 疫学检测实验和分子生物学检测实验系列。增设一些综合 性的病原生物学实验，并在综合性实验中设置病例讨论，使 学生能够早期接触临床。此外，还增加了探索性实验，供学 生课余科研小组和七年制医学生选做，鼓励学生自选课题 做实验。iq全面开展计算机多媒体教学，使图像逼真、生动、 重点突出，学生易于掌握。

3.5分子医学实验室

    分子医学目前正沿着基础研究、应用研究、高技术开发 的模式不断深入发展，逐渐渗入生物学、临床医学、预防医学 等各个领域，并形成多分支学科和交叉学科，而各学科与分 子医学的有机结合，又产生了一大批新的学科增长点和研 究成果。目前，学科的相互渗透、融合是现代科学发展的必 然趋势。免疫学、遗传学及生物化学相互融合的趋势正在形 成，一门崭新的学科——分子医学正呼之欲出。将免疫学、 遗传学、生物化学和分子生物学合为一门学科——分子医 学，并在此基础上开设高级实验课程，不但顺应了现代医学 的发展趋势，有利于培养掌握现代医学尖端技术的高级医 学人才，而且课程优化重组也有利于仪器设备的优化共享 提高仪器设备的利用率，避免重复建设，有利于学科之间的 合作互利。该门实验课程将原有的免疫学、生物化学、遗传 学3门实验课内容进行优化与整合，删除陈旧的或重复开设 的实验，增加综合性实验，设置创新性、探索性实验，使学生 能够尽早熟悉诊断疾病的各种实验室方法以及重大疾病的 分子诊断方法。开放实验室，为学生自行设计并完成实验提 供条件，有利于培养学生的动手能力及创造能力，达到全面 提高学生整体素质的目的。

4 创新实验教学方法与手段

      4.1根据学科特点建立以学生为中心、以学生自我训练为 主的教学模式

      实验中心开展的实验教学从学生的认识规律和实际水 平出发，实验安排由浅入深、由简单到综合，并能充分调动学 生学习的主动性。学生通过实验教学掌握了基本实验操作 方法，能够正确地使用仪器设备，准确地采集实验数据。使观察实验现象并进行分析判断、逻辑处理、做出结论的能 力；正确设计实验（选择实验方法、实验条件、仪器和试剂 等）并通过查阅手册、工具书及其他信息源获得信息以解 决实际问题的能力。注重培养学生实事求是的科学态度， 百折不挠的工作作风，相互协作的团队精神，勇于开拓的创 新意识。

4.2运用现代化技术及先进的实验教学手段，促进虚拟、仿 真实验与实际实验相结合

     本中心充分利用网络，使用计算机辅助实验教学软件 和多媒体教学课件，推广运用虚拟、仿真等实验技术手段。 中心承担的各门实验课程均在教学中充分运用现代教育技 术，各实验室均有多媒体设备，形态学实验室有3间数码互 动（mctiq实验室，中心建有网站，初步实现了网上教学和学 习。中心实行开放式教学，教学中全面运用计算机多媒体 教学，并采用多种实验技术和教学方法。中心计划内的教学任务服从教学计划的安排，实验室 每天开放时间不少于10小时，有的实验可以实行阶段性全 时开放或预约开放。这些教改措施大大促进了学生综合素 质、开拓创新精神与各方面能力的提高。

4.3实验教学的考试与考核改革

    本中心实验教学的考试与考核鼓励创新，采取平时成 绩同期末考试成绩相结合的做法。平时成绩以实验操作、 实验结果及实验报告是否准确、规范为主要依据。对开展 探索性、研究性和综合性实验的学生要求提交论文，为鼓励 学生在实验中有所创新，对于有创见的学生，成绩从优。实 验成绩要登记、建档。例如，人体解剖学改革实验课考核，采 取课堂评分与标本考试相结合的方式，增加实验技能标本 考试的比例，建立标本试题库等，使考试成为引导学生思 考、创造的“指挥棒”

5 重视实验教材建设，丰富教学资源

    实验教学中心拟定了正式出版的与理论教学相结合的 自编实验教材和中长期编制实验教材的计划，并对教材的 选用实行以下原则：各实验课均使用自编或引进的高水平 教材；教材应当多样化（包括立体化教材）并有广阔的覆盖 面和足够的实验项目（包括计算机辅助实验教学软件和多 媒体教学课件）教材内容应当反映课程内容与体系改革以 及实验教学改革和研究的成果，既要体现基础性又要具有 先进性，既要体现学科内涵、实验内容的更新，又要有反映 新技术、新方法、新设备的现代实验技术和手段；教材要符 合实验教学大纲的要求，对不同专业的实验课程教学留有 充分的选择余地；各类实验教材要在保证质量的原则下充 分体现自身的特色。中心鼓励实验教学教师在学校和设备 处课题资助下，与出版社合作编写教材，目前已正式出版的 实验教材有《实验生理科学教程》等20余部。

科学实验和原理篇3

关键词：实验设计；能力训练

中图分类号：g633.91 文献标识码：a 文章编号：1671-0568（2012）36-0184-02

在我国第8次课程改革中，科学探究在生物课程教学中受到了广泛重视。实验设计能力是科学探究能力的重要环节，在高中生物教学中有意识地对学生进行实验设计能力的训练，有利于发展学生的科学探究能力，提高学生的科学素养。

一、实验设计及其流程

实验设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的目的和要求，运用有关的科学知识原理对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。一个完整的生物学实验设计一般包括以下七个方面：把握实验目的、明确实验原理、选择合适的实验材料、确认变量、确定实验类型、设计合理的实验装置和实验步骤、预期实验结果。

二、高中生物教学中对学生进行实验设计能力训练的过程和方法

实验设计能力不是短时间内能达到的，需要较长时间的学习。在教学中，教师应遵循学生学习的认知规律来教学，才能更快、更好地提高学生实验设计的能力。现以人教版必修一第五章中《比较过氧化氢在不同条件下的分解速率》实验为例，阐述教师对学生进行实验设计能力训练的过程。

1.把握实验目的。准确把握实验目的，明确实验要解决的问题。把握实验目的才能确定实验设计中的自变量，才能明确运用相关原理进行实验设计。本实验的目的是比较过氧化氢在不同条件下的分解速率。

2.明确实验原理。实验原理是实验设计中的灵魂，是实验方法、实验手段、实验操作过程和实验结果分析等所依据的科学理论。本实验的实验原理是：新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。经计算，质量分数为3.5%的fecl3溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比，每滴fecl3溶液中的fe3 数，大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍。

3.选择合适的实验材料。实验材料的选择要符合如下要求：一是易于实现实验的目的，二是符合实验原理，三是容易获取，四是便于观察，五是利于操作。本实验选取猪肝作为实验材料，是根据实验目的和实验原理，同时考虑了猪肝在当地容易获得，又比较便宜。

4.确认变量。变量，是指实验过程中可以变化的因素或条件。根据其在实验中的作用，通常可分为两类：一类是自变量与因变量，另一类是无关变量与额外变量。实验的关键在于严格地操纵自变量以获取因变量，同时要严格地均衡无关变量以减少额外变量。本实验中变量的确认主要包括自变量、无关变量和因变量三个方面，具体阐述如下：自变量是反应条件（即本实验研究的对象），操纵方法是2号试管水浴加热（即高温），3号试管加入质量分数为3.5%的fecl3溶液（即无机催化剂），4号试管加入过氧化氢酶（即生物催化剂）。本实验探究的是在这三种条件下，过氧化氢分解速率的问题。所以因变量是过氧化氢的分解速率，通过观察试管中气泡产生量的多少及卫生香燃烧的情况来检测，无关变量是过氧化氢的量及浓度等，控制方法是每组实验都保持一样。

5.确定实验类型。实验方法有多种多样，如按实验在科学认识中的作用可分为析因实验、对照实验、模拟实验等，其中对照实验是高中生物实验的常见类型。处理一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。对照实验一般要设置对照组和实验组，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自自变量的效果。因此，对照的目的在于进一步消除无关变量对实验结果的影响，以增加实验结果的可信度。按对照的内容和形式上的不同，对照实验分为空白对照、自身对照、条件对照和相互对照。本实验中1号试管属于就是空白对照组，因此本实验属于空白对照。

6.设计合理的实验装置和实验步骤。设计具体的实验装置和实验步骤时，要注重引导学生依据实验设计的原则来设计。实验设计的原则有平衡控制原则、对照性原则、随机性原则、重复性原则等，每一个原则的制定都有其科学理论的依据，都是在严密的科学思维的指导下制定的。因此，实验设计的原则为实验过程和实验结果的准确性提供了可靠保证，是实验设计必须遵循的理论准绳，同时也是评价实验设计正确与否的基本准则。根据本实验的目的、原理及实验设计的原则确定实验装置和实验步骤（略）。

7.预期实验结果。所谓预期，就是在实验设计方案确定之后，在实验正式实施之前，根据假设和原理，对实验可能出现的结果的判断。如果预期在实验结果中出现，则假设成立；否则假设被否定或可能是实验设计中或操作过程中出现了一些失误，这就需要寻找原因，修改设计方案，或重新进行实验操作。根据实验目的及原理，预期本实验的结果是：4号试管产生的气泡最多，卫生香燃烧最猛烈，3号试管次之，第三是2号试管，而1号试管几乎不产生气泡。

三、教师对学生进行实验设计能力训练的要点

1.研究经典实验寻找实验设计思想。生命科学史中的经典实验蕴涵着丰富的生物学知识，科学思维方法以及艰难的科学探究历程。经典实验在高中生物教材中列举了很多，如酶的发现、遗传定律的发现等。教师在教学过程中注意引导学生挖掘其中隐含的科学思维，领会科学研究的一般方法，并从这些经典实验中学习设计实验的方法。

2.注重学生思维能力的训练。在生物教学中，教师应注重学生思维能力的训练，激发学生的思维积极性，训练学生的思维操作技能（即分析、综合、比较、抽象和概括等），培养学生的思维逻辑性，从而提高学生科学的思维能力，为其实验设计的实作训练奠定基础。

科学实验和原理篇4

一、实验专题复习的时间安排

由于实验能力是一种综合能力,不仅仅是有关实验的一些基本操作,而且还涉及教材各个章节的许多基础知识,只有在完成了第一阶段复习即基础知识复习的基础上,才有可能复习好实验。因此在第一轮复习之后,把实验内容列为最重要的一个专题加以系统复习是较合理的安排。

二、实验专题复习的主要内容

由于实验内容的考查,突出的是能力的考查,所以现在的高考实验题不再是那类靠死记硬背教材实验就能回答的,从近几，！年理科综合生物高考试题来看,试题均不再是直接取材于教材上的某个实验,而是取材于教材之外,借助实验方法创设新情境,注重考查学生对实验的分析、设计能力,这明显反映出命题者的意图,即避免死记硬背,引导灵活运用和创新能力的提高。

例题1 为了确定生长素类似物促进扦插枝条生根的适宜浓度,某同学用两种浓度的生长素类似物分别处理扦插枝条作为两个实验组,用蒸馏水处理作为对照组进行实验,结果发现三组扦插枝条生根无差异。回答下列问题:

(1)参考该同学的实验,在下一步实验中你应该如何改进,才能达到本实验的目的?请说明理论依据。

(2)在进行扦插枝条生根实验时,一般需要剪去扦插枝条上的一部分叶片,其主要目的是为了减少________,同时还应使扦插环境保持较高的________,避免扦插枝条干枯。

本题考查的知识点是“植物生长素作用”及实验“探究植物生长调节剂对扦插枝条生根的作用”,精彩的部分是第(1)小题,考查学生的实验与探究能力和创新精神,考查的角度是“能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订,对探究过程进行反思和评价”。

近年来,虽然高考命题不再直接取材于教材实验,教师是否就应淡化教材实验的复习或干脆放弃复习教材实验呢?答案是否定的。因为教材是基础,高考命题虽然取材于教材之外,但所考查的基本实验方法、实验技术及实验思想,还是源于教材所蕴含的相关精神。因此,有关实验专题的复习,建议分为两大部分内容:第一部分是有关教材实验的复习,第二部分是有关实验设计的复习,其中实验设计是复习的中心内容。

三、教材实验的复习

(一)注重经典实验的剖析,建立科学实验的思维方法

基于近年来的高考实验题几乎是来自书中的经典实验,只是加以适当改造。因此,复习时应注重对书中经典实验的剖析,引导学生像科学家那样思考,学习科学家的科学思想、科学方法、科学精神、科学态度,提高复习质量。

例如,孟德尔的基因分离定律研究

设计思路:

科学研究方法:

①实验材料选择适当。

②操作技术:纯系亲本的杂交技术。

③实验方法由简单到复杂。先研究1对相对性状的遗传规律,再研究多对相对性状的遗传规律。

④从定性观察到定量研究,将实验结果建立在量化基础上,增强其科学性。

观察子代性状分离现象,并用定量研究方法统计每一种子代数目,找出内在联系,提出理论解释其结果。

⑤进一步设计测交实验验证其理论的正确性。

科学态度、精神:

①实事求是的科学态度,按生物本来面目认识生物。

②严谨的科学态度,仔细的采集、收集、检查数以万计的豌豆植株和种子,从7对相对性状连续各代的表现中观察对比设计分析,寻找规律。

③持之以恒的科学精神,连续8年的豌豆杂交实验足以证明这一点。

科学启示:

①一名成功的科学家必须具备综合利用各学科研究成果的能力。

②科学发现的艰难、科学研究方法的重要。

此外,生长素发展系列实验;甲状腺激素研究实验;噬菌体侵染实验;光合作用的发现、条件、原料、产物研究等实验,都可以根据以上方法分析其科学研究思想,真正掌握其中的科学思维方法,达到解决实际问题的目的。

(二)掌握每个实验中最基本的实验方法和技术

以复习“叶绿体中色素的提取和分离”实验为例。首先要引导学生分析实验的设计思路:本实验的目的是什么?围绕此目的设计实验时应考虑哪些问题?应该取什么样的材料才能完成这个实验?完成此实验要对实验材料进行怎样的处理才能把色素提取出来?提取出来后再用什么样的方法才能把各种色素加以分离?其次要引导学生从该实验中提取出一些基本的实验方法和技术:如研磨,过滤技术,纸层析技术等,这些基本的实验方法和技术是进行实验设计中经常用到的,一定要掌握其操作要领,如凡是需要从细胞中提取某些物质时,就应考虑是否要用到研磨和过滤,凡是需要分离溶解在溶液中的某些物质时则应考虑是否要用到纸层析技术。通过这样的分析,不但使学生领会了一些基本的实验思想,学会了设计此类实验的方法,而且掌握了一些基本的实验方法和技术。

此外,学生应掌握的常用的实验方法和技术还有:光学显微镜的使用;临时装片、切片和涂片的制作;解离技术;恒温技术;植物叶片生成淀粉的鉴定;根尖培养;幼小动物的饲养;植物必需矿质元素的鉴定;同位素示踪技术等。

四、实验设计的复习

对实验设计知识的复结,可进一步提高学生的实验设计能力,这是实验专题复习的中心内容。该部分的复习内容一般有以下三个方面。

(一)实验设计的原则

1.科学性原则

实验设计的科学性,是指在设计实验时必须有充分的科学根据。是指实验目的要科学,实验原理要正确,实验材料和实验手段的选择要恰当,实验操作程序要规范,整个设计思路和实验方法不能偏离生物学基本知识、基本原理。即:实验的原理要科学,实验材料的选择要科学,实验的方法步骤要科学,实验的结果、结论要科学。

2.对照性原则

为了更科学、更有说服力地论证提出的假设,生物学实验常常设置对照实验。通过设置对照实验,可以消除无关变量对实验结果的影响。在实验设计时,首先根据实验原理、实验目的提出一个命题,作为实验 组(指接受实验变量处理的对象组),然后提出一个与之对立的假设,作为对照组(指不接受实验变量处理的对象组)。

3.单一变量原则

单一变量原则是设计实验的一个重要原则,它包括两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论有一个或几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量;二是确保“单一变量”的操作规范,确保实验设计只有一个变量(实验中由实验者所操纵的因素或条件),在实验设计中要尽可能避免无关变量(实验中除自变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件)及额外变量(实验中由无关变量引起的变化和结果)的干扰。

4.重复性原则

重复是保证实验结果可靠性的重要措施。由于实验对象的个体差异等原因,一次实验结果往往不够真实可靠,需要多次重复实验方能获得可靠的结果。在实验设计中也必须注意实验的可重复性,任何实验都必须要有足够的实验次数,才能判断结果的可靠性。

5.随机性原则

随机是指实验样本的抽取是在实验对象的总体中随机抽取的,它们的机会是均等的。如果在同一实验中存在许多个因素,则各因素作用顺序的机会也是均等的。随机抽取的样本能够代表总体,减少抽样误差,从而使实验因素产生的效应更加客观,便于得出正确的实验结论。例如用等量的黑白棋子代表一对同源染色体上的一对等位基因,随机抽取,一是不能有人为因素,二是每次抽取后要将棋子放回并充分混合,使每次抽取到两种颜色棋子的机遇相等。

(二)实验常用的器材和药品的使用

一般实验设计类题目会提供所需的器材和药品。因此,如果能熟悉这些常用器材和药品的用途和使用方法,往往能从中发现实验设计的思路和方法,甚至具体的实验步骤。

1.化学物质的检测方法

(三)实验设计的方法和步骤

1.认真审题

通过审题,明确要求,即弄清是设计实验方案、完成实验步骤,还是分析实验结果。

2.明确实验目的

无论是进行实验分析还是设计,明确实验目的都是非常重要的,实验目的是进行实验设计的中心问题,有关实验的其他方面如实验原理、器材、药品、方法、步骤等都是围绕实验目的这个中心来进行设置的,实验目的一般都会在题目中给出、但审题时一定要非常认真地正确领会,明确实验到底要解决什么问题,要用到生物学上的哪些原理。

3.确定实验的设计思路

在写出具体的实验步骤之前,必须先形成一个大致的实验设计思路。此思路的形成主要根据实验目的、原理、器材、药品和题目中给出的一切提示信息,特别是要善于挖掘题目中的一些隐含的提示信息,因为命题者为了降低难度或尽量保持答案的一致性,往往会对实验的设计给出某些提示或引导,这些提示作为非常重要的线索往往会成为解题的关键。

4.写出具有可操作性的实验步骤

根据已形成的设计思路写出详细的操作步骤,对这些操作步骤的要求是必须具体,并体现出有关实验设计的基本原则,文字叙述要求简明、准确、要点清晰。对于题目中给出的器材和药品一般要求充分利用,但也不排除有些题目要求选择使用。除非题目允许,否则不能随意添加实验器材和药品。

5.记录实验现象和数据

客观如实记录实验现象和数据。记录要实事求是,尊重科学事实,做到及时、真实、准确、完整,防止漏记和随意涂改。

6.分析现象得出结论

对记录的实验现象和数据进行整理分析,并用文字、表格、图形等作出简明的总结,提出符合生物科学原理的推论。

(四)例题精析、精练

科学实验和原理篇5

一、新课改下高中物理实验教学

的特点

首先，物理实验教学体现科学性与思想性.物理实验教学的科学性即学生知识技能的培养要符合客观认知规律，教学内容构思要符合科学体系的内在逻辑结构，具体表现在实验原理、实验装置、实验操作方法、实验教学指导过程以及研究理论等具备科学性，科学合理地设计实验、分析过程及解释实验结论；物理实验教学的思想性即指实验教学在理解掌握知识、规范操演技能、培育情感态度和价值观等方面要体现物理教育的思想，主要包括辩证唯物主义、实验方案设计方法论以及物理学研究的思想等，积极倡导采用渗透式教学方法.物理实验教学要切实遵循科学性与思想性原则，以思想性为前提指导，确保物理实验教学实施的科学性，有助于学生全面提高知识和技能、掌握过程与方法、培养意志品质和情感态度.

其次，注重物理实验教学方式的多样化.基于高中物理新课程标准的要求，完整、有效的物理实验教学不只是为了理解概念、验证规律以及增强学生动手操作能力，而是通过实验教学，让学生体验科学探究过程，掌握科学研究方法和理论，培养科学探索精神、创新能力、科学思维能力及实践能力.新课程标准强调要灵活深入地开展物理实验教学，注重实验教学方式的多样性.例如，增加设计型实验，提出多种设想并设计实验原理，通过改进优化实验方式、装备及方案，培养学生创新思维的多向选择性；在演示实验中要注意讲解配合，引导学生分析、解读实验数据，归纳总结实验规律；鼓励学生参与课外实验，培养学生独立工作能力及意志品质；开展探究性实验，鼓励学生勤于观察、敢于质疑，在探索物理规律的实验过程中激发其求知欲与好奇心，培养其自主意识和创新精神.

二、新课改下高中物理实验教学

模式

1．探究式实验教学模式.探究式实验教学模式即学生在教师的指导下以科学研究的方式方法论自主获取知识及运用知识，该模式的程序为：提出问题―猜想与假设―拟定方案―开展实验―数据搜集―分析论证―评估交流.例如，可以将电磁感应的教学分为：感应电流的产生条件、感应电流方向的确定、感应电动势大小的确定三个研究性课题，鼓励学生发挥主观能动性，用各种方法描述磁感线分布，如何根据电流计指针偏转方向确定电流方向，自由改变线框形状、匝数及磁场强弱等自行设计实验方案，通过观察、分析和归纳，使学生既动脑又动手，有效掌握物理原理、规律及概念，培养了学生的创新思维、发散思维、独立思维及换元思维等能力.

2．拓展式实验教学模式.拓展式实验教学模式即基于学习动机，创设一种研究性问题情境和学习情境，对一些具有研究价值的演示实验和学生实验从实验目的和要求、仪器装置、设计思路及控制条件等方面寻找发散和拓展点，激发学生探索的兴趣和求知欲，要求其运用科学研究方法参与实验的理论设计和分析研究，充分发挥学生的天性，让他们去猜测、想象、实践，从中不断发现新问题并设法解决问题，形成科学的理论.例如，在“测量金属丝电阻”实验中，综合采用伏安内接法、半偏法、分压电路及间接测量法等，让学生了解外接法、限流法的局限性和引起误差的原因，并将上述方法创造性地应用于电压表内阻的测量，挖掘原实验隐藏的物理思想，有效开发学生探索科学真理的能力，培养其创新意识和实践能力.

三、对新课改下高中物理实验教

学的建议

1．从学生的生活经验出发，为学生设计志趣相投的探究主题.例如，基于“探究形变与弹力的关系”组织学生探讨生活中桥梁的最大承受力的影响因素，并让学生设计桥梁模型，在探究实践中深化知识.

2．培养学生的科技意识.教师要鼓励学生阅读科普资料以及参加科技论文比赛，举办各种科普知识讲座班，利用课外活动小组设计制作物理小实验，培养学生的科学探究意识和科学素养.

3．有意识地鼓励学生自制及改进实验仪器培养其创造精神，采用简单且实效性强的实验装置，便于学生观察仪器结构和实验过程，达到更好的认知效果.

科学实验和原理篇6

关键词：实验；学习策略；生物学；教学

生物学是一门实验性学科，实验是生物学教学内容中的重要组成部分，通过实验，学生不但可以理解和掌握生物学最基本的事实、概念、原理和规律，更重要的是有更多的机会亲自动手操作，在实验的过程中培养自己的观察能力、思维能力、探究能力、合作能力、创新能力、分析和解决问题的能力以及实事求是的科学态度。虽然高中学生普遍活泼好动，很喜欢生物学实验课，但大多数学生的注意力还仅仅局限于实验的趣味性。只有在生物学教学中综合运用各种实验学习策略，才能引导学生自觉从实验中理解知识、获得技能，不断提高自身的生物科学素养。

一、实验准备策略

实验准备策略即要求学生必须认真做好实验前的各项准备工作。主要包括实验的相关知识、技能方法、步骤、材料、器具和心理准备。要求每个学生在上实验课之前，都能回答出以下几个问题：为什么要做这个实验，实验目的是什么?这个实验怎样去做呢。先做什么，再做什么，具体操作步骤是怎样的?为什么要这样做，什么原理?用什么材料做，用什么器具?实验中应注意什么?这些问题在高中生物学教材中一般都有明确阐述，学生只要提前预习就能掌握。为了促使学生提前预习，我经常以提问的方式抽查部分学生。这样就使学生更加严格要求自己，实验前仔细研读，深入理解。避免了由于课前准备不足导致实验过程中“一手拿书，一手做实验”的尴尬局面，大大减少了因操作失误造成的实验失败和器具的损坏，有助于实验学习能力的提高。

二、实验实施策略

实验实施策略即要求学生尽力保证实验方案顺利实施。实施过程的关键是要求学生对实验进程及每个环节进行准确调控，并且认真做好实验记录或观察记录。调控内容包括：控制整个实验，控制每一步实验的时间、顺序，控制实验材料、药品的量，保持实验操作规范准确，随时排除无关干扰。观察时，首先要求学生明确什么时间观察什么内容?应该记录哪些数据?其次，提醒学生要集中注意力，追踪实验进程，随时捕捉有价值的现象和数据。只有这样才能确保实验实施过程准确无误，提高自己的实验操作能力。

三、实验反思策略

实验反思策略即要求学生对实验的目标、方法、步骤、实验的状况、效果等进行自我思考和监控，从而提高实验的有效性和自己的实验能力。鼓励学生反思这样一些问题：这次得到的实验结果和预期的结果一样吗?达到实验目的了吗?这次实验成功了，有什么经验和启示呢?这次实验没成功，可能是什么原因呢?有什么教训呢?实验中自己的操作有没有问题，应该怎样改进呢?要求学生认真反思总结，写出书面的实验报告。这种反思过程不仅能使学生对实验结果和操作过程做出评价，而且能够及时总结经验，归纳思路，提高实验探究能力。

四、实验设计策略

实验设计策略即要求学生学会设计实验方案，加强学生设计实验能力的培养。让学生学会设计实验方案，首先要让学生理解探究性实验的设计思想，形成探究的实验思维，即用类似科学研究的方式，主动地获取知识，应用知识，解决问题。探究性实验一般程序为：①发现和明确要解决的问题；②收集有关资料和数据；③提出假设；④设计实验，验证假设；⑤分析、研究处理资料和数据；⑥发现规律，形成结论。

其次，让学生理解设计实验的原则，为实验步骤的确定打下基础。这些原则主要包括：①科学性原则，即所设计的实验应该符合一般的科学道理；②对照性原则，即要设计一个对照性实验，想让这个实验更能够说明问题，一定要有正反两个方面的实验进行对照；③等量性原则，即所设计实验中的平行反应，各种实验条件，包括实验中所使用的试剂等都应该是等量的；④单因子变量原则，即为避免多种因素对实验的影响。要人为控制条件，使众多变量中，只能有一个因素是变量，其他条件应是一样的。

第三，让学生学会怎样确定实验方案。实验原则确立后，作为核心的实验原理就成为实验设计的依据和起点。在此基础上，遵循正确性、可靠性、简捷性、精确性、安全性的原则，确定所要求的实验方案。之后将实验原则融合到每一步实验步骤中。第一步，确定实验的单一变量；第二步，选材分组编号。对相同材料进行等量设置；第三步。设置实验组和对照组的单一变量；第四步。相同条件下培养(控制无关变量)，观察记录统计，确定观察统计的指标。

最后，引导学生如实记录实验结果。所见即所得，与预想不符合的结果要客观分析原因。平行重复，将结果做得更科学精确。通过对实验现象、数据的分析、处理，得出科学的结论，验证自己的假设是否正确。

参考文献：

[1]蒯超英，学习策略[m]，武汉：湖北教育出版社，1999

科学实验和原理篇7

一、在实验教学环中更好的为学生构建知识体系 在化工原理的实验教学中不能一味的追求作出实验的结果,其中应更加注重理论和实际的结合。《化工原理》课程本身就是一门综合学科,其中的理论知识和工程的方法既需要多学科作为支撑,又需要有新的理解和研究方法,因此构建学生和知识体系的重要性并不低于动手的实验本身。因此,在开设实验课之前应该对过去的知识进行梳理,提出相关的公式的相关性以及工程中的区别,在了解实验设备的前提下进行实践,对实际工厂中的生产设备有所了解,再去通过实验去了解怎样通过其去解决实际的问题。

二、随着科技日新月异的发展,计算机模拟技术已经很成熟,在很多的实际科研中已经取得了很多成果,对实际的生产起到了辅助甚至预测作用。并且在化工原理实验课往往受到场地和实验装置的限制,很难让每个学生真正的完成整个实验。因此引入计算机模拟可以解决这两个方面的问题。其对于提高整体教学效果的作用是非常明显的。在很大程度上,计算机模拟技术可以辅助仿真实验,在构建模型的基础上能让同学们更好的理解整个过程中生产设备的运作和在使用上,更好的结合实际的情况和理论的结合。其能不受时间、场地、安全等实际实验条件的限制。化工原理实验教学中开展仿真实验和计算机模拟结合应该会成为化工原理实验教学改革的新方向。

三、采用分讨论小组的实验教学模式 为了培养学生的兴趣和创新力,争取逐步建成更完善的学习小组,根据学生的实际情况对学生进行分组,对实验的理论、过程、和能应用的场合进行讨论和汇报。合理安排学习讨论内容 [1]:基本实验,对所学的知识进行汇总,处理数据得出实验结果。[2]总结公式对比实验式、理论式、经验式,将用到的公式进行汇总,构建简单的模拟模型,用计算机模拟实际情况。[3]将实验中的知识结合实际,探讨其在实际中的应用,和在实际生产工程中应用可能出现的问题,解决方法。

科学实验和原理篇8

关键词：生物医学工程；微机原理；实验教学

中图分类号：g642.0 文献标志码：a 文章编号：1674-9324（2015）50-0087-02

生物医学工程主要运用工程技术手段，研究和解决生物学、医学中的有关问题，涉及生物材料、人工器官、医学仪器设计、生物医学信号处理方法、医学成像和图像处理方法等，在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面发挥着巨大的作用。南京邮电大学生物医学工程专业是近年来新发展的专业方向，在学校构建以“大信息”为主干的学科专业体系的背景下，基于信号与信息处理强势学科的支撑，通过专业课程教学改革，构建专业集成创新实验平台，凝练专业特点与优势，是提高学生专业素养，培养创新型人才，增强竞争优势的重要手段。

现代电子医疗仪器很大一部分采用了基于微机的虚拟仪器设计方法，因此微机原理课程在电子信息类生物医学工程专业的本科教育课程体系中占据着举足轻重的位置。微机原理是一门实践性很强的课程，实验是教学的重要环节。为提升实验教学的效果，体现专业特色，结合特色专业与生物医学工程集成创新实验平台的建设，我们重点对微机原理课程的实验教学进行了改革，将基础实验融入理论课学习过程中，加强综合性专业特色实验。在实验设计中注意与其他专业课程的前后衔接，并配以相关的开放实验，形成课内课外的综合实验体系，以达到同时提升理论基础与实践能力学习的效果。

一、微机原理课程与生物医学工程

微机原理课程知识点多、实践性综合性强。课程的目的和任务在于使学生能够较全面深入地了解计算机系统的组成和16/32位微机系统的原理；能够掌握汇编语言程序设计的基本方法以及微机接口的基本原理。需要配备丰富的实验内容，通过理论与实践教学的有机结合，使学生从理论到实践，再从实践到理论的认知过程中获得知识、增强能力。结合生物医学工程专业的特点，我们将微机原理课程的教学总体目标设定为掌握基于微机的虚拟医学仪器的设计方法。

一般电子专业的微机原理教学会配置与理论课时相当的独立实验课程，而由于生物医学工程专业属于交叉学科，专业课程多，总体课时的限制造成微机原理课程的实验课时配置较少，相应的实验内容也较为简单，综合性不强；另一方面，实验的设计也是沿袭传统微机原理实验的方式，没有很好地体现生物医学工程专业的特色，很难达到原定的课程教学目标。

二、课程教学改革

针对以上问题，我们主要针对生物医学工程专业的微机原理课程实验教学体系进行了系统性的改革，包括课内实验、专业实验教学体系以及开放实验体系均进行了重新规划与设计。

1.课内实验改革。针对实验课时较少，以及理论教学与实验脱节的问题，我们通过将教学场所从教室改到实验室，在每次理论课教学中都加入了短时间的随堂上机实验，针对该次教学的理论内容设计实验，将实验融入到理论课程中。微机原理的理论内容较为枯燥，单纯地讲述和教师演示的方法不能给学生留下很深的印象，而通过随堂实验的实际操作，学生可以更深刻地理解刚学习的理论知识，并且可以很大地提高学习的兴趣。

另一方面，通过随堂实验，学生在理论课中得到了基本的实验训练，掌握了基本的编程技能，在专门的实验课时中，我们即可设计一些综合性的有专业特色的实验内容，如心电信号采集系统的设计实验。该实验利用了实验室已有的微机原理实验箱，以及为《生物医学传感器》和《医学仪器原理》课程配置的医学电子教学综合实验箱，实验内容综合了汇编语言程序设计、a/d数据采集以及串口通信等课程知识点，利用随堂实验完成的软硬件功能模块，综合设计实现了一个简单但相对完整的基于微机的虚拟医学仪器，很好地体现了综合性与专业特色。

2.专业实验教学体系改革。微机原理课程作为生物医学工程集成创新实验平台建设的一个重要环节，在实验设计中还需加强前后知识体系的衔接，与之相关的专业课程包括《生物医学传感器》、《医学仪器原理》以及《医学信号处理》等。通过对这些课程实验的统一设计，建立完整的实验体系。如我们以心电图信号为线索，在《生物医学传感器》课程中设计了心电传感器实验，在《微机原理》课程中设计了前述的心电信号采集系统实验，在《医学仪器原理》课程中设计了心电放大器设计实验，在《医学信号处理》中设计了心电图分析实验。学生通过这样一系列的理论与实验课程学习，不仅能够更深刻理解各门课程的理论内容，并且能够掌握电子医疗仪器设备的较为完整的实际开发过程。

3.开放性实验体系。开放性实验教学作为一种新的实验教学手段，有助于形成适应应用型创新人才需求的合理培养模式，符合现阶段社会对人才类型、结构的需求，是培养应用型创新人才的必由之路，而培养应用型创新人才则是开放性实验教学的指导思想和目标。

作为课内实验的补充提高，以及创新性实验计划的体现，依托微机原理课程及实验平台，我们构建了一系列的具有专业特色的开放实验。开放实验课题，由指导教师结合科研工作，设计具有一定实用性、前沿性和探索性的集成创新实验课题，学生自由选择，作为课程实验的有益补充与扩展，形成课内课外的综合实验体系。

实验过程中我们开展任务驱动式实验教学，提出明确而适度的任务，激发学生学习兴趣；同时，注意难度与工作量适度，根据每个学生的不同能力差异设置不同的任务，防止因任务难度过大学生无法达成任务而造成积极性受挫、放弃任务的局面。另一方面，合理分解任务，提倡学生间的协作学习，通过小组讨论、协商，在有限的时间内以互相学习的方法进一步深化对开放实验课题的认识，同时培养学生的协作精神。

三、结论

实践证明，微机原理实验教学改革以及专业集成创新平台的建设，大大改善了教学效果，极大地激发了学生的学习热情，并使学生系统地接受科学思维方法、科学发现模式的教育和培训，提升了学生的创新实践能力，满足了行业发展对应用型人才的需求。

参考文献：

[1]艾信友，代冀阳，赵德，等.生物医学工程专业实践性教学的创新性研究[j].科技资讯，2007，（15）：247～248.

[2]王俊，马千里，董育宁.生物医学工程专业医学信号处理课程实践[j].中国科教创新导刊，2008，（34）：98～98.

[3]胡晓飞，曹正林，王俊.信息时代《生物医学传感器》课程教改探索[j].湖州职业技术学院学报，2011，（1）：18-21.

科学实验和原理篇9

【关键词】高中生 实验教学 引导探究

【中图分类号】g633.91 【文献标识码】a 【文章编号】2095-3089（2012）12-0195-01

生物学是一门实验性学科，它比其它学科更易触及学生的科学思维及探究能力。生物实验中解决问题的基本技能、基本方法和基础理论直接或间接源于教材，通过生物实验，既能培养学生解决问题的能力、方法和思维，还能让学生在问题解决过程中主动获取知识。对学生而言，实验过程中问题的解决不仅是一个知识输出的再现过程，更是一个知识信息重组和整合的获得性过程。根据新大纲规定的能力目标和态度观念目标，生物新教材教学内容中增加了实验的数量和类型。通过这些活动，期望学生能参与完整的探究过程，形成基本科学探究能力。我们在生物实验中如何引导学生在科学探究方面不断实践和思考，开发科学探究实验项目，适应学生的心理需要有效地刺激学生的学习动机，激发学习兴趣，让学生自主地参与观察生命现象，探索生命本质，从而获得生物学知识，培养学生对生命科学的探究能力和对生物世界的积极探究态度。

一、从实验原理出发，引导自主探究

“细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验原理是：一个成熟的植物细胞，放在一定浓度的溶液中，就可构成一个渗透系统，从而可以发生渗透现象。通过对实验原理的分析，我们从渗透系统建立的条件上思考，设计实验，自主探究。

对外界溶液的改变：要求学生利用此实验原理，对现有的3种不同浓度的溶液进行排序。学生使用的方法是多种多样的：有每种溶液各制一张装片，比较细胞的质壁分离的数量与程度的；有通过引流方法，观察细胞有无质壁分离或质壁分离复原现象的；我们从中可以看出学生主动研究的精神。课堂小结时请学生分析自己实验成功与失败的原因。

对内部溶液的改变：要求学生测定某植物细胞的细胞液浓度。这一问题提出后，学生设计的方法必然涉及利用已知浓度的外界溶液，通过观察植物细胞的质壁分离的程序来估测细胞液的浓度。在实践过程中，学生提出了两种外界溶液的配制方法，即配制具有一定浓度梯度的溶液或先配制一个较高浓度的溶液和较低浓度的溶液，观察细胞质壁分离的情况，然后用取中值的方法逐步测定细胞液浓度。虽然，实验中某些步骤不断重复，可以说有点“枯燥”，并且最后得到的结果又是一个近似值，但学生从中体会到实验设计的严密性以及科学研究需要的耐心。

生物实验原理是生物学知识高度的概括和应用，是实验设计的核心。我们可以引导学生从教材知识点和实验原理出发，大胆猜想，多观察、多参与、多动手，鼓励学生从课堂探究延续到课外课题研究，通过理论联系实际，深化课本知识的理解；学生通过自主实验探究不仅学习更加主动，而且获得了科学探究的方法，体验实验成功的乐趣，更深入的认识科学的本质特点，加深对生物学知识的理解，培养了学生科学探究的能力。

二、从实验困难出发，引导解决探究

三、从实验过程出发，引导改进探究

现行高中生物新教材内容及编排上作了较大调整，尤其增加了多个实验。这些实验方案是否都合理，我们可以引导学生从实验过程（步骤）出发，通过头脑风暴法，拉网式改进实验过程。如实验中材料的选取关系到实验成败，对于实验材料的挑选我们可设计成实验探究活动，还可从观察时间及材料处理和材料观察部位的选择方面探究；并鼓励学生在实验过程中使用不同方法，通过对比实验来研究哪种方法能达到最佳的实验效果。

“叶绿体中色素的提取和分离”实验改进尝试：

以上改进后的实验优点显而易见，既减少了有毒物质对学生的毒害，保护了师生身心健康，也缩短了实验时间（省去用铅笔画线和吹干滤液线的过程，收取色素液用纱布挤捏，易收集到滤液，时间又快），并且实验取材方便，而色素带齐全清晰明显，极大提高了学生的实验兴趣。在实验改进中探究，学生探究目标明确，学生积极性与主动性得到充分体现，相互之间主动交流实验的结果与体会。同时，教师根据学生的实验对比结果，对实验的方法进行了一定的改进，学生的研究直接参与教学的研究，这对参与实验的学生是一种激励，反过来可以成为他们进一步学习的动力。

四、从实验结果出发，引导深化探究

综上案例分析，生物实验中引导学生科学探究是在学生熟悉生物实验的基础上，在理解实验原理的前提下，遵循基本的实验操作程序，通过生物实验的改进和深化，组织学生课内外探究学习；引导学生探究辅导中可以为学生提供多种可供选择的方案，也可以让学生自己提出探究的课题，自己设计和进行实验寻找答案，寻求最佳的实验方法，或证明某些观点或探求某些结论。

实践表明，学生探究精神的培养是引导学生科学探究的前提和基础。因此，生物课堂教学中要求教师和学生把学科课程研究化，即用质疑和研究的习惯对原有的学科课程中的内容进行恰当的处理，变被动接受式学习为主动探究式学习，创设有效的探究活动载体，训练学生的创新思维，培养学生自主探究的学习习惯和解决问题的能力。这也是青少年科技教育的根本点和出发点。

参考文献：

科学实验和原理篇10

一、理论物理学的重要方法

探索性的演绎法是理论物理学的重要方法。在爱因斯坦看来，理论物理学的完整体系是由概念，被认为对这些概念是有效的基本原理(亦称基本假设、基本公设、基本定律等)，以及用逻辑推理得到的结论这三者所构成的。因此，理论物理学家所运用的方法，就在于应用那些作为基础的基本原理，从而导出结论;于是，他的工作可分为两部分：他首先必须发现原理，然后从这些原理推导出结论。对于其中第二步工作，他在学生时代已得到很好的训练和准备。因此，如果在某一领域中或者某一组相互联系的现象中，他的第一个问题已经得到解决，他就一定能够成功。可是第一步工作，即建立一些可用来作为演绎的出发点的原理，却具有完全不同的性质。这里并没有可以学习的和可以系统地用来达到的的方法。科学家必须在庞杂的经验事实中间抓住某些可精密公式来表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。

爱因斯坦指出，一旦找到了作为逻辑推理前提的基本理，那么通过逻辑演绎，推理就一个接着一个地涌现出来它们往往显示出一些预料不到的关系，远远超出这些原理依据的实在的范围。但是，只要这些用来作为演绎出发点原理尚未得出，个别经验事实对理论家是毫无用处的。实际上，单靠一些从经验中抽象出来的孤立的普遍定律，他甚至么也做不出来。在他没有揭示出那些能作为演绎推理基础原理之前，他在经验研究的个别结果面前总是无能为力。

爱因斯坦把物理学理论分为两种不同的类型，其中之一是“原理理论”。建立这种理论使用的是分析方法，而不综合方法。形成它们的基础和出发点的元素，不是用假设造出来的，而是在经验中发现到的，它们是自然过程的普遍特征，即原理。这些原理给出了各个过程或者它们的理论表述所必须满足的数学形式的判据。热力学就是这样力图用分析的方法，从永动机不可能这一普遍经验得到的事实出发，推导出一些为各个事件都必须满足的必然条件。用探索的演绎法建立起来的相对论，就属于“原理理论”。但是物理学理论大多数是构造性的。它们企图从比较简单的式体系出发，并以此为材料，对比较复杂的现象构造出一幅图像。气体分子运动论就是这样力图把机械的、热的和扩散的过程都归结为分子运动——即用分子假设来构造这些过程。当我们说，我们已经成功地了解一群自然过程，我们的思想必然是指，概括这些过程的构造性的理论已经建立起来了。爱因斯坦认为，构造性理论的优点是完备，有适应性和明确，原理理论的优点则是逻辑上完整和基础巩固。([1]，pp．109～110)

相对论就是爱因斯坦自觉地运用探索性演绎法的杰作。它不仅以其革命性的新观念和卓有成效的理论结果为人津津乐道，而且它所体现出的科学方法的新颖、精湛以及理论的逻辑结构的严谨，也令人叹为观止。爱因斯坦在创立狭义相对论(1905)时，他依据的仅仅是光行差现象和斐索实验这两个并不充分的实验材料，著名的二阶以太漂移实验即迈克耳孙-莫雷实验，对他并没有直接影响。他主要通过对16岁时想到的“追光”思想实验的沉思，对经典力学和经典电动力学基础的深入考察，发挥了思维的自由创造，提出了两个基本假设——相对性原理和光速不变原理(美国著名科学史家霍耳顿认为，在狭义相对论中，除了被提高为公设的两个基本原理外，爱因斯坦还作了另外四个假定：一是关于空间的各向同性和均匀性，另外三个是定义钟的同步的三个逻辑性质

。霍耳顿的学生米勒后来指出，另外的四个假定也是两个基本原理的必然结果，他们不是独立的假设。参见文献[3]，p．196)。然后，他以此为逻辑前提，接二连三地推导出了关于运动学和电动力学的结论，著名的质能关系式是他先前根本没有料想到的，这些结论大大超出了两个原理所依据的实在的范围。广义相对论(1915)的建立也是这样。作为广义相对论的两个基本原理，即广义相对性原理和等效原理，前者是爱因斯坦基于把相对性原理贯彻到底的信念（从惯性系推广到加速系)提出的，后者是依据厄缶实验(惯性质量等于引力质量)和升降机思想实验提出的。

在1905年，由于爱因斯坦采用了探索性的演绎法，从而使他能够高屋建瓴、势如破竹，一举砍断了哥尔提阿斯死结(哥尔提阿斯是古代夫利基阿国王，相传他曾把自己的车乘的辕与轭用绳结系住，死得无法解开，声言能解开此死结者，得以结治亚细亚。这个死结后来被亚历山大大帝用剑砍断)，开拓了一个奇妙的新世界。那些恼人的以太漂移实验，那些使人迷惑不解的单极电机电动势的“位置”问题，在爱因斯坦的理论体系中已根本不成其为问题。但是，同时代的博大精深的科学大师，诸如洛伦兹、彭加勒，却热衷于同迈克耳孙-莫雷实验等以太漂移实验打交道，迷恋于做出种种构造性假设，建立他们的构造性理论——电子论和电子动力学。例如，洛伦兹1904年的著名论文尽管声称是以“基本假设”而不是以“特殊假设”为基础的论文，但事实上却包含有11个假设：假设有静止以太，假设静止电子是球形的，假设电子的电荷分布是均匀的，假设电子的全部质量都是电磁质量，假设运动电子收缩，假设电子之间的作用力与分子力相同等等。洛伦兹和彭加勒虽说走到了狭义相对论的大门口，但他们并没有打开这扇大门，其原因固然是多方面的。从方法论上讲，就在于他们运用的是传统的经验归纳法，而没有采用探索性的演绎法。在当时的科学发展的形势下，仅靠个别的经验事实进行归纳，是建立不起什么崭新的理论的。洛伦兹、彭加勒的电子论和电子动力学固然富丽堂皇，但毕竟只是经典物理学的最后的建筑物。它们虽然包罗万象，可是由于不适应科学发展的总趋势，最终还是被人们遗忘了，仅有历史的价值。

二、采用探索性的演绎法是科学发展的必然趋势

从文艺复兴到19世纪的经典科学，一般称为近代科学。在科学史上，这个漫长的时期主要是积累材料和归纳材料的时期。与这一科学发展状况相适应，产生了经典的科学哲学，它始于弗兰西斯•培根的归纳主义。培根认为，科学的发展是从个别上升到一般，从经验归纳出理论。他比喻说，只要及时采摘成熟的葡萄，科学的酒浆就会源源不断。到19世纪，整个科学一般说来还没有摆脱这种“原始”状态，因而经典科学哲学能够得以通过穆勒之手发展成为更完备的经验论形态，经验归纳法依然是正统的科学方法。

在物理学领域，这个时期的最大成就是牛顿力学和麦克斯韦的电动力学。牛顿力学虽则是超越了狭隘经验论的人类理智的伟大成就，但它又同人们的日常经验密切相关。力学中的许多概念都比较直观，可以直接在现实生活中找到某种原型。这种状况掩盖了基本概念和基本原理的思辨性质，甚至牛顿本人也深深陷入这一幻觉之中。他一再声称他“不作假设”，实际上却作了许多假设，他要求人们“必须把那些从各种现象中运用一般归纳法导出的命题看作是完全正确的”。19世纪的经典物理学也具有现象论和经验论的特征：它尽量使用那些接近经验的概念，因而在很大程度上必须放弃基础的统一性。热、电、光都用那些不同于力学量的各个状态的变数和物质常数来描述，至于要在它们的相互关系以及同时间的相互关系中去决定全部变数的任务，主要只能由经验来解决。麦克斯韦及其同代人，在这种表示方式中看到了物理学

的终极目的，他们想像这个目的只能纯粹归纳地从经验得出，因为这样所使用的概念同经验比较接近。从认识论上看，穆勒和马赫大概就是根据这个理由来决定他们的立场的。总而言之，这个时期的科学家和科学哲学家大都以为，“理论应当用纯粹归纳法的方法来建立，而避免自由地创造性地创造概念;科学的状况愈原始，研究者要保留这种幻想就愈容易，因为他似乎是个经验论者。直至19世纪，许多人还相信牛顿的原则——“我不作假设''''——应当是任何健全的自然科学的基础。”([1]，p．309)

但是，在某些个别的科学部门，已经悄悄地透进了新时代的曙光;尤其是非欧几何学，它仿佛故意向经验论示威一样，以毋庸置辩的方式显示了理性思维的强大威力和奇妙作用。彭加勒正是在《科学与假设》中通过对非欧几何学的深入研究以及对经典力学和经典物理学的慎密考察揭示出，科学的基本概念和原理不是经验的直接归纳，而只能以经验事实为指导，通过精神的自由活动(其产品即约定)来创造。通过研读彭加勒的科学哲学著作，尤其是通过创立狭义和广义相对论的科学实践，使爱因斯坦清楚地看到，人们可以在完全不同于牛顿的基础上，以更加令人满意和更加完备的方式，来考虑范围更广泛的经验事实。但是，完全撇开这种理论还是那种理论优越的问题不谈，基本原理的虚构特征却是完全明显的，因为我们能够指出两条根本不同的原理，而两者在很大程度上都同经验相符合。这—点同时又证明，要在逻辑上从经验推出力学的基本概念和基本假设的任何企图，都是要失败的。爱因斯坦还清楚地看到，相对论是说明理论科学在现展的基本特征的一个良好的例子。初始假设变得愈来愈抽象，离经验愈来愈远。另一方面，它更接近一切科学的伟大目标，即要从尽可能少的假设或者公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的事实。同时，从公理引向经验事实或者可证实的结论的思路也就愈来愈长，愈来愈微妙。理论科学家在他探索理论时，就不得不愈来愈听从纯粹数学的、形式的考虑，因为实验家的物理经验不能把他提高到最抽象的领域中去。正是科学发展的这种理论化趋势，使爱因斯坦认识到：“科学一旦从它的原始阶段脱胎出来以后，仅仅靠着排列的过程已不能使理论获得进展。由经验材料作为引导。研究者宁愿提出一种思想体系，它——般地是在逻辑上从少数几个所谓公理的基本假定建立起来的。”（[1]，p.115），他进而指出：“适用于科学幼年时代的以归纳为主的方法，正在让位给探索性的演绎法。”([1]，p.262)

三、爱因斯坦大胆运用探索性的演绎法的直接动因

只是在广义相对论建立之后，爱因斯坦才把探索性的演绎法作为一个方法论原则从理论上加以论述。可是，早在创立狭义相对论时，他就在研究中大胆运用这一科学方法了，并在思想上对它已有比较深刻的认识。促使爱因斯坦大胆运用探索性的演绎法的直接原因有两个：其一是赫兹、玻耳兹曼、彭加勒等人的思想影响，其二是当时的物理学现状使得他不能不那样做。

在联邦工业大学期间(1896~1900)，爱因斯坦自学了赫兹、玻耳兹曼等科学大师们的著作。赫兹在他的名著《力学原理》(1894)中试图重构力学，为此他仅利用空间、时间和质量三个原始概念。赫兹的力学体系建立在通过科学家个人的“内在直觉规律”从经验引出的公理之上，它能够导出经验预言。赫兹认为“内在直觉规律”的功能像“康德意义上的先验判断”一样，并且声称他的力学重构是演绎系统，与牛顿的《原理》(全称《自然哲学的数学原理》)有许多相同的风格。在这个公理体系中，我们可以推演出与我们的观察记录相对照的可检验的结论，依据该结论与可观察的世界一致还是不一致，来决定这个体系是否正确。尽管爱因斯坦不赞同赫兹的隐质量概念和“把自然现象追溯到力学的主要定律”

的长远目标，但是赫兹强调公理描述的威力却给他留下了深刻的印象。这种公理描述与其说在经验材料上预言理论结构，倒不如说在公理和直觉上预言理论结构。

爱因斯坦也自学了玻耳兹曼的《力学讲义》(1897)。在该书中，玻耳兹曼把力学作为物理学的核心，爱因斯坦当然不会同意这种看法的。但是，玻耳兹曼重构力学的方法的下述特点，一定会强烈地震撼爱因斯坦敏感的心弦：“恰恰是力学原理的不明晰性，在我看来不是同时以假设的智力图像为起点而得到的，而是从一开始就以与外部经验相联系的尝试而得到的。”([2]，p．127)玻耳兹曼的意思很清楚：力学原理的不明晰，在于经验归纳，而不在于智力图像。玻耳兹曼的“智力图像”概念比赫兹的“外部对象的图像或符号”更自由，爱因斯坦可能山此注意到，力学的发展已使原理凌驾于经验材料之上。

彭加勒在《科学与假设》(1902)中对约定主义的论述，对爱因斯坦的探索性的演绎法的形成必定大有裨益，爱因斯坦在“奥林比亚科学院”时期(1902~1904)曾和他的同伴索洛文、哈比希特一起研读过这本脍炙人口的畅销名著。彭加勒通过对数理科学的基础进行了敏锐的、批判性的审查和分析后得出：几何学的公理既非先验综合判断，亦非经验事实，它们原来都是约定。物理学尽管比较直接地以经验为基础，但它的一些基本原理也具有几何学公理那样的约定特征。例如惯性原理，它不是先验地支配我们的真理，否则希腊学者早就知道它了，它也不是经验的事实，因为人们从来也不能用不受外力的物体做实验，因而无法用实验证实或否证它。经过最终分析，它们化归为约定或隐蔽的定义。因此，彭加勒得出结论说：在数学及其相关的学科中，“可以看出自由约定的特征”;他进而指出：“约定是我们的精神的自由活动的产品”，“我们在所有可能的约定中进行选择时，要受实验事实的引导;但它仍是自由的，只是为了避免一切矛盾起见，才有所限制。”

彭加勒在考察了物理学的理论后认为，物理学有两类陈述——原理和定律。定律是实验的概括，它们相对于孤立的系统而言可以近似地被证实，原理是约定而成的公设，它们是十分普遍的、严格真实的，超越了实验所及的范围。彭加勒还阐述了约定主义的方法论意义。他说，当一个定律被认为由实验充分证实时，我们可以采取两种态度。我们可以把这个定律提交讨论，于是，它依然要受到持续不断的修正，毋庸置疑，这将仅仅以证明它是近似的而终结。或者，我们也可以通过选择这样一个约定使命题为真，从而把定律提升为原理。在彭加勒看来，经典力学和经典物理学的六大基本原理(迈尔原理即能量守恒原理、卡诺原理即能量退降原理、牛顿原理即作用与反作用原理、相对性原理、拉瓦锡原理即质量守恒原理、最小作用原理)就是这样形成的。

彭加勒提出约定主义并不是无缘无故的。在近代科学发展的早期，弗兰西斯•培根提出了经验归纳的新方法，这种方法对促进近代科学的发展起了巨大的作用，但后来却助长了狭隘经验事义的盛行。到19世纪，以惠威尔、穆勒为代表的“全归纳派”和以孔德、斯宾塞为代表的实证主义广为流行，把经验和归纳视为唯一可能的认识方法。到19世纪末，第二代的实证主义的代表人物马赫更是扬言要把一切“形而上学的东西”从科学中“排除掉”。另一方面，康德不满意经验论的归纳主义的阶梯，他把梯子颠倒过来，不是从经验上升到理论，而是以先天的“感性直观的纯形式”(时间和空间)和先天的“知性的纯粹概念或纯粹范畴(因果关系、必然性、可能性等十二个范畴)去组织后天经验，以构成绝对可靠的“先验综合知识”。彭加勒看到，无论是经验论还是先验论，都不能圆满地说明科学理论体系的特征。为了强调在从事实过渡到原理时，科学家应充分有发挥能动性的自由，他于是提出了约定主义。约定主义既要求摆脱狭隘的经验论，又要求摆脱经验论，它顺应了科学发展的潮流，反映了当时科学界自由创造、大胆假设的要求，在科学和哲学上都有其积极意义。

《科学与假设》一书对爱因斯坦的印象极深，他和同伴们花了好几个星期紧张地读完了它。爱因斯坦坦率地承认彭加勒对他的直接影响。他赞同“敏锐的深刻的思想家”彭加勒的约定主义观点，认为概念和公理是思维的自由创造，是理智的自由发明。他这样说过：“一切概念，甚至那些最接近经验韵概念，从逻辑观点看来，……都是一些自由选择的约定，……([1]，p．6)

一开始，爱因斯坦也对洛伦兹的电子论（是1895年的论文，而不是1904年的电子论的最终形式）发生过兴趣，这是一种构造性的理论。可是不久，他从普朗克的量子论中看到，辐射具有一种分子结构。这是同麦克斯韦理论相矛盾的，而且麦克斯韦理论也不能导致出正确的辐射压涨落。爱因斯坦在“自述”中谈到了他当时的转变：“早在1900年以后不久，即在普朗克的首创性工作以后不久，这类思考已使我清楚地看到：不论是力学还是热力学(除非在极限情况下)都不能要求严格有效。渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力得愈久，就愈加绝望，也就愈加确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能使我们得到可靠的结果。”([1]，p．23)从此时起，爱因斯坦就断然决定用探索性的演绎法来解决问题。

四、爱因斯坦的探索性的演绎法的特色

作为科学推理的演绎法，可以说是源远流长了。早在古希腊时代，著名的哲学家、形式逻辑的创始人亚里士多德就提出了归纳和演绎这两种逻辑方法，并认为演绎推理的价值高于归纳推理。而古希腊名声最大的数学家欧几里得，在《几何原本》中把几何学系统化了，这部流传千古的名著就是逻辑演绎法的典范。牛顿在建立他的力学理论体系时虽然运用了归纳法，但其集大成著作《原理》的叙述方法却采用的是演绎法。爱因斯坦的探索性的演绎法绝不是这种古老的演绎法的简单照搬。他根据自己的科学研究实践，顺应当时理论科学发展的潮流，对演绎法作了重大发展，赋予了新的内容。也许是为了强调他的演绎法与传统的演绎法的不同，他在“演绎法”前面加上了限制性的定语——“探索性的”，这个定语也恰当地表明了他的演绎法的主要特征。与传统的演绎法相比，爱因斯坦的探索性的演绎法是颇有特色的。这主要表现在以下三个方面。

第一，明确地阐述了科学理论体系的结构，恰当地指明了思维同经验的联系问题，充分肯定了约定在建造理论体系时的重要作用。爱因斯坦把科学理论体系分为两大部分，其一是作为理论的基础的基本概念和基本原理，其二是由此推导出的具体结论。在爱因斯坦看来，那些不能在逻辑上进一步简化的基本概念和基本假设，是理论体系的根本部分，是整个理论体系的公理基础或逻辑前提。它们实际上“都是一些自由选择的约定”;它们“不能从经验中抽取出米，而必须自由地发明出来”([1]，pp．6，315)。谈到思维同经验的联系问题时，爱因斯坦说：直接经验ε是已知的，a是假设或公理，由它们可以通过逻辑道路推导出各个个别的结论s;s然后可以同ε联系起来(用实验验明)。从心理状态方面来说，a是以ε为基础的。但是在a和ε之间不存在任何必然的逻辑联系，而只有通过非逻辑的方法——“思维的自由创造”(或约定)——才能找到理论体系的基础a。爱因斯坦明确指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想的逻辑体系。它的基础可以说是不能用归纳法从经验中提取出来的。而只能靠自由发明来得到。这种体系的根据(真理内容)在于导出的命题可由感觉经验来证实，而感觉经验对这基础的关系，只能直觉地去领悟。进化是循着不断增加逻辑基础简单性的方向前进的。为了要

进一步接近这个目标，我们必须听从这样的事实：逻辑基础愈来愈远离经验事实，而且我们从根本基础通向那些同感觉经验相联系的导出命题的思想路线，也不断地变得愈来愈艰难、愈来愈漫长了。”([1]，p．372)

第二，大胆地提出了“概念是思维的自由创造”、“范畴是自由的约定”([1]，pp．407，471)的命题，详细地阐述了从感觉经验到基本概念和基本原理的非逻辑途径。爱因斯坦指出，象马赫和奥斯特瓦尔德这样的具有勇敢精神和敏锐本能的学者，也因为哲学上的偏见而妨碍他们对事实做出正确的解释(指他们反对原子论)。这种偏见——至今还没有灭绝——就在于相信毋须自由的构造概念，事实本身能够而且应该为我们提供科学知识。这种误解之所以可能，是因为人们不容易认识到，经过验证和长期使用而显得似乎同经验材料直接相联系的那些概念，其实都是自由选择出来的。爱因斯坦认为，物理学家的最高使命就是要得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，并没有逻辑的道路，只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”([1]，p，102)

为了从经验材料中得到基本原理。除了通过“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”外，爱因斯坦还指出可以通过“假设”、“猜测”、“大胆思辨”、“创造性的想像”、“灵感”、“幻想”、“思维的自由创造”、“理智的自由发明”、“自由选择的约定”等等。不管方法如何变化，它们都有—个共同点，即基本概念和基本原理只能通过非逻辑的途径自由创造出来。这样一来，基本概念和基本原理对于感觉经验而言在逻辑上是独立的。爱因斯坦认为二者的关系并不像肉汤同肉的关系，而倒有点像衣帽间牌子上的号码同大衣的关系。也正由于如此，从感觉经验得到基本概念和原理就是一项十分艰巨的工作，这也是探索性的演绎法的关键一步。因此，爱因斯坦要求人们“对于承担这种劳动的理论家，不应当吹毛求疵地说他是‘异想天开'''';相反，应当允许他有权去自由发挥他的幻想，因为除此以外就没有别的道路可以达到目的。他的幻想并不是无聊的白日做梦，而是为求得逻辑上最简单的可能性及其结论的探索。”([1]，pp.262~263)

关于爱因斯坦所说的“概念是思维的自由创造”和“范畴是自由的约定”，其中的“自由”并非任意之谓，即不是随心所欲的杜撰.爱因斯坦认为，基本概念和基本原理的选择自由是一种特殊的自由。它完全不同作家写小说时的自由，它倒多少有点像一个人在猜一个设计得很巧妙的字谜时的那种自由。他固然可以猜想以无论什么字作为谜底，但是只有一个字才真正完全解决了这个字谜。显然，爱因斯坦所谓的“自由”，主要是指建立基本概念和基本原理时思维方式的自由、它们的表达方式的自由以及概括程度高低的自由，—般说来，它们包含的客观实在的内容则不能是任意的。这就是作为反映客观实在的人类理智结晶的科学之客观性和主观性的统一。诚如爱因斯坦所说：“科学作为一种现存的和完成的东西，是人们所知道的最客观的，同人无关的东西。但是，科学作为一种尚在制定中的东西，作为一种被迫求的目的，却同人类其他一切事业一样，是主观的，受心理状态制约的。”([1]，p．298)

第三，明确地把“内在的完备”作为评判理论体系的合法性和正确性的标准之一。在爱因斯坦看来，探索性的演绎法就是在实验事实的引导下，通过思维的自由创造，发明出公理基础，然后以此为出发点，通过逻辑演绎导出各个具体结论，从而构成完整的理论体系。但是，评判这个理论体系的合法性和正确性的标准是什么呢?爱因斯坦晚年在“自述”中对这个问题作了纲领性的回答([1]，pp．10～11)。他认为，第一个标准是“外部的证实”，也就是说，理论不应当同经验事实相矛盾。这个要求初看起来似乎十分明显，但应用起来却非常伤脑筋。因为人们常常，甚至总是可以用人为的补充假设来使理论同事实相适应，从而坚持一种普遍的理论基础。但是，无论如何，这种观点所涉及的是用现成的经验事实采证实理论基础。这个标准是众所周知的，也是经常运用的。有趣的是爱因斯坦提出的第二个标准——“内在的完备”。它涉及的不是理论同观察材料的关系问题，而是关于理论本身的前提，关于人们可以简单地、但比较含糊地称之为前提(基本概念和基本原理)的“自然性”或者“逻辑简单性”。也就是说，这些不能在逻辑上进一步简化的元素要尽可能简单，并且在数目上尽可能少，同时不至于放弃对任何经验内容的适当表示。这个观点从来都在选择和评价各种理论时起着重大的作用，但是确切地把它表达出来却有很大困难。这里的问题不单是一种列举逻辑上独立的前提问题(如果这种列举是毫不含糊地可能的话)，而是一种在不可通约的质之间作相互权衡的问题。其次，在几种基础同样“简单”的理论中，那种对理论体系的可能性质限制最严格的理论(即含有最确定论点的理论)被认为是比较优越的。理论的“内在的完备”还表现在：从逻辑的观点来看，如果一种理论并不是从那些等价的和以类似方式构造起来的理论中任意选出的，那么我们就给予这种理论以较高的评价。

爱因斯坦看到了“内在的完备”这一标准不容忽视、不可替代的特殊作用。他指出，当基本概念和基本原理距离直接可观察的东西愈来愈远，以致用事实来验证理论的含义就变得愈来愈困难和更费时日的时候，“内在的完备”标准对于理论的选择和评价就一定会起更大的作用。他还指出，只要数学上暂时还存在着难以克服的困难，而不能确立这个理论的经验内涵：逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的唯一准则，即使是一个当然还不充分的准则([1]，pp.12、501)。爱因斯坦的“内在完备”标准在某种程度上是不可言传的，但是它在像爱因斯坦这样的具有“以对经验的共鸣的理解为依据的直觉”的人的手中，却能够有效地加以运用，而且预言家们在判断理论的内在完备时，它们之间的意见往往是一致的。

在爱因斯坦创立狭义相对论和广义相对论的过程中，充分地体现了探索性的演绎法的这三个特色。前面我们已简单地涉及到这一点，这里我们只谈谈爱因斯坦从“内在的完备”这一标准的角度是如何对自己理论进行评价的。1906年，当德国实验物理学家宣称，他在1905年完成的关于高速电子(β射线)质量和速度关系的数据支持亚伯拉罕和布赫尔的“刚性球”电子论，而同洛伦兹-爱因斯坦的理论(电子在运动方向的直径会随速度的增加而收缩)不相容，彭加勒立即发生了动摇，认为相对性原理不再具有我们先前赋予它的那种重要的价值。洛伦兹表现得更是十分悲观，他在1906年3月8日致彭加勒的信中说：“不幸的是，我的电子扁缩假设同考夫曼的新结果发生了矛盾，因此我必须放弃它，我已到了山穷水尽的地步。在我看来，似乎不可能建立起一种要求平移对电学和光学现象完全不产生影响的理论。”([2]，p．334)爱因斯坦的态度则截然相反，他对自己的理论的“内在的完备”抱有信心。他在1907年发表的长篇论文中指出：考大曼的实验结果同狭义相对论的“这种系统的偏离，究竟是由于没有考虑到的误差，还是由于相对论的基础不符合事实，这个问题只有在有了多方面的观测资料以后，才能足够可靠地解决。”他认为“刚性球”电子论在“颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符，因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的。”正由于狭义相对论的理论前提的简单性大，它涉及的事物的种类多，它的应用范围广，它给人的印象深，所以爱因斯坦才对自己的理论坚信不疑，要知道当时还没有确凿的实验事实证实这种具有思辨性的理论。谈到广义相对论的“内在的完备”，爱因斯坦说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完整性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃，要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的。”([1]，p．113)他甚至说过这样的话：当1919年的日蚀观测证明了他关于光线弯曲的推论时，他一点也不惊奇。要是这件事没有发生，他倒会是非常惊讶的。

探索性的演绎法是爱因斯坦的主导哲学思想——唯物论的唯理论——的一个重要组成部分。可贵的是，爱因斯坦在这里并没有排斥或漠视经验归纳法在科学中的地位。一方面，他认为纯粹思维可以把握实在;另一方面，又认为从来也没有一种理论是靠纯粹思辨发现的，他对构造性的理论也给予了较高的评价。爱因斯坦敢于正视矛盾的两极，在唯理论和经验论之间保持了一种微妙的、恰如其分的平衡，这正是他的高明之处。他提出的探索性的演绎法，只是强调“要大胆思辨，不要经验堆积”罢了，这是理论科学在20世纪发展的必然趋势，爱因斯坦则是率先表达了这一时代要求。

参考文献

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