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科学研究的“实验设计七要素”


参与和进行科学研究,是训练青少年思维能力动手解决问题能力的重要过程,也是提高青少年理解自己观察到的科学现象和认识自然规律的重要训练。然而,任何一项研究(包括自然科学和社会科学研究)都需要按照科学、规范和有效的程序来进行,这样才能够达到锻炼大脑思维训练动手能力获得有意义成果的目的。

在科学研究的程序中,科学假说的验证是研究的核心,而验证假说的实验设计是一个非常重要的环节,也是科学实验能否获得成功的基本保证。也即是说,进行任何科学实验之前,都应该有一个经过认真思考、充分演绎、精心设计而形成的,可行性和有效性都很高的实验设计“蓝图”。

在进行一个完整的科学实验设计之前,我们应该回答这样的问题:我们为什么要开展这项实验(目的)?我们将如何进行这项实验(方法)?通过这项实验得到的结果有什么价值(意义)?因此,实验设计涵盖了相关的科学问题以及导致该科学问题的原因,并以此将其凝练为具体的科学假设,最后形成针对该项研究的明确的实验设计。

 

通常,科学实验设计包含了以下7个关键要素

 

1.确立研究的题目(标题)

2.介绍研究的背景及目的(前言)

3.描述主要的研究内容

4.形成各项研究内容的实施方案与技术路线

5.安排实验的进度及时间节点

6.列出预期的研究成果

7.计划大致的开支和投入(经费预算)


01

确立研究的题目


研究的题目非常重要,反映了我们科学研究的核心预期的发现,需要认真凝练一个好的研究题目。好的题目别人看了以后就知道我们将进行什么研究,将预期有什么样的结果。因此,我们在进行实验研究之前应该经过认真思索、推敲和凝练,形成一个好的研究的题目。另外,研究题目在实验完成并获得有意义的结果后,稍加修改和完善就可以成为未来的研究报告或研究论文的题目。

题目既要反映研究的核心和预期的发现,并且还能够抓住评审者的眼球。让他们一看题目,就能够理解我们研究的内容和要解决的核心问题。因此,好的题目一般要包含三个要素,即包含:我们的预期发现是什么,我们的研究材料和研究方法是什么。同时,为了使我们的研究题目有力和有趣,我们的题目还应该:清楚、完整、简洁

 

02

介绍研究的背景及目的


科学实验设计必须解答的一个重要问题就是:我们为什么要开展这项实验(目的)?我们不仅要说服自己还要说服别人。也即是:在介绍科学研究的背景和目的时,务必清楚的描述我们希望解决的关键科学问题以及该科学问题的重要意义。其中,科学问题的意义非常重要,无论是它的理论意义还是应用价值,都应该尽量陈述清楚,这是我们需要查看大量的资料和文献,以数据和已经发表的结果来支持我们将要开展的研究或实验室多么的重要。因此,这一部分要引用足够的参考文献

在介绍研究的背景时,我们应该清楚的指出在该领域中哪些问题已经解决,哪些问题急需我们去解决。也就是说,要通过资料查询指出该领域的未知部分,我们的研究就是要解决这些问题。最后,还应表明通过我们的这一项研究,希望达到什么样的研究目标

 

03

描述主要的研究内容


主要研究内容是一项研究或科学实验的核心部分,是希望通过实施相关研究内容来验证我们的科学假设,并以此回答提出的科学问题。这一部分应该包括:该项目研究将要开展的主要实验内容及其细节。在对实验研究的具体内容进行描述时,需要将每一项研究内容与对应的科学假设和研究目的进行对接和联系,并将所有研究内容按照其逻辑性一一列出来。

 

04

形成各项研究内容的实施方案与技术路线


技术路线是针对主要的研究内容来一一进行描述的,其目的是保障每一条研究内容都能够得到充分实施,也是实验如何进行的方案性框架和细节。同时,还要形成一个实验的技术路线,告诉自己,我们的实验将有哪些步骤,如何逐步推进我们的实验,怎样继续每一步的过程和逻辑关系。对于实施方案与技术路线,一定要提供详细的实验步骤和实验细节等相关信息。例如:实验材料的来源、实验地点、数据收集的方式以及分析方法等。

 

05

安排时间的进度及时间节点


实验的进度及时间节点的安排,是科学实验能够按时并顺利进行的保障。实验的具体时间安排及节点的设立,一般是与研究内容和技术路线相互对应的,这一部分最好体现出每一项研究内容在什么时间完成,以充分保障研究的进度。

 

06

列出预期的研究成果


预期的研究成果是对未来获得实验成果检验的重要指标,也是评判该实验是否有价值的重要部分。我们自己以及未来的评审专家,均会根据预期的研究成果来判断研究将有什么产出,是否有意义以及作为验收项目是否完成的重要依据。通常,我们建立的科学假设就是预期的研究结果。这一部分主要包括:将要获得的科学科研结果(应该逐一列出),预期完成的技术报告以及发表论文的数目等。

 

07

计划大致的开支和投入


没有经费的投入,我们很难开展科学实验,我们应该学会和把握开展一项实验大致需要的开支,估计该实验的实施所需要的费用支出。对于实施该实验所产生的资源和花费需要一一列出,并解释每一项花所对应的明细。

 

“工欲善其事,必先利其器。”我们在开展科学研究之前,只有做好了充分的准备,形成了完备的实验设计和计划,才会立于不败之地,取得有意义的研究结果。