第3篇-第3章观察方法和实验方法课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、观察方法的特点,1.,它是一种感性认识活动。（现象、外在属性、外部联系；内在本质、规律性）,2.,它具有目的性、计划性。（对象、目的、方式、途径、条件）,3.,观察与实验不同，观察所考察的研究对象处于自然状态，不施加人工干预。,4.,观察是一种多种感官同时参与的活动。,二、观察方法的基本类型,1.,根据观察的手段和方法不同，可划分为直接观察和间接观察。,（,1,）直接观察。即凭借人的感官直接感知研究对象，而不借助于仪器。,其优点是：,运用方便、最少干扰，比使用仪器更具有直接的现实性。,其缺点是：,对于高难度的研究对象，在一定条件下要受到感官能力的限制。,如对光线只能感知,波长,在,0.390.77,微米范围的电磁波，对,0.390.04,微米（紫外线）、,0.771000,微米（红外线）是感知不到的；,人的耳朵只能听到,频率,在,202,万赫兹范围内的声波，对次声波、超声波是听不到的；,人的感官对外界的刺激强度、变化频率以及量的精确度等方面的感受能力也是有限的。,三、观察方法在科研中的作用,1.,它是,收集科学事实，形成科学认识,的基础。,（奥地利耳科医生巴雷尼：眩晕、眼球急速转动、耳朵灌水三者之间有必然联系。,19101914,半规管的生理学与病理学,、,前庭装置的机能实验,，,1914,获诺贝尔生理学与医学奖）,2.,它是,检验假说和理论,的重要标准。,哥白尼“日心说”、牛顿万有引力定律（理论）之后，,1845,年法国勒维烈预言“天王星之外有一颗行星”（假设），,1846,年德国加勒发现海王星。,四、运用观察方法必须遵循的原则,1.,客观性原则,这一原则要求观察者必须客观的、实事求是地反映所观察到的事实，既不能随意增减观察到的事实，又不能臆造一些不存在的事实。,影响观察客观性的干扰因素大致有以下几个方面：,（,1,）事物的非本质现象混淆了事物的本质现象,发高烧的病人反而表现出寒战；,出血性休克的早期病人可能测得其血压略有升高；,美国天文学家西瓦尔曾通过,15,年,对火星的观察,，认为火星上有运河，有智力发达的生物。后来美国发射的火星探测器在火星表面上着陆，结果发现所谓的运河只不过是由山石的暗斑排列而成，根本没有什么生物体存在，西瓦尔只是把假象当作本质现象来观察。,2002,年美国的,“,奥德赛,”,号探测器绕火星飞行，近些年来,“,勇气,”,号和,“,机遇,”,号火星探测器在火星的表面着陆，都试图发现火星上是否有水和生命存在的迹象。,2008,年的,“,凤凰,”,号火星探测器发现：,在火星的永冻层下面的土壤内存在水冰,。目前美国科学家正企图利用这一发现，来探讨在火星的演化历史上这些水冰是否曾融化过并形成更适合生命存在的环境，但至今并未发现生命存在的痕迹。,（,2,）环境对观察的影响。,不同的观察环境会对观察结果产生一定的影响。,（,3,）观察者的角度不同，会产生不同的观察结果。（,宋代文人苏轼、医学影像光片）,（,4,）受观察者生理或心理因素的影响。,（,5,）观察渗透理论。,所谓观察渗透理论是指在观察中掺杂着理性因素的影响。也就是说在观察研究对象过程中观察者会受到原有理论、知识、经验的影响以及对所使用的仪器原理的认识程度的影响。,受观察渗透理论的影响，主要是指：,（,1,）受先入之见的影响。,所谓“先入之见”是指人们在从事观察活动之前就已在头脑中形成了关于对观察对象的某种认识或期望。,（,2,）受观察者原有理论、知识、经验的影响。,1830,年德国化学家维勒发现某矿石中含有一种呈红色的金属化合物，他认为是铬,Gr,。同年瑞典化学家塞夫斯脱隆发现它是钒,V,。,（,3,）观察仪器中蕴含着理性知识。,2.,全面性原则。,所谓全面性原则是指：在观察研究对象时，从空间上讲，要观察事物的各个方面、各个部分、各个层次；从时间上讲，要观察事物发展变化的各个阶段以及它的全过程；同时，要观察事物内部各要素之间以及该事物与外界其它事物的联系。,3.,典型性原则,所谓典型性是指在选择观察对象时要注意选择那些能够集中反映一类事物的共性，其自然现象表现的过程较纯粹、最少干扰、最易于观察的事物作为观察对象。（摩尔根、医学模拟实验）,4,.,同时在观察中还要注意细心原则。,第二节 科学实验方法,所谓实验方法是指人们根据课题确定的目的和需要，通过仪器和设备，人为地变革、控制或模拟研究对象，在有利的条件下，获取科学事实，探索研究对象的本质和规律的研究方法。,一、实验方法的特点和基本类型,（一）实验方法的特点,1.,实验方法源于观察，又高于观察。,2.,实验方法源于生产，但高于生产。,（目的不同：物资财富、探索认识；内容不同：重复体劳、创造脑劳）,（二）实验方法的基本类型,1.,定性实验。,这是确定研究对象是否具有某种属性；事物之间是否具有某种联系以及物质的定性组成的实验。（1706,出生于波士顿，美国独立战争的领袖，富兰克林的风筝实验、莱顿瓶）,2.,定量实验。,这是测定事物某些属性、某些因素的量的规定性或某些属性或因素之间的数量关系的实验。（焦耳测定热功当量的实验,J=423.9,千克米,/,千卡）,3.,结构分析实验。,即主要研究事物内部空间构成的实验。（沃森、克里克，凯库勒）,4.,析因实验。,即已知结果而去寻找产生这一结果的原因的实验。（英国医生詹纳接种牛痘预防天花的实验）,5.,探索性实验。,即富有冒险精神，勇于揭示自然界的奥秘的实验。例如：海洋探索、月球、火星等太空探索。,6.,对照实验也称比较实验。,这是通过设立,对照组和试验组，,确定两组事物之间的异同，以揭示研究对象具有某种属性或产生于某种原因的实验。,其中对照组是作为比较的标准，试验组是作为研究的对象。（新药物疗效、新农作物种子产量）,对照实验最基本的要求是：,对照组和实验组仅在需比较的单个因素方面有差异外，其余比较项目则应基本相同或相似，否则，就会失去意义。,7.,验证性实验。,这是为检验某个假说或某种新理论是否成立而设计的实验。,1865,麦、,1886,赫兹。,8.,模拟实验。,即通过设计与原型相似的模型，利用模型来间接研究原型，然后再将结果类推推到原型上去的实验。,模拟实验主要适用于那些规模庞大无法操作（飞机、船舶、三峡工程）或过程复杂、难以追踪（生命起源、天体的演化、生物遗传等）、或不便于直接作用于研究对象（医学上的人体实验等）的事物。,它与上述,7,种实验相比是一种间接实验。其最大的特点是：模型要与原型在结构功能上或数学形式上具有相似性。,根据原型与模型相似的关系，我们又可将模拟实验分为物理模拟和数学模拟。,（,1,）物理模拟，,是指模型与原型的物理过程相似，即结构或功能相似。飞机、船舶、设备模型实验。,（,2,）数学模拟,是指原型与模型在数学形式上相似。,例如：电流在电路中的传导与热传导规律在数学形,式上具有相似性。,电流传导关系式：,I=,V,热传导关系式：,Q=Cm,T,在这两个不同的物理变化过程中，公式中相对应的,每一个参数或变量的物理意义是彼此相似的。,I,电流强度（电流量）,Q,热量（热流量）,1/R,导电本领（电导）,Cm,某物吸热或放热的本领,V,表示电压，即电位差 ,T,表示温差,1,R,二、实验方法在科研中的作用,1.,纯化和简化自然现象。,（伽利略自落；吴健雄检验李政道、杨振宁“弱相互作用条件下宇称不守恒”的假说，钴,60,0.01K,，排除常温热干扰）,2.,强化或弱化自然现象。,（超固体；,Hg:0 K,；几十亿分子一个大气压超真空；几千亿电子伏特高能加速器）,3.,加速或延缓自然过程。,（催化剂；拟制剂；缓冲剂、冬眠灵）,4.,再现自然现象。,1952,米勒实验（,8,天发现了,5,种构成蛋白质的氨基酸）,三、实验方法的一般程序,（一）实验的构思与设计,1.,确定实验目的。,2.,确立实验原理。（汤姆逊发现电子后提出的,原子结构模型,葡萄干蛋糕模型、卢瑟福检验）,3.,选择实验对象。（,1908,美国生物学家,摩尔根,果蝇：,生命周期短,2,周、繁殖能力强、突变性能好、,唾腺染色体大、每对亲体可产生数百个甚至,上千个子代，遗传变异特征突出）,4.,选择或研制适用的仪器设备。,要求仪器设备性能好、精确度高、分辨能力强、便于操作、最少干扰。（著名实验物理学家,丁肇中,1970,、,J,粒子、粲夸克、记作,C,，,1974,双臂能谱仪）,丁肇中是一位实验物理学家，他认为，物理学是在实验与理论紧密相互作用的基础上发展起来的，理论进展的基础在于理论能够解释现有的实验事实,并且还能够预言可以由实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相矛盾时，就会发生物理学的革命，并且导致新理论的产生。他强调，没有一个理论能够驳斥实验的结果，反之，如果一个理论与实验观察的事实不符合，那么这个理论就不能存在。（,杨振宁,：理论物理学家，父：杨武之，西南联大教授）（费米、泰罗，芝加哥大学）,5,、选择实验类型：,实验方法有多种类型（,8,种），而每种类型的实,验都有与之相适应的逻辑思维方法。,对照实验比较方法,模拟实验类比方法,析因实验分析方法,定量实验数学方法,定性实验分析、归纳、演绎方法等。,6,、确定对有关,实验条件的控制,（二）实验的实施。,在这一阶段，主要取决于实验者对实验仪器原理的了解程度；对仪器操作的技能，操作的熟练程度；还取决于实验者的观察能力、思维能力；,同时也取决于实验者对观察到的多种现象、过程、事实和数据的记录和描述的准确程度。,（三）对实验结果、数据的处理,1,、对实验数据的处理。主要运用数理统计或建立数学模型的方法，根据实验的需要可把数据描绘成,坐标曲线、表格、图形,等形式，或者用,数学式,表达出来，以寻找研究对象发展、变化、运动的规律。,2,、对于一些,系统误差和随机误差,，可运用理论思维和数学工具加以分析处理，以作出准确的判断。,3,、对于实验结果的处理（现象、过程、事实等）可采用,文字综合描述,的方法。文字描述一定要实事求是、恰当分析、不要把判断推理的成份带进去。,（四）对结果的理论分析,如果实验得出来的结果与已有理论没有矛盾，而且与本实验开始时，所提出的任务、目的（同标值）相吻合，相一致，则表明这一实验基本完成，尔后就可对实验的结果进行思维加工，提出假说并再次验证，最终升为理论。,如果实验的结果与已有理论相矛盾，或者与目标值不一致，就要寻找矛盾的原因：一般来说，,a.,要么是已有理论是错误的；,b.,要么是实验原理的错误；,c.,要么是仪器的误差所造成；,d.,要么是数据结果记录的错误；,e.,要么就是方法不当或者选择的实验对象有问题。总之是什么原因引起的矛盾，应具体实验具体分析，要反复寻找，直至得到验证为止。必要时可另行确定课题，重新设计实验。,第三节 观察与实验中的机遇,一、机遇的特点和类型,1,、什么叫机遇？,所谓机遇是指人们在进行观察与实验的过程中，由于偶然的事件或机会，意外地发现了新的现象，并由此导致科学技术上的新发现和新突破。这种意外的发现，通常称之为机遇。,2,、机遇的特点：,（我们通过几个科学史实例来看机遇的特点：弗莱明；贝克勒尔；古德意：硫化橡胶,）,机遇最显著的特点就是它的,意外性、偶然性,：意外性是指事物出现在人们事先不曾预料到、不在计划之中；偶然性是指事物由于受某一偶然的、随机因素的激发，而导致新发现。,3,、机遇的类型：根据机遇的意外程度，,我们可将机遇划分为完全意外的机遇和部分意外的机遇。,a.,完全意外的机遇,是指观察实验的目的是为了发现,A,，但却发现了,B,；,b.,部分意外的机遇,是指观察实验的目的是为了发现,A,，结果也现发,A,，但发现,A,的方式和场合却是意外之外，并非按原来的研究方案达到目的；,根据机遇所发现的内容不同，,我们还可以看出：有的机遇是发现新物质；有的机遇是发现了物质的新特性；还有的机遇则是发现了事物或现象之间的新联系等；有的机遇发现了物质的新结构；有的机遇发现了事物运动变化的新规律。,二、捕捉机遇的条件,1,、勤于观察实验，勇于探索新问题，碰上机遇的机会就更多,。（语言学家贝尔，可视语言，,1876,发明电话，沃特森）,2,、留心意外之事，是发现机遇的重要条件。,1826,年法国化学家巴拉尔，在从海藻提取碘的实验中意外发现了在其沉淀物中有一层深褐色的且具有刺鼻臭味的液体，,巴拉尔,对此特别留心发现这是一种新的化学元素,溴（,Br,）,，德国化学家,李比希,也曾发现过这种现象，但他认为他所看到的是人们已熟悉的,氯化碘,。,3,、要有必要的知识储备。,知识包括：理论知识和经验知识。（荷兰磨镜片徒工,里波斯，伽利略,）,4,、要有较强的思维能力。,思维能力包括丰富的想象能力和敏锐的判断能力。,卢瑟福,在提出原子结构的模型时就是联想到了太阳系的模型。,