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位列女星第七
作者:全部人都跑往第一节车厢疏散 文章来源:本站原创 点击数:1650 更新时间:2015/10/30 15:40:43

自然科学项目往往是通过对科学问题的研究和探索的方式完成项目,工程学项目则主要针对具体的技术问题,以技术问题的解决或应用目标的实现作为项目完成的衡量标准。

“科学家试图了解自然运作的规律,工程师则创造前所未有的事物。”这句话从某个角度反映了自然科学项目与工程学项目研究的不同之处。

一、自然科学项目如何进行课题研究

科学探究常常会涉及到现象观察——发现问题——查阅文献——提出假设——设计实验——完成实验——分析讨论——得出结论等环节。

1.      现象观察

仔细观察你所关注领域的任何现象(包括偶然现象)。所谓:发现来源于观察。做一个生活和学习中的“有心人” 。养成留心观察,并根据观察的现象而产生联想和思考的习惯,不难意识到一些值得研究的问题和新的解决方法。例如:《秉氏环毛蚓再生的探究》项目,就源于小学生喜欢玩蚯蚓,一直听大人说蚯蚓断成几节依然能成活,觉得非常好奇,正是这样的好奇心引发了对这种说法的验证,从而进行了相关的课题研究。

2.      发现问题

发现问题并将问题提出是科学研究中重要的环节,也是研究项目起始的关键。良好的开端是成功的一半,完整准确地表述问题,有助于后续环节的有序开展和把握。其实,发现问题的过程就是问“为什么”的过程,对观察到的现象,要多问为什么。对于提出的这些“为什么”,同学们会发现有些可以从书本、老师、家长或者朋友那里寻找到答案,有时甚至会找到确定性的答案。但是,同学们也会发现,对于某些问题,从老师、家长以及一般的书本中得不到确定的答案。这种情况下,就需要进行文献查阅了。

3.      查阅文献

一般来说,查阅文献的目的有两个。一是针对前面提出的“是什么”以及“为什么”寻求答案。如果查阅文献的结果可以确切地回答“是什么”和“为什么”这样的问题,说明这个问题已经充分研究了,我们也获得了知识。但如果查阅文献后发现,已经有的研究还不能充分回答提出的问题,那这个问题就是值得做进一步研究的“科学问题”了。因此,查阅文献的第一个目的就是识别和明确 “科学问题”。查阅文献的第二个目的是要了解前人针对类似的科学问题已经做了哪些工作,采用了哪些方法。要尽可能地收集身边的材料,弄清楚他人对于此类课题作了哪些研究,采用了什么方法,从而为我们自己的科学研究提供参考。值得开展研究的科学问题很多,但并不是所有的科学问题都适宜于中小学生开展研究。查阅文献可以帮助我们了解,要回答和解决某个特定的科学问题,需要什么样的研究条件,需要具备什么样的科学知识,这样就可以排除掉那些对中小学生来说过于复杂和昂贵的实验了,也可以避免一些在实验中遇到的问题,减少研究中可能出现的偏差,同时还为解释研究结果提供了背景和佐证材料。

4.      提出假设

什么是假设?简单地说,假设是一种科学猜想。一个成功的科学研究往往具有表述清晰的假设,很多伟大发现都是通过建立假设完成的。假设它要满足两个基本的条件,一是可以用来合理地解释问题,并据此来决定寻找证据的方向。同时,假设要具有可检验性,能够被实验或系统的观察来证实,这与数学证明的原理是一致的。如:疟疾的病因是通过对“蚊子是疟疾的传播者”这一假设来进行验证而发现的。

5.设计实验

一定要记住,设计实验和做实验的目的就是为了验证前面提到的“科学假设”,这样也就能够保证所设计实验内容的针对性,与检验假设没有直接关系的实验内容也就不需要包括在科学研究中。例如,某一位同学研究的科学问题是“某植物种子温度与发芽率之间的关系”,针对此问题提出的假设是“随着温度的升高,种子的发芽率也会升高”。为了验证这样的假设,就需要开展温度升高的实验,然后去观察温度升高后,种子的发芽率是否有变化。

在这个研究中,温度可以被认为是一个“变量”,而不同温度下的种子发芽率可以看作是一种“效应”。科学研究往往采用控制变量的方法开展实验,即设置至少两个组别,其中一组作为对照组,其余组别作为实验组,每次操作改变实验组的一个变量,观察并记录操作前后所有组别的“效应”的变化情况。在实验观察中发现的实验组变化与对照组变化的差异之处,就可以被看作是由于“变量”发生改变而导致的“效应”或结果。为了保证每次实验操作仅改变一个变量,所有组别的实验对象应尽量保持一致属性,环境中的其它变量应保持不变。

在上面这个例子中,温度是一个变量,每一实验组都设置一个温度,每个组的温度都不同。同时,又要保证其他环境条件(其他变量)如水分、光照和养分等保持不变。这样,实验所得到的种子发芽率的差异就与温度的变化具有直接的对应关系。

实验中得出的结果可能是定性的或是定量的,这也取决于实验的设计。例如,在上面这个例子“某植物种子温度与发芽率之间的关系”中,设置了2-3个组别,实验结果发现不同温度条件下种子的发芽率存在差异,因此得出了“环境温度会影响某植物种子发芽率”这一定性的结论。而如果该实验设置了较多的组别(较多的温度变化处理),就可以根据温度梯度与发芽率变化的系列数据得到反映两者关系的图表,依据图标中的规律,研究者可以得出“环境温度变化的程度如何影响某植物种子发芽率”的结论。前者是定性的,后者是更加量化的。定量化的研究是更深层次的科学探究,教师要鼓励同学们去进行这样的尝试,但是定量研究也可能意味着有一定的观测工具、更多的工作量和时间需求,参赛选手在设计实验时应考虑实际情况和条件从而做出相应的决定。

实验中会不可避免地出现误差。误差的来源包括测量工具的精密度、实验技术发展水平、实验者的观察等。为避免和尽可能减少误差造成的影响,需要通过重复实验得出多组数据,再利用统计学方法将其整合处理,得出的结果要比单次实验得出的结果误差水平低,结果也更为可靠。

在设计实验时,参赛选手应对实验进行过程中的安全性做出预判,预判的标准是不伤害到实验者自身以及他人的人身安全和利益。在设计实验时要对时间分配有整体上的规划。参赛选手需要分配进行实验和撰写论文的时间比例。有时客观因素会制约时间上的安排,比如研究对象具有节律性(比如某些植物只在特定季节开花),或是实验设备只能在特定时间允许使用等等。

6.完成实验

完成实验即按照实验设计完成收集证据的活动,常常包括动手操作、观察和数据记录等。数据记录是在这个环节中要完成的重要工作。下面是给参赛选手关于数据记录的几点建议。
规范操作。在开始实验前,参赛选手务必确保自己经过了必需的技能培训,具备相应的操作能力。在实验过程中严格遵照操作规程。对于某些特殊项目,可能需要参赛选手在他人监督下完成实验,或是某些操作由专门人士代为完成。

记录数据。以多种形式完成数据记录,包括通过测量得出的数字、记录实验现象的图片或视频等。数字应记录在预先设计好的表格中,数据记录表应包括记录人、记录时间等详细信息。图片、视频、录音等其他形式的数据,同样应该具备相关信息,如记录人、记录时间、内容等,该信息可以存储为数据文件的一部分,也可以附在单独的说明文档中。

写实验日志。实验日志是对研究情况即时的记录,包括实验现象的文字描述、数据的整理、对照计划的完成度、个人感受、与他人交流的记录及对研究的思考等等。这些记录不但是后续分析环节的重要参考,也是撰写论文的素材。对于某些周期较长的实验,在规定时间内很难有重复实验的机会,此时详细的实验日志就凸显了其重要性。

7.分析讨论

在此环节中,常常是通过对实验得到的数据进行统计分析,通过分析归纳出数据背后的规律,随后将得出的规律与研究之初提出的假设进行比较,从而得到研究结论。

具备一定的统计学知识是做好数据分析工作的基础,常用的统计分析工具如方差分析、显著性检验、回归分析等,现在常常借助一些统计分析软件来进行,如Office ExcelSPSS等,在使用统计软件时,至少要大致了解你将应用的统计方法原理。

选择合适的表格或图形方式来呈现数据,再从图表中概括出内在的规律。例如“折线图”可能更适合表现某个参数的变化过程,而“饼状图”更适宜于表现多个参数所占的比例差异。

分析数据是为了回答在研究之初提出的那个“科学问题”,看看开始时提出的“科学假设”是否成立,也就是“我的实验结果是不是支持假设?为什么?”实验结果与假设的一致程度不是仅有“完全符合”或“完全不同”两种极端情况,甚至可能在数据体现整体趋势之中存在个别数据是不符合规律的。参赛选手要对实验结果出现的原因做出分析。不妨多向自己提出类似下面的问题来帮助思考:

实验是不是每次严格地同样操作的?

有没有尚未考虑或是观察的因素?

收集数据、设计实验或者观察方面是不是还有实验误差?

在讨论的部分,参赛选手还可以针对发现的规律本身做出进一步阐述,比如其在学术领域的意义、未来的应用方向等等。科学探究是无止尽的,参赛选手也可以就该选题的下一步研究方向进行展望,可能是如何就本次研究的不足之处做深入研究,也可能是本次研究中衍生出来的其他选题方向。

8.得出结论

这一环节在逻辑上与开展科学探究的第一步提出问题紧密联系。从提出问题,到给出答案,才完成了一次完整的科学探究。得出结论主要是针对问题,结合分析讨论中得出的主要观点,做出最后的陈述。如果说分析讨论部分参赛选手主要靠发散思维,那么在这一环节则需要聚合思维,用高度凝练、准确地语言表述研究结果。

二、工程学项目如何进行课题研究

工程学项目研究流程在整体思路上与科学探究开展过程有类似之处,但是工程学项目研究在某些具体环节有特别要求。工程学项目研究可能包含下面几个环节。

1.确定项目产品能满足人们生活中的什么需求
生活中充满对产品的需求,这些需求有些是需要新的产品来满足的,有些是需要在已有产品的基础上进行改进来满足的。对产品的需求往往是工程学项目的起源。工程学项目开展的全过程都应该是围绕着产品需求来进行的。在确定需求时应做到准确,明确该需求是在何种环境和条件下产生,这样的信息决定了未来项目产品的使用场合和适应范围。例如:《新型防翻折仿生伞》研究项目,现在伞的形状和伞面的质地紧密会使它在刮风时容易翻折,于是作者产生了改进的想法,偶然看到热带鱼缸里的金龙鱼,深受启发,伞布可以分为上、下两层,透气层和防雨层。有效的使伞内外压强趋向平衡。设计制作出上层为防雨层,下层为透气层,在伞布上布满可以透气的圆洞。经过试验,该方法可以有效的减小伞内外压强差,防止伞遇风翻折。这样的产品设计正是符合了生活中的需求。

2.建立项目产品的质量、标准、系列化等设计要求

确定预期项目产品将具有的特征和使用范围,适用的对象和环境,量化表达产品的技术参数。发明项目针对不同对象,可设计为专用特种产品,也可设计为通用、具有互换性、量大面广的通用产品。每种产品应符合相应行业的产品质量检测标准,特殊的专用产品,也应首先建立企业的质量标准,以确保产品在统一标准下的一致性。

3.查阅文献

这一部分是围绕着需求做背景研究,通过查阅文献等方式,关注相关工作的研究进展,或是已有类似产品的特征。在参考已有产品时,注重多方面比较它们的优缺点。

4.完成项目产品设计方案
这一部分是确定具体的方案,使得按照方案制作出来的产品符合设计要求。在完成设计方案时,要考虑到其可行性,包括成本费用、制造工艺等方面,提出完成项目产品所需材料清单。
例如:《人体负重行走辅助装置》这个项目,受背山工人在歇息时用一根“T”字形的木棍顶在重物的下方,解决了负重问题的启发,先设计出用两根直的木棍来交替支撑重物和用通过铰链连接而成的两段金属管来交替支撑重物这两个初步方案,但经过实验行走仍困难,再设计出用带液压缸的金属管加铰链来交替支撑重物但效果不够理想,最终利用连接杆将支撑杆和小腿构建成平行四边形,借助平行四边形结构的不稳定性,抬腿行走时,支撑杆不会上顶背负的重物,巧妙地让支撑杆与人腿协调同步行走。该项目按不同过程设计的方案来最终答到了产品符合设计的要求。

5.制作并检验项目产品

按照设计方案制作产品后,要针对各项参数做出检验,判断是否达到指标要求。检验中也要根据产品的使用情况,对实用性作出评估。在满足设计要求的基础上,可以对其他方面的相关问题作出思考和讨论。例如产品的投入生产和推广问题,产品的使用寿命和售后服务问题等等。若产品没有完全满足设计要求,试着改进甚至重做设计方案,制作并检验产品。

6.呈现项目产品的研究成果

完成项目产品是一个工程学项目的最终研究成果。呈现项目产品研究成果就是要把项目产品研制过程及相关资料进行归类整理,比如项目产品的使用对象、使用环境、功率功耗等,都要以实验数据来体现研究成果。

三、课题研究的注意事项

应特别注重问题意识。一般课题的选题从哪里来呢,应该来自于疑问,也就是问题。比如你在现实生活中观察到的矛盾冲突,或者通过各种媒体了解到的来自于他人的问题,包括困扰人们生活的自然科学问题与社会问题,现有理论的破绽与漏洞,现有产品的缺陷等。当然也可以通过对某个现象的梳理发现其中的问题,找到有规律的东西。通过研究得出自己的结论,并尝试提出解决或缓解的办法。研究不能满足于是什么,而应该追求为什么,怎么样。

应特别注重创新意识。 创新是科学研究的生命。一项研究有没有价值,关键在于多大程度上超越了前人,超越了人们对于周边事物的认识水平。而要实现这种创新,往往需要注意四个方面:提出新问题,研究新对象,采用新方法,得出新结论。而不是去重复别人的研究,概括别人已经得出的结论。创新性的课题往往出现在两个地方,一是人们“熟视无睹”的“常识”,例如“苹果为什么会掉在地上?”,二是具有学科交叉性质的课题,例如“农民工为什么多是从山区到平原?”。总之,创新的课题往往并非刻意“创造”的,而是“留心”于平常之中。

应特别注意“假、大、空”现象。作为青少年研究性学习的课题,应该符合青少年的知识承受能力。过度地选择远远超越于青少年学识和能力的课题,很容易给人形成虚假之感,要知道,评委都是本领域的专家。将课题做得过大,研究的范围过广,反而更不利于将项目做得完整。抓住1-2个问题,作深作透,反而能取得更好的成效。要尽量避免空洞的研究。例如用过多的篇幅进行概念或者意义的讨论,而不针对任何具体的问题。更不能从网络上下载无数他人的观点或者拼凑他人的结论,这样的文章既空洞无力,缺乏实际的东西,又存在抄袭的嫌疑。

四、如何寻求研究机构和专家的支持

提出适当的科学问题、适当的科学假设和正确地进行实验设计是科学研究成功的前提。在这些方面,研究机构和专家可以发挥重要的作用。

原则上,青少年应该自己提出将要研究的科学问题,并在查阅资料的基础上提出研究假设,要尽可能自主地提出实验设计。专家的作用在于:对科学问题是否适当、研究假设是否可检验、实验设计是否合理和可行这些问题提出改进意见。在实验研究正式开始以前,专家的介入可以避免少走一些弯路,使研究设想和实验设计更为合理并可行。

研究机构和专家介入的第二阶段是在实验过程之中,主要针对实验过程中遇到的具体技术问题提供解决方案。

专家在实验结果和数据的分析讨论以及论文写作中也可以提供指导帮助。如某个数据分析方法运用是否合理、某个观点的提出是否恰当等。

在寻求研究机构、专家帮助之前,要有充分的准备,先整理出需要帮助解决的问题,同时查阅资料,了解相关问题的背景知识,这样才能较好地理解专家的意见,并通过与专家的讨论来提高自己对科学问题的认识。应该注意的是:

(1)避免依赖专家提出科学问题、假设和实验设计。

(2)向专家提出的问题,学生应该先有自己的想法、思路或者解决方法,然后征求专家的意见。这样才能与专家形成真正的互动,使帮助的过程更有效率。

(3)学会运用“ 半结构式(semi-structured)”的方法寻求专家的帮助,避免过于开放式的问题(如“应该如何做这个实验”)或者过于结构和封闭的问题(如“用这种办法做实验是正确的吗”)。正确的提问如:用方法A和用方法B的优缺点是什么呢?

(4)如果开展一个研究所需要的实验条件绝大部分需要专门的研究机构来提供,或者需要在专门研究机构的实验室进行,那对其他不具备这样条件的同学来说是不公平的。我们鼓励和提倡青少年开展至少大部分实验可以不依赖专门研究机构实验室条件的科学研究工作。

目前,越来越多的参赛选手有机会参与到高校或科研院所实验室进行科学研究,这种发展趋势总体上还是好的。如何发挥中学生的自身优势,体现创新大赛的活动宗旨,有效利用研究机构的专业条件,体现专家指导对研究项目的作用,把专业机构的高精尖技术与符合中学生认知水平的研究成分进行有机结合,是这类研究项目需要重点表达的内容,也是专家评委愿意看到的。

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