三、科学实验方法

科学实验是运用人工控制某些变量，建立实验条件，对中学物理教育的方式、方法进行研究的常用方法。在实验研究中，至少要对一个自变量进行有目的的处理或改变。这个自变量就叫做实验变量。因此实验研究的核心问题就在于如何控制实验变量以外的其他各种变量，即其他各种干扰因素。

实验的方法是多种多样的，因此在实验前先要根据实验的目的和提出的问题设计出一套切实可行的实验方案，其实验程序可以用规定的符号以公式的形式表述出来。下面就通过举例对五种最简单的实验程序作简单介绍。

1．单组实验程序。

例如在初中物理教学过程中要想检验一下究竟是采用探究教学法效果

好，还是采用讨论教学法效果好，这就可以考虑在一个班级里运用单组实验程序。于是这个班级就成了实验对象，通常用符号 S 表示；而探究教学法和讨论教学法就是要进行实验的两个实验变量，通常依次用符号 X1、X2 表示。在实验前进行的测试叫做初试，通常用符号 IT 表示；而在实验后进行的测试叫做末试，通常用符号 FT 表示。把两次测试的成绩作一比较，即可得出所产生的变化，通常用符号 C 表示，即 C=FT-IT。在同一班级里，按照上述单组实验程序进行两次不同的实验处理，分别得出两种变化 C1 和C2。把两次得出的变化加以比较（C1-C2），就可以知道究竟哪一种教学方法效果比较好了。像这种单组实验程序就可以用如下的公式表述出来：

S—(IT—X1—FT—C1)—(IT—X2—FT—C2)。

实验结果=C1—C2。

在采用单组实验程序时，必须具备如下的条件：

后一次实验处理 X2 在实验对象 S 中所产生的变化 C2 必须不会受到前一次实验处理 X1 的影响；
除了实验变量 X1、X2 以外的变量必须得到控制，至少要使它们对两次实验所产生的干扰是一样的，或是无关重要的；
测试必须尽可能准确。两次测试题的难度必须基本相同，否则会使

实验结果的误差很大。2.等组实验程序。

将不同的实验变量分别在两个或两个以上情况基本相同或相等的班级里进行实验，然后比较他们所得到的变化，这种实验程序就叫做等组实验程序。它可以用如下的公式表述出来：

RS1—(IT—X1—FT—C1)；

RS2—(IT—X2—FT—C2)。

实验结果=C1—C2。

如果实验变量增多，就相应增加实验对象。例如，实验变量有三个，则在程序中将相应增加

RS3—(IT—X3—FT—C3)。

实验结果=C1—C2—C3。即把得出的三种变化相互比较即可。

在采用等组实验程序时所必须具备的最重要的条件就是各组实验对象必须尽可能均等。所谓均等就是指实验变量以外的其他变量对实验的干扰必须相同。例如所选用参加实验的班级学生的原有水平必须基本相同或相等。上述公式中实验对象 S 前面的符号 R 就表示实验对象条件均等。

为了使参加实验的对象条件均等，在分班级或者分小组时可以采用随机取样法或测量选择法分配。所谓随机取样法就是用抽签的方法使参加实验的学生按自然呈现的机会来分组。所谓测量选择法就是把参加实验的学生全部测验一次，然后按测验得分进行合理分配。

采用等组实验程序的优点就在于各个实验变量都是在不同的实验对象中进行实验处理的，彼此不会发生相互影响。

循环实验程序。

将各种不同的实验变量轮换地在各组实验对象中进行实验处理，然后根据各组所发生变化的总和进行比较来决定实验结果。这种实验程序就叫

做循环实验程序。它可以用如下的公式表述出来： S1—(IT—X1—FT—C1)—(IT—X2—FT—C2)

S2—(IT—X2—FT—C3)—(IT—X1—FT—C4)

∴X1=C1+C4；X2=C2+C3。

实验结果=(C1+C4)-(C2+C3)。

采用循环实验程序的优点就在于各组实验对象的条件可以不均等。这就减少了实验前的分组的麻烦环节；同时又减少了其他变量的干扰。例如，在比较两种教学方法效果好坏的教育实验中，不同教师教学水平的高低、学生家庭学习环境的好坏都是其他变量。采用循环实验程序，两种教学方法（即两种实验变量）都被每个教师实施过、都在每一班的学生中实施过。因此，即使教师的教学水平有高低、学生家庭学习环境有好坏，而循环的结果却把这些差异所产生的影响均匀地分配给各种教学方法。这样就没有偏向了。

有控制组的实验程序。

最简单的末试有控制组的实验程序可以用如下的公式表述出来： RS1—X1—FT—C1；

RS2——FT—C2。

实验结果=C1-C2。

如果实验变量不止一个，实验组可以扩展，而控制组只需一个就够了。这种实验程序可以用如下的公式表述：

RS1—X1—FT—C1； RS2—X2—FT—C2；

⋯⋯⋯⋯ RSK—X1—FT—CK。RSK+1——FT—CK+1。

实验结果可将 C1、C2⋯CK 均与 CK+1 相比而得出。

另一种是初试、末试均有控制组的实验程序。它可以用如下的公式表述出来：

RS1—IT—C1—X1—FT—C2 RS2—IT—C3—X2—FT—C4

⋯⋯⋯⋯

RSK—IT—C2K-1—XK—FT—C2K RSK+1—IT—C2K+1——FT—C2K+2

实验前的初试可以设想用与实验变量有关的题目进行；也可以用计划中的末试题目的副本进行。实验前进行初试的优点在于进行数据分析时可将初试分数作为统计控制量，这样容易得出实验处理前后的差异。因此初试题目与末试题目在内容和形式上都要尽可能地近似，以便相互比较。

索洛门(Soloman)四组实验程序。

这是由实验教育家索洛门于 1948 年提出的实验程序。它可以用如下的公式表述出来：

RS1—IT—C1—X—FT—C2

RS2—IT—C3——FT—C4

RS3———X—FT—C5

RS4————FT—C6

从上述公式中可以看出：四个组是两个实验组和两个控制组。两个实验组所接受的是同样的实验处理，所不同的是一组接受初试而另一组不接受初试。两个控制组也一样，只有一组接受初试。因此，实验结果可以从实验组和控制组的测试成绩的比较中得出。

索洛门四组实验程序的优点在于能查出实验前的初试可能产生的影响，因为有些组参加了初试，而另一些组没有参加。一般说来，初试有可能对末试的成绩产生影响，它也有可能对实验处理产生促进或干扰作用。通常初试被看作是一种保证研究确实性的特殊手段。

上述五种基本的教育实验程序在实际运用时也可以综合起来考虑，但事先必须通过周密的考虑，才能设计出一套较好的教育实验方案来。

关于如何分析实验结果的问题，方法是多种多样的。请看下面两个例子。

〔例一〕某人运用三组实验对象进行两项实验变量的教育实验，其中一组是作为控制组用的。由于在实验前进行了随机取样，三个组均未进行初试，却都进行了两次末试：一次是在实验处理刚结束时进行的，而另一次却是在实验处理结束一段时间后进行的。这样做的目的是要判断实验处理是否存在延期效果。这个教育实验程序可以用如下的公式表述出来：

RS1—X1—FT1—C1—FT2—C2 RS2—X2—FT1—C3—FT2—C4 RS3——FT1—C5—FT2—C6

试分析如下四种可能得出的实验结果： (1)C1=C3，而 C1、C3≠C5，但 C2=C4=C6。

(2)C1≠C3，且 C1、C3≠C5；C2≠C4，且 C2、C4≠C6；但 C1=C2，C3=C4， C5=C6。

(3)C1=C3=C5=C6；但 C2、C4≠C6，且 C2≠C4。

(4)C1=C3，且 C1、C3≠C5；C2=C4，而 C1、C4≠C6；但 C1≠C2。

〔分析〕

C1 与 C3 均不等于 C5，表明 X1、X2 这两种实验处理都有近期效果；但彼此无差别，因为 C1=C3。但从 C2 与 C4 均等于 C6 可知，这两种实验处理均不存在长期效果。
C1、C3、C5 相互均不等，表明 X1、X2 这两种实验处理都有近期效果，

并且彼此的效果也不同。C2、C4、C6 相互也不等，表明这两种实验处理 X1、X2 也都有长期效果。又从 C1=C2、C3=C4、C5=C6。可知它们的效果均具有持续性。

C1、C3、C5、C6 均相等表明 X1、X2 这两种实验处理均无近期效果。

但 C2、C4 均不等于 C6 却表明它们都有长期效果；而且彼此的效果不同，因为 C2≠C4。

表明 X1、X2 这两种实验处理既有相同的短期效果，又有相同的长

期效果。但长期效果与短期效果是不同的，因为 C1≠C2。

〔例二〕某人对索洛门的实验程序作了改进，采用了六个组，增加了检验是否存在延期效果的内容。这个实验程序可以用如下的公式表述：

RS1—IT—C1—X—FT1—C2—FT2—C3 RS2—IT—C4—X————FT2—C5

RS3————X—FT1—C6—FT2—C7

RS4————X————FT2—C8 RS5—IT—C9——FT1—C10—FT2—C11 RS6———————FT2—C12

试分析如下三种可能得出的实验结果： (1)C2=C6，而 C2、C6≠C10；但 C3=C5=C7=C8=C11=C12。(2)C3≠C5，而 C3、C5≠C11。

(3)C2≠C6，而 C6=C10；C2=C3=C5；C6=C7、C8、C11、C12。

〔分析〕

C2、C6 均不等于 C10，表明这种实验处理具有短期效果，无论是否举行初试，情况都一样，因为 C2=C6；但从 C3、C5、C7、C8、C11、C12 均相等可知，这种实验处理没有长期效果。
C3、C5 均不等于 C11，表明这种实验处理具有长期效果；但 C3≠C5，

表明这种效果对于是否举行初试的组是不相同的。从这一点可以看出，初试对这种实验处理是有干扰的。

从 C6=C10 可以看出，这种实验处理是没有短期效果的，又从 C6、C7、C8、C11、C12 均相等可知，它也不存在延期效果。但是从 C2≠C6 可知初试对这种实验处理是有干扰的，而且这种干扰还是长期持续不断的，因为C2=C3=C5。

上述六组实验程序的特点是：除了可以用来检验实验处理的短期效果和长期效果外，还可以检验初试的影响以及两次末试的影响等。