观察方法和实验方法

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。
② 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。
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：
（2）量的观察，即对研究对象的某些性质和特征进 行数量描述和测定的一种观察方法。（人体血浆PH值： 正常7.35~7.45，PH值<7酸中毒， PH值>7.7碱 中毒）
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。1910~1914《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）
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。
第三章 观察方法和实验方法
本章将重点介绍观察、实验方法的特点、基本 类型、在科研中的作用，以及在运用观察、实验方 法时应遵循的一些原则，实验方法的一般程序，观 察和实验中的机遇等问题。
第一节 科学观察方法 所谓科学观察方法，是指人们通过感官或借助 于仪器，有目的、有计划地感知和描述研究对象， 从而获取科学事实的一种科研方法。
③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。
（2）间接观察。也叫仪器观察。即人们借助 于仪器或其它技术手段间接地从外部获取感性材 料的一种方法。它在现代科学发现活动中显得尤 为重要。
其优点是：延长了人类的感官，扩大了感知 的范围和种类，提高了观察的精确度和反应能力， 使人们对于自然界的认识能力得到了很大的提高。
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
（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）
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。
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）
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。
（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。
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
① 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。
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。 （体劳、创造脑劳）
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。
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
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600.01K，排除常温热干扰）
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）
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 ①发高烧的病人反而表现出寒战； ②出血性休克的早期病人可能测得其血压略有升高； ③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。
（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。① 如对光线只能感 知波长在0.39~0.77微米范围的电磁波，对0.39~0.04 微米（紫外线）、0.77~1000微米（红外线）是感 知不到的；②人的耳朵只能听到频率在20~2万赫兹 范围内的声波，对次声波、超声波是听不到的；
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。 ① 对照实验→比较方法 ② 模拟实验→类比方法 ③ 析因实验→分析方法 ④ 定量实验→数学方法 ⑤ 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①实验者对实验仪器原 理的了解程度；② 对仪器操作的技能，操作的熟练 程度；③还取决于实验者的观察能力、思维能力；
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