談探究式和驗證式實驗需要注意的地方
一般的實驗可分為探究式實驗和驗證式實驗,探究式實驗和驗證式實驗的關(guān)系類似于定性分析和定量分析。對于同一個課題,往往需要先進行探究式實驗,確定好方向后進行理論分析,接著進行驗證式實驗來檢驗理論。因此,一定程度上的區(qū)別對待兩種實驗是有所必要的。
探究式實驗往往以預(yù)實驗的形式出現(xiàn)。在研究一課題時,預(yù)實驗很重要,但似乎總是被人忽略,以致被當(dāng)作流程而已。其實預(yù)實驗的重要性體現(xiàn)在對整體研究方向的決定作用,從整體流程上來看,預(yù)實驗是對整個課題的定性分析,后續(xù)的理論分析及實驗驗證都可作為定量研究,而定性分析一般會對整體研究起著決定性作用,方向的選擇往往是最難的,定量分析一般是按照已有的理論套路一步步化歸,因大多數(shù)人看不見方向選擇的重要性而選擇對定性分析的輕視。因此在這里個人認為預(yù)實驗要多嘗試,很多時候會因為自己以為的“簡單計算”而選擇忽視很多可能性。
對于探究式實驗,首先是根據(jù)已有的信息來構(gòu)想模型,構(gòu)建模型也可以分開層次。首先往往是構(gòu)想數(shù)學(xué)模型,使用較為抽象的數(shù)學(xué)概念來描述;接著考慮物理方面的因素,通過加入物理概念來構(gòu)建出物理模型;然后可以再使用數(shù)學(xué)工具、思維工具來進行合理化檢驗;最后結(jié)合現(xiàn)狀進行可行性檢驗。在構(gòu)建模型的過程中可以使用一些思維工具來創(chuàng)造出不同的模型方法。
構(gòu)建模型之后,開始依據(jù)模型來搭建實驗裝置,考慮到所做的實驗的復(fù)雜性和創(chuàng)新性,自己所需的完整版實驗裝置往往是不存在的。因此常常需要自己搭建一個全新的實驗裝置。在此個人認為最好不要幻想一次性成功搭建完美精密的裝置,搭建實驗裝置過程中的試錯成本和多次迭代是非常重要且必要的。一般地,實驗裝置的落腳點是電磁啟動且運行,但這總是非常困難,有可能花費了大量時間也沒成功搭建成功,所以個人認為最好從手動運行的裝置搭建起步。首先可以制造較為粗糙的裝置以產(chǎn)生實驗現(xiàn)象,以后在此裝置上不斷加以改進。畢竟任何事物的發(fā)展都是漸變的,從 0 到 1,遍歷各個數(shù)后到達 100,才更符合一般的前進歷程。
購買器材時,往往找不到自己所需的器件,定制器材就變得有所必要。3D打印的器材固然可以打印出所構(gòu)想的各種模型,而且性價比高,但很多時候精度并不能滿足自己那么高的需求;CNC 加工精度固然高,但價錢也隨之而高。除此之外,木板加工、亞克力板加工都是不錯的選擇。
得到器材后器材的連接也是一個問題,聯(lián)軸器、軸承、螺絲等是常規(guī)的選擇,但往往規(guī)格問題非常的突出且麻煩。每次網(wǎng)購器材連接器件前都最好考慮周全,因為每次遺漏都會導(dǎo)致實驗計劃的推遲。
搭建實驗裝置完成并得到所構(gòu)想的實驗現(xiàn)象后,先不要做實驗并記錄數(shù)據(jù),而是要初步定性的分析實驗現(xiàn)象,可能需要很多的實驗現(xiàn)象分析來定性驗證理論或記錄個別數(shù)據(jù)并分析可能造成誤差的種種原因,以便后續(xù)實驗的進行。定性分析后可根據(jù)理論來不斷完善實驗裝置。完善實驗裝置時盡量朝著電磁啟動且運行的方向努力。
對于驗證式實驗,不斷地細微改善實驗裝置及相關(guān)方法是必要的,記錄數(shù)據(jù)后處理數(shù)據(jù)又是一個比較復(fù)雜的問題。大多數(shù)的處理僅僅是擬合曲線并計算R^2,但良好的處理方法還需要誤差分析并計算不確定度及精度,畫出誤差棒。
實驗過程中,循序漸進是一個重要的思想,充分體現(xiàn)出漸變的核心。不應(yīng)總是仰望星空以致不能腳踏實地,要接受自己的現(xiàn)狀并合理預(yù)估自己的發(fā)展歷程,一步步地前進。其次還要注意物理與數(shù)學(xué)的結(jié)合,數(shù)學(xué)是內(nèi)在框架結(jié)構(gòu),而點明這結(jié)構(gòu)需要物理概念及定律。二者的相輔相成才能建構(gòu)出物理大廈。
在整個實驗階段,最高的境界是以科學(xué)哲學(xué)為研究綱領(lǐng),以物理思想為指導(dǎo)方針,縱使現(xiàn)在的水平還不足以掌握科學(xué)哲學(xué)研究綱領(lǐng),但還是要以一些物理思想為中心,在研究中體現(xiàn)出各種思想閃光點。