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把科學研究的問題和想法變成一份規範的專業研究方案

2013-09-05中國科技教育本文被閱讀過90917次[推薦][打印][保存][大字體][中字體][小字體]

本文轉載自《中國科技教育》雜志2013.04/總第205期

  學生産生了研究的問題、對研究課題有了構想並且作了大量的背景研究梳理,是否可以真正開始做實驗了呢?好像還有不行,從《STEM項目學生研究手冊》(以下簡稱《研究手冊》)你會發現,還有很多細致周密的工作要做:撰寫假設、撰寫研究方案,以及設計組織一個實驗記錄本,這是學生把對問題的想法和研究構思按照科學研究的方法形成一個可操作的實施方案中的3個重要環節。只有經過這3個步驟之後,科學研究實驗才能正式開始,或者說才能真正開始收集用于得出研究結論的數據。

字斟句酌的假設

  先說假設。很多指導教師和學生也許都知道科學研究的過程中要針對研究問題提出假設,並通過科學實驗收集數據和信息,經過統計分析判斷假設是否被研究所支持,從而解釋或回答提出的研究問題。但學生是否能認識到什麽樣的假設是一個“科學假設”?科學研究中的假設應如何措辭?學生和老師是否做到了嚴謹地對待假設?在整個研究的過程中,往往只有一句話長的假設陳述看似簡單,但要寫得科學規範則需要謹慎地斟酌措辭。一個合格的“科學假設”的陳述必須是可測的,也就是說假設中的文字措辭必須清晰地說明如何進行實驗才能讓自變量與因變量關聯起來。否則,不可測的假設將直接影響後續研究的順利進行。《研究手冊》中給出了一個假設草稿修改了4次才成爲一個科學假設的實例,這個過程就是從“簡單草率”到“科學嚴謹”的發展演變。學生只有在做了較充分的背景文獻研究分析,掌握了一定的科學事實,並經過認真思考後,才能夠寫出科學的假設。假設一旦設定,學生也許會發現他們還需要進一步深入文獻資料研究。假設是學生在提出研究問題、完成基本的背景研究之後,統領研究實施的一條主線,將一直貫穿到實驗結果的統計分析等很多環節。

寫一個像“菜譜秘籍”一樣的研究方案

  學生動手擬寫研究方案時,教師可以給出一些規範的研究方案的格式體例,以便他們可以依葫蘆畫瓢仿寫,確保包含基本的研究方案格式和內容。撰寫研究方案遇到的最大問題是學生是否真的理解他們打算做什麽,這份方案是否足夠詳細,別人是否能夠依據研究方案重複實驗。打個不太准確的比喻,研究方案像一個菜譜,別人要能按照設計的菜譜制作出同樣味道的菜肴才可以。爲了讓研究方案能達到這個目標,《研究手冊》給出了很好的建議,這些建議也許是常常被學生忽視或者誤解的。

  首先,撰寫研究方案時需要進行一些預試驗。撰寫一份研究方案的過程其實也是一個研究的過程,研究的目的就是要提高實驗設計的可操作性,增加正式實驗研究的成功幾率。采用預試驗的方法可以讓學生解決無法在研究方案裏寫出如何確定實驗步驟細節的問題,並且可以讓學生修正、改進實驗步驟。例如,預試驗能讓學生找到更好的實驗材料,進行測量工具的使用訓練,篩選出最優測量方法,修改完善調查工具等。

  其次,方案中一定要確定數據收集的頻次並描述數據收集的過程。數據收集頻次也就是“多久記錄一次數據”或“每個實驗組要測試幾次”。實際上,對這個問題的回答能考查學生是否理解了研究實驗的核心。只有做了很充分的背景文獻研究和預試驗,對研究對象和測試方法有了充分了解的學生才有可能確定數據收集的頻次。如果對于數據收集的過程描述不清晰,不能明確如何維持進行實驗實施的條件,將可能導致實驗開始後以及分析結果時出現嚴重問題,導致實驗不能繼續、數據不足以滿足假設驗證的需要或者存在無效數據而幹擾結果分析。實驗方法是研究方案中最重要的部分,而數據收集是實驗方法的關鍵。《研究手冊》中提出了一系列關于數據收集的問題,在實驗方法闡述部分,學生如果能逐一回答這些問題,就可以保證研究方案在方法部分設計得足夠詳盡,基本可以滿足檢驗研究假設的需要。

  此外,學生還要很好地思考用什麽樣的文字表述研究方案,這涉及科技寫作的問題。優秀的科技寫作應該簡練而准確,語句不能繁冗,語氣不能浮誇。《研究手冊》對科技研究文章中的語態和人稱代詞的使用進行了比較分析,並介紹了目前科技寫作風格的偏好和分歧,這對于初學者很有參考價值。

管理實驗原始數據

  研究方案有了,並且足夠清晰,那麽能開始實驗了嗎?一般認爲似乎應該可以了。但是,《研究手冊》中關于實驗記錄本設計和組織的描述讓我們看到,這裏還有諸多工作需要在實驗開始前籌劃好。在一些學生的科研項目展示和比賽裏,我們會看到有的學生能夠做出非常漂亮的展板及酷炫的PPT展示。當真正的內行查看他們的實驗記錄本時,看到的卻往往是令人遺憾的業余且簡陋的研究記錄。這說明學生沒有學會使用實驗記錄本這個非常重要的組織工具管理他們的原始數據。也許他們認爲只有研究方案和論文才需要正式和規範,原始數據就是個人的“工作草稿”。

  《研究手冊》首先就明確了記錄原始數據的實驗記錄本是研究項目中非常重要的正式的研究工具。特別是除了數據之外,它還需記錄研究者在實驗過程中的思考和推斷,是一個研究中關于實驗的自我對話日志。在設計並建立一個實驗記錄本的時候,《研究手冊》提醒學生記錄本的設計應能保障原始數據的真實性和可靠性,避免隨意刪改不理想數據的可能性。一旦研究事實被寫入記錄本,就不能被修改或刪除,在這方面書中還給出了很多具體的實用方法。此外,《研究手冊》介紹了基于互聯網使用現代科技手段建立在線實驗記錄本的方法。這種方法不僅可以提供數據建立的曆史記錄功能,即在文件和網頁上所做的包括日期和修改人在內的任何修改、增刪都能被記錄下來,而且爲小組多人合作進行實驗記錄提供了便利。

  在實驗數據收集記錄的過程中,對以小組爲單位開展的研究會遇到的問題,《研究手冊》中進行了分析,給出了解決分工和設計一個小組實驗記錄本的建議。書中提出,小組研究的角色分工應該有一次正式的會議討論,意見達成一致後,每個組員要簽署一個研究工作合作協議,附在實驗記錄本內,並抄送給指導教師。這樣的方法在國內的學生研究項目中並不多見。但這看起來是個非常不錯的研究工作組織方法,可以讓所有參與者公平地分配任務,在實驗過程中可以提醒每個人隨時注意自己和別人的任務角色是什麽,同時也便于指導教師了解和跟進每個組員的工作進度。

  《研究手冊》還介紹了實驗記錄本的內容和格式規範,其對准確性和細節的要求程度比之研究方案和研究論文的寫作有過之而無不及。需要特別指出的是,實驗記錄本裏有一個部分專門記錄在研究的過程中研究者與他人的通信和溝通。例如,在實驗過程中指導教師給出的反饋意見;小組研究過程中對成員角色和任務分工的討論;以及影響到研究的所有小組討論內容等。記錄內容既包括書面郵件,也包括面對面討論交流達成的結果。這部分記錄是研究項目中除了研究數據外的另一類曆史檔案,能記錄下在實驗研究過程中每個與實驗有關的人都做了什麽、說了什麽、發生了什麽,研究過程中研究者的想法和觀點都被記錄下來。如果在實驗過程中遇到了沒有預期到的問題,實驗設計需要進行調整時,調整的原因和過程也應被如實記錄。

  關于實驗記錄本的核心——數據表,《研究手冊》給出了一些如何組織設計的建議。即使在研究方案中關于實驗方法的部分對于數據收集的過程有足夠充分的描述,學生仍然要在實驗記錄本上花時間仔細想想如何用合適的表格把定性或定量的數據很好地呈現出來。因爲實驗設計中收集的數據類型不同,可能需要設計不同的數據表格,爲後面的統計分析打下良好的基礎。《研究手冊》對此給出了很具體的指導建議,例如定性數據和推論表、定量數據表,以及其他變量影響數據表等。學生通過組織設計一個實驗記錄本的實踐,可以深刻理解在科學研究過程中,如何有組織地收錄、展示數據比選擇用什麽方法記錄數據更重要。

  磨刀不誤砍柴工,當上述3個步驟學生都考慮周詳,並且充分准備好之後,實驗研究工作就可以開始了。這3個步驟的學習實踐可以更好地培養學生嚴謹的科學態度,掌握專業的研究方法,以及提高把研究想法和基本設計轉變成可實施的研究活動的能力。■

(作者:姜景一/中國科協青少年科技中心)
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