第一篇：NaOH與CO2的創(chuàng)新實驗設計論文

摘要：為提高學生的探究能力，可設計NaOH與CO2反應的探究實驗。該探究實驗有助于學生樹立實驗設計理念，開闊思路，提高學生設計實驗的能力。該探究實驗設計遵循實驗改進的科學性、實用性、簡約性、安全性原則；有利于學生借助對比實驗來增加實驗設計的嚴謹性。

關鍵詞：二氧化碳；氫氧化鈉；現(xiàn)象；環(huán)保

人教版化學九年級下冊（2012版）第十單元課題1（第56頁）涉及有關堿的化學性質(zhì)探究的內(nèi)容。因為NaOH溶液與CO2反應無現(xiàn)象［1］，所以教師一般是引導學生設計實驗裝置，并從以下兩個角度探究NaOH溶液與CO2確實發(fā)生了化學反應。其一，利用反應物CO2是氣體，而生成物中沒有氣體的現(xiàn)實，讓NaOH溶液與CO2在一密閉容器內(nèi)（如軟的純凈水塑料瓶）接觸，即發(fā)生反應；又因其壓強發(fā)生變化，從而使軟的純凈水塑料瓶發(fā)生形變。教師應引導學生發(fā)現(xiàn)以下問題：既然CO2能溶解在NaOH溶液的溶劑—水中并與之反應，為了證明溶質(zhì)NaOH與CO2反應，就要做一個CO2與水在密閉容器中接觸的對比實驗，以增強實驗設計的嚴謹性。其二，利用化學反應的本質(zhì)特征———有新物質(zhì)生成的現(xiàn)實，教師應引導學生設計以下實驗：利用稀鹽酸和BaCl2溶液來驗證NaOH溶液與CO2反應的生成物為碳酸鈉。

1實驗儀器及試劑

1.1實驗儀器

兩個軟的純凈水塑料瓶（500mL、帶蓋）、兩根輸液管、注射器若干、小試管。

1.2實驗試劑

濃氫氧化鈉溶液、稀鹽酸、石灰水、BaCl2溶液等。

2實驗裝置

其組成說明為：取兩個500mL相同的軟質(zhì)純凈水塑料瓶，用熱的鐵釘在瓶蓋上打孔（內(nèi)連有輸液管）且用AB膠密封。

3實驗步驟

（1）用塑料瓶收集兩瓶（500mL）CO2并驗滿。（2）分別蓋好瓶蓋，一瓶蓋上的注射器里盛有20mL氫氧化鈉飽和溶液，另一瓶蓋上的注射器里盛有等量的水。（3）同時擠壓兩注射器后振蕩兩塑料瓶，觀察兩者變癟的程度。學生通過觀察和分析后得出：NaOH與CO2發(fā)生了化學反應。（4）用注射器抽取更癟塑料瓶中的液體，將其注入盛有BaCl2溶液的試管中，立即有白色沉淀生成，從而證明NaOH與CO2發(fā)生了化學反應。（5）用注射器向更癟的塑料瓶中加入適量的濃鹽酸，振蕩；待塑料瓶恢復原狀后用注射器抽取瓶內(nèi)氣體，并將氣體注入盛有石灰水的小燒杯中，觀察現(xiàn)象；石灰水變渾濁，說明NaOH溶液與CO2在一密閉容器內(nèi)接觸并有碳酸鹽生成，則進一步證明了NaOH與CO2發(fā)生了化學反應。

4改進意義

（1）利用日常生活中的廢舊用品設計實驗，既達到實驗目的，又遵循了實驗改進的科學性、實用性、簡約性、安全性原則。（2）可引導學生根據(jù)反應物、生成物的性質(zhì)或狀態(tài)的變化來設計實驗方案。（3）利用對比實驗增加了實驗設計的嚴謹性。（4）從多個角度讓學生認識到，盡管CO2通入NaOH溶液中無現(xiàn)象，但確實發(fā)生了反應。由此出發(fā)，引導學生進行實驗設計，從而提高其實驗設計能力。

參考文獻

［1］張金華.驗證NaOH與CO2的反應[J].農(nóng)村青少年科學探究，2010(3):24.

第二篇：淺談初中化學創(chuàng)新實驗設計

淺談初中化學探究性實驗課的創(chuàng)新設計

摘要：本文主要闡述了在初中化學教學中創(chuàng)新設計探究性實驗課應側(cè)重遵循的主要原則，并通過案例介紹了探究性實驗課的設計視角，反思了實施過程中應注意的問題。

關鍵詞：化學探究性實驗；設計原則；案例分析；教學反思 《課程標準》確立了化學課程改革的重點是 “以提高學生的科學素養(yǎng)為宗旨”，核心是“培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力”，要求“化學課程通過知識與技能、過程與方法、態(tài)度情感與價值觀三維目標來體現(xiàn)對未來社會公民科學素養(yǎng)的培養(yǎng)”。探究性實驗課是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實踐能力的主陣地，能較好地傳授創(chuàng)新思維的基本方法，提高學生創(chuàng)新思維的實際價值。目前廣大一線教師正在積極開展探究性實驗教學，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的探究性實驗課案例。本文結(jié)合自己近幾年來在省、市、縣的聽課經(jīng)歷和教學實踐，談談在初中化學教學中如何創(chuàng)新設計探究性實驗課。

一、設計原則

探究性實驗的教學設計要以學生的主動學習和創(chuàng)新能力發(fā)展為原則，在本質(zhì)上應該以學生全程體驗學習過程、獲得探究能力的發(fā)展為標志。實施過程中除了遵循探究性教學的一般性原則（如主動性、探究性、實踐性、趣味性、安全性、綠色化等）以外，還應側(cè)重遵循以下原則： 1.科學性原則

設計探究性實驗要有科學性。對未知物成分與性質(zhì)的研究，有關觀點 的質(zhì)疑和異?，F(xiàn)象的思考等，原理要求正確，不能給學生誤導，更不能任意假設而變成“為探究而探究”。同時教師在整體上把握化學探究性學習的目的、內(nèi)容、方法和要求的內(nèi)部聯(lián)系，準確認知教材各級主題之間的聯(lián)系，分析學生的已有經(jīng)驗，做到符合教材的整體邏輯，貼近學生實際，體現(xiàn)教學過程的內(nèi)在完整、合理和可操作的教學邏輯。2.簡約性原則

設計探究性實驗要有簡約性。整個實驗的設計要體現(xiàn)“器材選擇范圍廣、操作簡便、現(xiàn)象明顯”的特點，力爭用較少的實驗步驟和實驗藥品，在較短時間內(nèi)完成實驗，對于定量性實驗還要考慮系統(tǒng)誤差小。過繁或過于復雜的裝置會轉(zhuǎn)移學生的注意力，容易導致學生心理上產(chǎn)生畏難情緒，影響對實驗過程的分析思考。3.方法性原則

設計探究性實驗要側(cè)重方法性。以化學學科的基本思想和基本方法為指導，著力于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。一方面，教師設計的探究性實驗本身要基于一定的思維方法基礎，如對比試驗法、控制變量法、不完全歸納法、演繹推理法等。另一方面，要讓學生在設計的探究性實驗中獲得新的方法、新的感悟，在原有的基礎上有質(zhì)疑，有批判，有創(chuàng)新。因此在素材選擇上要摒棄那些變相簡單重復的實驗，善于嫁接和整合多種思維方法，促使學生開闊思路，讓學生在實驗課后感到余味無窮。4.發(fā)展性原則

設計探究性實驗要體現(xiàn)發(fā)展性。一方面要求教師在設計探究性實驗時

應考慮學生能力發(fā)展的需要和今后學習潛能開發(fā)的需要，當學生對某個實驗、某個知識有疑問或想法時，恰恰是學生想獲取知識、提高能力的最佳時期，是學生能力的最近發(fā)展區(qū)，教師有意識的指導就是協(xié)助學生思考，引導學生提出自己獨特的見解并學會如何獲取知識。另一方面要求教師能準確把握教學要求，把握教材在探究內(nèi)容的基礎性、思維的深廣度、實踐的難易度等由低級到高級發(fā)展的規(guī)律，有目的地將某些探究性實驗分解到新授、單元復習、總復習中，促進學生在知識與技能、過程與方法上不斷發(fā)展、創(chuàng)新、提升，實現(xiàn)教學的增值效果。

二、設計視角

1.思考實驗異常現(xiàn)象，從實證的角度來設計

在課堂實驗中，有時經(jīng)常出現(xiàn)一些異?，F(xiàn)象，僅憑教材的粗略解釋難以讓學生信服，也容易扼殺學生探究欲望。如：某些實驗后的產(chǎn)物與預期的情況不一致，或伴隨著不可忽視的其它現(xiàn)象，有的是產(chǎn)物中含有其它雜質(zhì)，有的甚至是得不到預期的產(chǎn)物，這些往往需要通過實驗來進一步證實。教師要善于利用這些在課堂實驗中生成的問題，設計實證性實驗探究課，引導學生抓住化學變化的本質(zhì)進行探究，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，嚴密的思維能力。

[案例1]“鎂與硫酸銅溶液反應異?，F(xiàn)象的探究”片段： 師：[問題1]鎂條與硫酸銅溶液反應，你預計的現(xiàn)象是什么？ 生：[學生回答]鎂條表面有紅色固體析出，溶液有藍色逐漸變?yōu)闊o色。師：[問題2]如何操作來驗證你的預計？

生：[實驗]將鎂片用砂紙打磨，將其放入盛有硫酸銅溶液的燒杯中。[觀察現(xiàn)象]①鎂片表面有大量氣泡；②有黑色固體聚集在鎂片上，有的脫落；③溶液由藍色澄清透明逐漸變?yōu)椴煌该鳌?/p>

師：[問題3]為什么會產(chǎn)生大量氣泡？你的猜想是什么？[資料]產(chǎn)生的氣體是H2。

生：[交流討論]產(chǎn)生H2的原因：① 鎂條與水反應，② 硫酸銅溶液的顯酸性。③ ??

師：[問題4]怎樣設計實驗來驗證你的猜想？

生：[實驗] 1．將打磨后的鎂條放入水中，2．用pH試紙測定硫酸銅溶液的酸堿性。[觀察現(xiàn)象]1．無氣泡，2．pH＜7。[解釋]（略）。師：[問題5]黑色固體中是否含有銅？[資料] 固體的顆粒小到一定程度時，物理性質(zhì)可能改變，例如細鐵粉為黑色。

生：[交流討論] 根據(jù)質(zhì)量守恒定律和資料作出猜想：黑色固體可能含有銅。[設計實驗]（略）。??

這類對化學實驗異常現(xiàn)象再思考而設計的實驗探究課，首先要求教師善于抓住平時教學中生成的問題，主動查閱相關資料，合理設計探究問題。同時也要求引導學生仔細分析實驗過程，抓住實驗的細節(jié)：反應物（種類、純度、用量）、實驗操作的步驟、反應的條件等因素。在課堂討論中要抓住化學變化的本質(zhì)，充分運用提供的信息并結(jié)合質(zhì)量守恒定律進行理性分析、判斷和推理。類似上述實驗的素材還有：濃燒堿溶液與酚酞變色的研究、一氧化碳還原氧化銅（氧化鐵）的產(chǎn)

物、氫氣在氧氣中燃燒的產(chǎn)物、鈉與硫酸銅溶液反應的產(chǎn)物等。2.質(zhì)疑有關化學常識，從反思的角度來設計

化學是一門基礎的自然學科，初中是學生形成化學概念、掌握化學基本原理、基本思想、基本方法、基本技能的關鍵時期。由于學科的特點，有些現(xiàn)象的說明涉及到許多知識，往往還不能比較精確地解釋到位，甚至就先用一些粗略的觀點來說明。但學生的思維在形成過程中常會產(chǎn)生一些質(zhì)疑，教師對這些問題卻不能回避。這時教師就可以有意識地設計反思性實驗探究課，對生活中的一些化學常識再質(zhì)疑，培養(yǎng)學生進行科學探究的能力。

[案例2]“燈火實驗可靠嗎？”探究片段：

師：[問題1]在進入久未開啟的菜窖前，人們常用燃著的蠟燭做“燈火實驗”，你知道這樣做的道理嗎？

生：[交流討論]用燃著的蠟燭做燈火實驗，如果蠟燭熄滅，說明CO2的濃度已經(jīng)過高，人就不能直接進去了

師：[問題2]資料顯示：當空氣中CO2的濃度達到6%時，人就可能因窒息而死。那么：達到6%時，燃著的蠟燭會立刻熄滅嗎？怎樣設計實驗證明？

生：[交流討論]二種猜想。粗略收集一瓶CO2的體積分數(shù)為6%的空氣樣品的方法：在集氣瓶內(nèi)預先裝總體積的6%的水，在用排水法收集CO2，恰好排掉里面的水即可。[分組實驗]量出集氣瓶的容積→計算出容積的6%→量出相應體積的水→倒入集氣瓶→用排水法收集→將燃著的蠟燭迅速伸進集氣瓶。[觀察現(xiàn)象]未熄滅。??

師：[問題3]如何測出當燃著的蠟燭立刻熄滅時空氣中CO2的濃度極限？

生：[交流討論]猜想CO2的濃度極限可能為：10%-15%，15%-20%，20%-25%，25%-30%。[分組實驗]同上。[觀察現(xiàn)象] ??

師：[問題4]在菜窖里做“燈火實驗”，導致蠟燭熄滅的因素CO2嗎？你對剛才所做實驗有什么建議和想法？

生：[交流討論]地窖中植物進行呼吸作用，導致O2的濃度偏低，CO2的濃度偏高。燃著的蠟燭立刻熄滅的原因是O2的含量低，所以應該測定使燃著的蠟燭立刻熄滅的O2的濃度極限更為科學。

引導學生質(zhì)疑反思，是化學探究性教學的關鍵，可以培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng)，為今后進一步學習和工作奠定基礎。這類探究性課題的選擇要求教師把握問題的核心，巧妙設計與學生所學知識相聯(lián)系的探究實驗，這樣可以使相關知識和技能得到遷移，讓學生體驗了“發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→解決問題”的過程，并在體驗的過程中獲得研究問題的方法，逐步提高自己的能力。類似上述實驗的素材還有：能使帶火星的木條復燃的氣體一定是純氧嗎（能使帶火星的木條復燃的空氣中氧氣的體積分數(shù)的最小值），“燒不壞的手帕”實驗中手帕真的燒不壞嗎（酒精和水混合的比例范圍）等等。3.拓展相關化學原理，從推理的角度來設計

初中化學是一門基礎學科，所涉及的知識與原理本身有一個不斷完善的過程，由于學科的特點和學生知識水平的局限，對某些原理或現(xiàn)象只能先作原則性、一般性的解釋，甚至要先作為特例記住。但是

在教學過程中卻經(jīng)常遇到部分學有余力的同學提出“為什么”，或者在解決有關問題的過程中又必須告知學生，這時就需要以“查閱資料”的形式提供給學生，或者有意識地設計相關問題的推理性探究，滿足學生的求知欲望，培養(yǎng)學生邏輯推理和演繹推理的能力。[案例3]“有關燃燒條件的再探究”片段：

師：[問題1]將集氣瓶罩在蠟燭上，會觀察到什么現(xiàn)象呢？為什么？ 生：[實驗1] 蠟燭熄滅。[猜想]（1）瓶內(nèi)的氧氣耗盡了；（2）瓶內(nèi)二氧化碳濃度過高；（3）上述兩種猜想兼而有之。

師：[問題2]是不是瓶內(nèi)就真的沒有氧氣了呢？我們再用另一種物質(zhì)在里面燒燒看。

生：[實驗2]如圖1所示。[觀察現(xiàn)象]蠟燭熄滅，白磷燃燒并產(chǎn)生大量白煙。[討論交流] 燃燒不僅僅需要與氧氣接觸，還需要氧氣達到一定的濃度。

師：[問題3]集氣瓶內(nèi)剩余氣體主要有哪些呢？為什么氧氣被消耗了，而N2和CO2有剩余呢？ CO2是不是就真的沒有助燃性呢？ 生：[實驗3]如圖2所示。將打磨好的鎂條用坩堝鉗夾持，在酒精燈上引燃，迅速伸入盛有二氧化碳的集氣瓶中。[觀察現(xiàn)象] ①發(fā)出耀眼的白光，②瓶壁上附著有白色固體和黑色固體。

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設計這類推理性實驗探究課能拓展學生的知識面，但在設計時要充分

考慮學生的基礎，科學處理好相關內(nèi)容，巧妙隱藏有關結(jié)果，適當延伸學生的努力，給學生廣闊的發(fā)散思維空間和實踐機會，激發(fā)學生內(nèi)在的學習動機，讓學生成為“發(fā)現(xiàn)者”。類似上述問題的素材還有：Na2CO3溶液為什么顯堿性，鹽類溶液酸堿性的再探究，氣體溶解性與溶液酸堿度的關系，復分解反應條件的再探究等。4.分析未知物質(zhì)成分，從驗證的角度來設計

新課程對“常見物質(zhì)的檢驗”和“實驗方案及裝置的設計、改進和評價”的相關知識點在難度上有了明顯的降低，但在活度上卻有了顯著的提高，更加側(cè)重于運用所學的基本化學原理來解決實際生活中的問題，從而來評價學生解決實際問題的能力。教師可以將基本的知識和方法滲透到身邊的實際問題中，設計一些對物質(zhì)成分的探究性實驗，增強應用性、注重綜合性、體現(xiàn)開放性的原則，逐步培養(yǎng)學生的運用能力，讓學生由“學會化學、會學化學”到“理解化學、親近化學”，最終“懂得化學、鉆研化學”。

[案例4] “‘污漬爆炸鹽’成分的探究”片段：

師：[創(chuàng)設情境]介紹“爆炸鹽”。（展示圖片、實物、商品信息及相關資料）。

生：[觀察]獲取信息（圖3）：“爆炸鹽”的主要成分是過碳酸鈉（Na2CO4），俗稱“固體雙氧水”，白色結(jié)晶顆粒，其溶于水后，會產(chǎn)生一種碳酸鹽和另一種化合物。

師：[問題1]這種碳酸鹽和另一種化合物分別是什么呢？如何設計實驗來驗證？

生：[猜想與交流] 兩種物質(zhì)可能是碳酸鈉和過氧化氫。驗證碳酸鹽的試劑是稀鹽酸和澄清的石灰水，驗證過氧化氫的試劑是二氧化錳。[實驗]驗證碳酸鈉和過氧化氫的存在，并交流結(jié)果。

師：[問題2] 怎樣設計一套既能驗證過氧化氫，又能驗證碳酸鈉的實驗裝置。

生：[交流與討論] 如何來放置試劑和控制開關順序？（設計的裝置如圖4所示）

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對未知物成分的驗證性實驗探究首先要求學生熟悉常見物質(zhì)的檢驗原理，能排除對混合物中幾種成分檢驗時的干擾，同時還要求學生有優(yōu)先檢驗的技巧、間接檢驗的方法以及綜合分析問題的能力。教師在設計時要抓住主要問題，使探究的目標更明確，引導學生根據(jù)問題進行嘗試，通過驗證發(fā)現(xiàn)結(jié)果并形成報告，整個過程中更注重思維能力、綜合能力。類似上述問題的素材還有：體操運動員手上涂的“鎂

粉”的成分、制作糕點用的“膨化劑”的成分、“融雪劑（化冰鹽）”的成分、塑料袋的成分、熱水壺底水垢的成分等。5.優(yōu)化有關實驗方案，從定量的角度來設計

在科學實驗中經(jīng)常需要進行定量研究，實驗前要圍繞實驗目的進行思考：運用什么原理，需要測定的哪些數(shù)據(jù)，怎樣來測定這些數(shù)據(jù)，有哪些方法，哪些數(shù)據(jù)是有效的，測定的過程中可能有哪些因素干擾，怎樣避免干擾。教師把這些問題綜合起來，設計一些定量性實驗探究課，可培養(yǎng)學生開放性思維，使學生學會對所學的化學原理進行綜合應用。在搜集多種方案的過程中又培養(yǎng)了學生縝密的思維和實驗評價能力，學會分析誤差的原因并設計實驗來減少誤差，保證實驗數(shù)據(jù)的真實性。

[案例5] “工業(yè)純堿樣品中Na2CO3質(zhì)量分數(shù)的測定” 片段： 師：[問題1]工業(yè)純堿（只含Na2CO3和NaCl）樣品中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)如何測定？

生：[交流討論]

1、氣體分析法：將Na2CO3轉(zhuǎn)化為CO2，通過測定CO2的體積或質(zhì)量來推算；

2、沉淀分析法：將Na2CO3或NaCl轉(zhuǎn)化為沉淀，通過測定沉淀的質(zhì)量來推算。

師：[問題2]氣體分析法：如何測定CO2的體積或質(zhì)量？怎樣檢驗裝置的氣密性？分析實驗裝置是否存在缺陷？這些缺陷對實驗結(jié)果有何影響？

生：[交流討論]選用的裝置如圖5、6、7、8、9所示：

師： [問題3]沉淀分析法：所用藥品、操作步驟、誤差原因等。生：[交流討論]操作流程如圖10所示。討論下列問題：（1）沉淀A的化學式，溶液M中的溶質(zhì)的化學式；（2）確定CaCl2溶液是否過量的方法；（3）該固體混合物中Na2CO3的質(zhì)量分數(shù)的計算式；（4）導致測定的結(jié)果偏大的原因。

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這類對實驗方案再優(yōu)化而設計的實驗探究課，要求學生對涉及的化學原理要比較熟悉，實驗目的比較明確，學會運用“頭腦風暴”法搜集多種方案并進行評價和選優(yōu)。解決問題的過程中要結(jié)合實驗的情景，對測定的數(shù)據(jù)進行思考、分析，排找實驗不嚴密的部分并設法改進。類似上述問題的素材還有：測定變質(zhì)后的燒堿固體中NaOH的質(zhì)量分數(shù)，空氣中氧氣含量的再測定，測定Cu-Zn合金中Cu、Zn的含量，測定人呼出的氣體或竹節(jié)內(nèi)的氣體或魚鰾內(nèi)的氣體中氧氣的含量等。

三、教學反思

《課程標準》確立了初中化學教材的指導思想，闡述了其內(nèi)容要素、內(nèi)容框架、編寫思路，教師可以對照《課程標準》，從教材的整體體系上研究教學法，研究時應側(cè)重于如何解析教材思路、怎樣優(yōu)化教學思路以及怎樣確當?shù)貙滩淖鬟m度演繹。在設計探究性實驗課時，要將教學設計中的靜態(tài)構(gòu)成要素（教學內(nèi)容的確定、教學情境的設置）和動態(tài)構(gòu)成要素（教學活動的組織、學習過程的指導）有機結(jié)合起來。一方面要始終把握教學內(nèi)容這一“基本點”。內(nèi)容設置要基于教材、又適度高出教材，充分挖掘教材內(nèi)外打通的部分，但不能超出《課程標準》、超出學生已有的認知經(jīng)驗，讓學生能“發(fā)現(xiàn)類似”，避免將高中知識簡單地“下放”，加重學生的負擔。實踐中我們也會看到一些“雙超”的探究性實驗課的案例，使學生無法實現(xiàn)由已有的知識經(jīng)驗向面臨的新任務和預期的新能力遷移的過程，導致整節(jié)課的教學目標無法達成。

另一方面要凸顯教學過程這一“閃亮點”。以“有效”為標志，打造高效的課堂，實現(xiàn)“教師——教材——學生”三維的互動。這就需要精心預設問題，充分預見問題，遵循一定的邏輯思維規(guī)律，科學指導學生活動，促進學生在課堂上產(chǎn)生思維碰撞，在預設性問題中鞏固知識、提升能力，在生成性問題中拓展思維、挖掘潛能。

實踐中我們發(fā)現(xiàn)，教師的專業(yè)素養(yǎng)是影響探究性實驗課設計的至關重要的因素。在以學生活動為主體的探究性實驗課中，教師要為學生創(chuàng)設恰當?shù)乃季S空間、思維氛圍以及合理的思維長度，來實現(xiàn)師生共同發(fā)展的互動過程。這就需要教師有厚實的專業(yè)知識，在身邊配備必要的工具書，訂閱化學教育與教學方面的雜志，研究現(xiàn)代教學方法、教

學設計，了解相關學科的知識，熟悉和關注化學前沿知識、化學史的相關內(nèi)容，通過不斷學習和研究來鞏固自己的專業(yè)水平，豐富自己的知識面，提高自己的教學水平和藝術，做到“?！迸c“博”相統(tǒng)一，在此基礎上不斷設計出有創(chuàng)意、重能力、有思想的探究性實驗課。參考文獻：

[1]教育部.全日制義務教育化學課程標準(實驗稿)[M].北京:北京師范大學出版社,2001.[2]張健如.實施化學新課程的幾點思考.http://004km.cn/gonggao/ysb/01.ppt [3]吳國慶.化學創(chuàng)造性思維培養(yǎng)方略[M].?？?南方出版社.2001.[4]王后雄.中學化學新課程課堂教學設計[J].中學化學教學參考,2008（10）:12-15.[5]嚴濟良.新課程背景下化學探究教學的哲學思考[J].中學化學教學參考,2008（9）:3-4.[6]錢海如.初中化學實驗探究題的設計新視角[J].化學教學,2008（9）:10-14.(本文已經(jīng)發(fā)表在《化學教與學》2008年第24期

第三篇：改進與創(chuàng)新實驗設計要求

實驗五 改進與創(chuàng)新實驗設計要求

一、選題內(nèi)容

說明：實驗主要從以下提供的題目中選擇選題；如果自己有成熟的改進實驗方案，例如參加教學比賽已用過的改進實驗，如果設計比較巧妙也可以選用。二氧化碳性質(zhì)演示實驗改進

氫氣還原氧化銅改進實驗

碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應實驗的改進

原電池演示實驗裝置改進

氫氣爆鳴實驗的改進

粉塵爆炸實驗的改進

硝酸性質(zhì)演示實驗改進

二、實驗上課安排

1、實驗準備時必須查閱、參考有關的期刊文獻或網(wǎng)絡資料，自己設計的實驗方案要可行，并盡量有自己的創(chuàng)新點。

2、可4-6人自由組合為一個小組，選擇一個共同的實驗主題進行研究、改進。

3、在下次實驗上課時，先由每個小組派出代表，介紹本小組的設計方案，然后大家一起討論；全部小組討論結(jié)束后，進行實驗實施，若本次課未能完成實驗，將在下次實驗課（在“新型實驗技術的應用”實驗完成之后）繼續(xù)。

4、具體實驗設計的內(nèi)容和格式，請參照已下發(fā)的實驗講義。

5、往年的實驗改進案例，可參看附件。

6、實驗所需的生活材料，需要自備。

第四篇：初中生物幾例實驗設計的改進與創(chuàng)新

初中生物幾例實驗設計的改進與創(chuàng)新

?；袑W：楊勇

摘要：生物學是一門以實驗為基礎的科學，而實驗教學是初中生物學科教學的組成部分，是培養(yǎng)學-生實踐、創(chuàng)新能力及提高生物科學素養(yǎng)的重要途徑。對激發(fā)學生學習興趣，發(fā)展學生生物科學素養(yǎng)、形成學生科學探究能力非常重要。教師在生物實驗教學中加強改進與創(chuàng)新，充分挖掘和利用好現(xiàn)有各種有效資源，使實驗設計更加合理，步驟更加嚴謹，具有更好可操作性，可以彌補一些課本實驗設計的不足，便于學生更加直觀的理解課本知識，大大縮短了課堂演示和學生實驗的時間，使學生在有限的時間內(nèi)得到了最大的收獲，也更能有效地激發(fā)學生的學習興趣，提高學生科學探究和實驗水平，發(fā)展學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

關鍵詞：初中生物 實驗設計 改進與創(chuàng)新

生物學是一門以實驗為基礎的科學，科學探究貫穿了整個生物教學的全過程，它不僅僅是眾多的事實和理論的積累、再現(xiàn)，它也是一個學生不斷探究和成長的過程，而實驗教學是初中生物學科教學的組成部分，是培養(yǎng)學-生實踐、創(chuàng)新能力及提高生物科學素養(yǎng)的重要途徑。對激發(fā)學生學習興趣，發(fā)展學生生物科學素養(yǎng)、形成學生科學探究能力非常重要。然而，現(xiàn)行教材中的很多實驗由于實驗材料選擇不當、實驗方法不夠合理、使得一些實驗取材不方便，操作復雜，缺少應有科學嚴謹性，同時效果不明顯，不易觀察，從而使實驗教學難以取得預期的教學效果。因此，教師在生物實驗教學中加強改進與創(chuàng)新，充分挖掘和利用好現(xiàn)有各種有效資源，開展好每一個實驗的教學工作，可以彌補一些課本實驗設計的不足，能有效地激發(fā)學生的學習興趣，促進學生形成創(chuàng)新意識、發(fā)展創(chuàng)新能力和實踐能力。下面僅介紹新人教版初中生物教科書中幾例實驗的改進與創(chuàng)新。

一、實驗創(chuàng)新：

新人教版八年級生物《選擇健康的生活方式》，教材中設計了一個探究活動“酒精或煙草浸出液對水蚤心率的影響”，在本次探究活動中，雖然能夠說明酒精或煙草浸出液對心血管方面有一定危害，但還更加直觀的展現(xiàn)吸煙對人體肺部的具體影響，而教材中關吸煙危害人體健康的內(nèi)容只是提供了一些文字說明，如“香煙燃燒產(chǎn)生的煙霧中含有多種有害的化學物質(zhì)”等文字信息，學生閱讀后對吸煙的危害并沒有很深刻的印象，為了能讓學生對吸煙的危害感受更直觀、更深刻，在實際教學中我自創(chuàng)了如下實驗：

試驗設計：

1、材料：一個透明塑料軟管（剛好能插入一支香煙，一個注射器，棉花，香煙（帶過濾嘴和不帶過濾嘴的各一支）。

2、方法與步驟：

在本實驗中，用棉花模擬人的肺，用注射器模擬人吸食香煙。在塑料軟管的一端先插上一支不帶過濾嘴的香煙，另一端放入一團棉花，用注射器接在有棉花的一端拉動活塞模擬吸煙，為了不讓教室內(nèi)充滿煙霧，可將注射器吸來的煙霧吹入裝有水的燒杯中，減少香煙燃燒的煙霧對學生健康的危害。反復抽吸完以后，取出管里的棉花，會發(fā)現(xiàn)棉花變成黃色，從而證明香煙燃燒后產(chǎn)生的化學物質(zhì)會使肺發(fā)黃變黑，危害身體健康。接著改用有過濾嘴的香煙進進同樣的模擬實驗，得到相似的現(xiàn)象及結(jié)果，打破學生過濾嘴香煙沒有危害的錯誤認識。

二、實驗改進

實驗一：新人教版生物七年級下冊《食物中的營養(yǎng)物質(zhì)》中探究活動“測定某種食物中的能量”，其目的是通過水升高的溫度來計算出食物燃燒時放出的熱量。，（一）、教材的設計是：

1、取一只50ml錐形瓶，注入30ml水，固定在鐵架臺上。

2、在錐形瓶中放入一支溫度計。

3、稱出一粒干花生的質(zhì)量，將這粒花生點燃后盡快放到錐形瓶底部加熱，待花生完全燃燒后測量水溫。

（二）、存在的不足：

1、在本實驗中，錐形瓶未加瓶塞，易散熱；

2、錐形瓶較大，水較多，瓶體吸熱多，水濕變化不大，不易測量，誤差較大。

3、花生在敞開的環(huán)境中燃燒，熱損

失較多；

4、花生種子小，燃燒時放出的熱量本身就不多，同時解剖針穿插燃燒時易掉。

本實驗成功的關鍵是要盡量減少花生種子在燃燒是的熱量損失，而以上這些設計上的不足，則易使實驗過程中的熱損失過大，測量結(jié)果嚴重偏小，與課本參考數(shù)據(jù)相差較大，易給學生造成誤解。

（三）、改進：一支小試管，溫度計，硬紙盒（防風、減小空氣散熱），試管夾，廢石棉網(wǎng)（剪成長條形），核桃。實驗時，將一個長方形硬紙盒豎起，前面去掉一半，頂端開一個與小試管大小相似的圓孔，周圍穿幾個小洞，在小試管中注入10ml水，插入溫度計（玻璃泡在水的中部），用塞子固定，記下水的初溫，然后穿過圓孔，用試管夾固定在硬紙盒頂部，用天平稱出二分之一核桃仁，放在石棉網(wǎng)上，點燃后迅速放到小試管正下方，等核桃仁完全燃燒后記下水溫，利用課本上的計算方法進行計算。通過改進之后的實驗操作簡單，材料易得，效果明顯易觀察，且能最大限度的減少實驗過程各種熱量的損失，增加了實驗的準確性。

實驗二：新人教版生物七年級下冊《消化和吸收》中探究“饅頭在口腔中的變化” 在本實驗中，主要是通過三組對照實驗現(xiàn)象的觀察對比，分析說明饅頭在口腔中變甜是否與牙的咀嚼、舌的攪拌及唾液都有關系。

（一）、課本實驗設計：

1、等大新鮮饅頭塊A、B、C，A和B用刀細細切碎（模擬牙的咀嚼），C不作處理。

2、取唾液。

3、取三支潔凈的試管，編號1、2、3，1號管加入A饅頭碎屑和2ml唾液，充分攪拌；2號管加入B饅頭碎屑和2ml清水，充分攪拌；3號管加入C饅頭塊和2ml唾液，不攪拌；然后將三支試管一起放入37℃溫水中，10分鐘以后取出，滴一至二滴碘液，振蕩觀察各管中顏色的變化。

（二）、分析存在的不足：

1、每組學生所用的實驗器材老過多，不好操作，易損壞（每組至少用到三支大試管，兩個小燒杯，一個大燒杯，兩支滴管，一支溫度計等）。

2、實驗準備和操作時間過長，對于課時緊張的七年級生物來說是不利的（每組所用的器材多，且必須完成三組對照實驗，短時間內(nèi)難以完成）；

3、新鮮饅頭入水后易碎，1號管與3號管無法對照，效果不明顯，影響實驗結(jié)果。同時，本實驗最主要的不足就是由于實驗操作時間過長，對照不明顯，學生往往還等不到觀察實驗現(xiàn)象和分析實驗就已經(jīng)下課，實驗也就草草了事。

（三）、實驗的改進：居于以上情況，本實驗在實際教學中可作如下改進，大大減少實驗器材及損壞，節(jié)省時間，提高實驗的可操作性和可比性，提高課堂實驗教學的效率：

1、把學生分成三個大組，大組中再分成三個小組，每個大組負責完成一項操作，完成后三個大組間的小組再進行對照，這樣節(jié)省了三分之二的器材，有效減少器材的損壞，同時，學生操作簡單，取唾液的時間和操作時間也大為縮短，基本上在課堂上就能得出完整的結(jié)論。

2、1號管和2號管用新鮮的饅頭，3號管則用稍干一些，變硬了饅頭塊，這樣1號管和2號管中的饅頭屑會更細而3號管中的則不會散開，實驗現(xiàn)象明顯，有利于整個實驗的對照和分析，提高了實驗的準確性。

實驗三：新人教版生物七年級下冊《發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換》中的演示實驗“模擬膈肌運動”教材上是用大的玻璃罩代表胸廓，用氣球代表肺，在玻璃罩下蒙上一層橡皮膜代表膈，玻璃管模擬氣管和支氣管。演示時用手拉或者推橡皮膜，模擬膈肌的收縮與舒張，說明胸廓大小的變化及吸氣和呼氣動作。

（一）、存在的不足：用大的玻璃罩代表胸廓使用起來很不方便，較笨重，演示時橡皮膜易滑脫，且大玻璃罩、“Y”型管學校不一定有。

（二）、實驗的改進：用學生身過易得的生活材料來制作“膈肌模擬器”，變演示實驗為學生實驗更直觀、效果更好。

1、用廢棄的泡泡糖瓶來代表胸廓（瓶口有螺旋口便于捆扎，演示時氣球不易滑脫），在瓶底中部穿一個圓孔；

2、用稍大的飲料吸管制作“Y”管模擬氣管和支氣管，3、用一個蘿卜削成一個塞子，中間開孔，將做好的“Y”管兩枝扎上氣球后穿在蘿卜上，用一個大氣球剪去一部分模擬膈肌，照課本圖做成膈肌模擬器便可進行實驗操作了。在本實驗中，由于材料易得，制作、操作簡單，培養(yǎng)了學生的動手能力和實驗操作興趣，便于學生充分理解膈肌運動與肺的變化及呼吸的關系，增強的實驗教學效果。

實驗四：新人教版生物八年級上冊《陸地生活的動物》中“飼養(yǎng)和觀察蚯蚓”實驗的改進

（一）、教材中對實驗的設計是將蚯蚓放在糙紙上觀察它的運動及身體的變化，再將蚯蚓放在玻璃板上，觀察神經(jīng)質(zhì)運動及身體的變化，并與在糙紙上的運動做比較。目的是通過觀察蚯蚓在不同物體表面的運動及身體變化情況來認識蚯蚓剛毛在運動中的作用。

（二）、該設計中存在的問題（1）實驗結(jié)果與預期結(jié)果相反，蚯蚓在糙紙上的運動比在玻璃上慢，（糙紙較干，蚯蚓被粘在了紙上）。實驗步驟讓學生產(chǎn)生是不是蚯蚓在糙紙上運動累了？所以才比玻璃板上運動慢。（2）實驗中所用玻璃板干燥時，蚯蚓也可以在玻璃板上較快運動？

3、實驗過程中的兩次運動是分開來做，學生缺少對照，很難進行比較。從以情況來看，教材中的實驗設計簡單、步驟不夠嚴謹、實驗效果不好，甚至得出相反的結(jié)論，針對這些問題進行分析，對實驗進行了改進。

（三）、對實驗的改進：用玻璃條做兩個玻璃槽（可保證蚯蚓基本沿直線運動），在玻璃槽的一個外側(cè)面貼上自制標尺，一個玻璃槽的玻璃板上撒一層水，讓玻璃板表面形成一層水膜，才能保證玻璃板的光滑。讓蚯蚓先在撒水的玻璃內(nèi)上運動，通過標尺觀察并記錄一定時間內(nèi)蚯蚓運動的路程，再在另一個玻璃槽內(nèi)捕上一層糙紙，用水把紙充分打濕，讓蚯蚓在紙上運動，觀察并記錄其在相同的時間內(nèi)運動的路程，與在玻璃板的運動情況進行比較既可得出結(jié)論。改進之后，保證實驗中只有一個變量。玻璃槽上貼的標尺則有助于觀察比較蚯蚓的運動。同時改進后的實驗避免了實驗條件不統(tǒng)一；步驟不夠嚴謹，缺少對照等不足，使實驗更具可行性。

實驗五新人教版生物七年級上冊《綠色植物對有機物的利用》一節(jié)中的演示實驗“種子在萌發(fā)過程中產(chǎn)生二氧化碳?！痹搶嶒炇抢谩岸趸际钩吻迨宜儨啙帷钡男再|(zhì)，驗證萌發(fā)的種子在呼吸過程中產(chǎn)生了二氧化碳，實驗設計如右圖所示。

（一）、原實驗裝置的不足處：

1、器材較多，組裝復雜。

2、，實驗操作繁瑣。使用該裝置實驗時采用灌水排氣法，從漏斗灌入清水，漏斗中用棉花塞住也會有少量二氧化碳逸出，操作復雜，容易漏氣，也不夠嚴謹（用注水法促使二氧化碳從導管里排出，因為二氧化碳能溶于水，一體積的水就能溶解一體積的二氧化碳氣體。）從而降低了瓶內(nèi)二氧化碳的濃度。因此實驗效果不明顯。

4、該裝置不能連續(xù)使用，不能在短時間內(nèi)重復演示該實驗，無法保證平行班的開課。既增加了工作量又浪費了實驗材料。

3、沒有設置對照實驗，很難說明二氧化碳是萌發(fā)的種子產(chǎn)生的。也不能排出原有空氣中二氧化碳對實驗的影響。

（二）、實驗改進與操作：

1、實驗裝置的改進 ：只用兩個塑料注射液瓶子、兩根輸液管（帶針頭）、小燒杯，材料易得，制作過程簡單。

2、實驗操作

課前準備兩個250ml的塑料注射液瓶子，分別貼上標簽，1號瓶中裝入萌發(fā)的種子，2號瓶中裝入煮熟的種子以形成對照，用線拴好浸氫氧化鈉溶液的小棉球（吸收原有空氣中的二氧化碳，排出干擾）固定在蓋上，然后蓋住密封，將兩根須帶針頭的輸液管，剪去有進氣管的一端后分別插在1號瓶和2號瓶蓋上關緊密封開關、2-4小時后就可用時行演示實驗。

取兩個小燒杯，分別貼上標簽與瓶子對應，向兩只小燒杯中倒入適量的澄清石灰水。將1號瓶的輸液管插入對應的小燒杯，打開輸液管閥并擠壓塑料注射液瓶，觀察、記錄1號杯中澄清石灰水的變化；然后換用2號裝置進行同樣的操作并觀察、記錄，然后引導學生對照分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論——萌發(fā)的種子進行呼吸作用時產(chǎn)生了二氧化碳。

經(jīng)過改進之后實驗裝置簡單，氣密性好，實驗器材來源于生活、容易取得，組裝簡潔、易操作，使學生覺得生活中的許多物品都可用來做探究實驗。實驗操作很簡便，排出原有空氣中二氧化碳的干擾后實驗效果更明顯。同時設置了對照組更有利于學生理解呼吸作用產(chǎn)生了二氧化碳，實驗教學效果顯著，還以反復使用。

總之，生物學是一門以實驗為基礎的科學，而實驗教學是初中生物學科教學的組成部分，是培養(yǎng)學-生實踐、創(chuàng)新能力及提高生物科學素養(yǎng)的重要途徑。對激發(fā)學生學習興趣，發(fā)展學生生物科學素養(yǎng)、形成學生科學探究能力非常重要。教師在生物實驗教學中加強改進與創(chuàng)新，充分挖掘和利用好現(xiàn)有各種有效資源，開展好每一個實驗的教學工作，可以彌補一些課本實驗設計的不足，能有效地激發(fā)學生的學習興趣，促進學生形成創(chuàng)新意識、發(fā)展創(chuàng)新能力和實踐能力。

通過以上的以上幾例實驗設計經(jīng)過改進創(chuàng)新嘗試,使實驗設計更加合理，步驟更加嚴謹，更具可操作性，便于學生更加直觀的理解課本知識，大大縮短了課堂演示和學生實驗的時間，使學生在有限的時間內(nèi)得到了最大的收獲，它對促進學生全面發(fā)展、提高學生科學探究和實驗水平、培養(yǎng)學生能力等方面有著十分巨大的教學價值和潛在作用。

第五篇：實驗設計與分析讀書報告

實驗設計與分析讀書報告

[摘要]實驗設計與分析是用于經(jīng)濟地、科學地安排試驗的一項技術?！对囼炘O計與分析》是實驗設計與分析領域的名著，全書內(nèi)容廣泛，實例豐富。可作為自然科學研究人員、工程技術人員、管理人員進行科學實驗設計與分析的參考書，是產(chǎn)品設計和開發(fā)、工序設計和改進等方面非常實用的工具。

本文首先講述了實驗設計分析的原理、方法、特點、步驟以及實驗設計及統(tǒng)計分析的注意事項，然后介紹了幾種常用的實驗設計方法的原理、特點及用法，最后總結(jié)了學習《實驗設計與分析》后的一些心得體會。

[關鍵詞]：實驗設計與分析；正交實驗；穩(wěn)健設計；統(tǒng)計設計；響應變量；統(tǒng)計設計

目錄

1.2.引言...................................................................................................................................1 實驗設計與分析簡介.......................................................................................................1 2.1 什么是實驗設計...........................................................................................................1 2.2 發(fā)展歷史及分類...........................................................................................................2 2.3.實驗設計的目的.........................................................................................................2 2.4.基本原理.....................................................................................................................2 2.5.實驗設計實施的方法與步驟.....................................................................................3 2.6.實驗設計的應用.........................................................................................................3 2.7.注意事項.....................................................................................................................3 3.實驗設計方法介紹...........................................................................................................4 3.1 全面實驗.......................................................................................................................4 3.2 正交實驗.......................................................................................................................4

3.2.1 正交實驗的特點：...........................................................................................4 3.2.2 正交實驗的類型和分析方法...........................................................................4 3.2.3 實施正交實驗的基本步驟和方法...................................................................5 3.3 穩(wěn)健設計.......................................................................................................................5

3.3.1 穩(wěn)健設計的優(yōu)點...............................................................................................5 3.3.2 穩(wěn)健設計的實施步驟.......................................................................................5

結(jié)束語.............................................................................................................................................6 參考文獻.........................................................................................................................................6

1.引言

現(xiàn)代科技的發(fā)展離不開實驗分析，現(xiàn)代實驗不單是通過觀察現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)來驗證假設，更重要的是現(xiàn)代科技創(chuàng)新和發(fā)明的重要手段。所有理論分析不能解決的問題均可利用實驗的手段去摸索，特別是在工程領域內(nèi)?？蒲惺呛茏⒅貙嶋H應用效果，無論是對零件、部件和整機的結(jié)構(gòu)、性能研究，還是對新配方、新工藝的探索，實驗都是必須的手段。幾乎沒有一項應用研究成果是不需要實驗分析和實驗論證的。

如果要最有效地進行科學實驗，必須用科學方法來設計。所謂實驗的統(tǒng)計設計，就是設計實驗的過程，使得收集的數(shù)據(jù)適合于用統(tǒng)計方法分析，得出有效的和客觀的結(jié)論。如果想從數(shù)據(jù)作出有意義的結(jié)論，用統(tǒng)計方法作實驗設計是必要的。當問題涉及到受實驗誤差影響的數(shù)據(jù)時，只有統(tǒng)計方法才是客觀的分析方法。這樣一來，任一實驗問題就存在兩個方面：實驗的設計和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。這兩個課題是緊密相連的，因為分析方法直接依賴于所用的設計。實驗設計方法已在很多學科中得到廣泛的應用。

《實驗設計與分析》作為實驗設計與分析領域的名著，是作者在亞利桑那州立大學、華盛頓大學和佐治亞理工學院三所大學近40年實驗設計教學經(jīng)驗的基礎上編寫的。

全書內(nèi)容廣泛，包括實驗設計與分析的基本原理、特點、方法、發(fā)展及應用等，而且實例豐富，簡單比較實驗、析因設計、分式析因設計、擬合回歸模型、響應曲面方法和正交設計、穩(wěn)健參數(shù)設計和過程穩(wěn)健性研究、含隨機因子的實驗、嵌套設計和裂區(qū)設計等。

通過本書的學習讓我對實驗設計與分析有了更深入的了解，對設計實驗與分析的有了科學和系統(tǒng)的認識，明確了設計思路、方向，學習了多種實驗設計與分析方法，為以后科研實驗提供了極大的參考及指導作用。

2.實驗設計與分析簡介

2.1 什么是實驗設計

實驗是研究者實際上在各個研究領域進行的，通常是發(fā)現(xiàn)關于一個特定過程或系統(tǒng)的某些事情。一個實驗是一個試驗，一個設計的實驗是一個試驗或一系列試驗，它對一個過程或系統(tǒng)的輸入變量(人、機、料、法、環(huán))作一些有目的的改變，以使能夠觀察到和識別出引起輸出響應變化的緣由。

通常形象地將過程看作是人，機，料，法，環(huán)的一種組合，它把一些輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸粋€或多個可觀察的響應的一種輸出，過程的一些變量x1,x2,...Xn是可控制的，.過程的另一些變量z1,z2,...Zn是不可控制的，響應是可以觀察或測量的一個或多個的輸出。

2.2 發(fā)展歷史及分類

早期的實驗設計與分析法(ANOVA)于1920由英國生物統(tǒng)計學家、數(shù)學家費歇(RA Fisher)提出，F(xiàn)isher首先開發(fā)并應用了方差分析作為實驗設計中的統(tǒng)計分析基本方法，最初主要應用農(nóng)業(yè)、生物學、遺傳學等方面的研究。隨后英、美、蘇對之進行研究推廣到工業(yè)生產(chǎn)領域。

傳統(tǒng)的正交實驗(Orthogonal array)于1950由日本田口玄一(Taguchi)等創(chuàng)造，隨后迅速推廣到日本工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域，成為日本工商企業(yè)管理界人員必備的技術。

穩(wěn)健設計法(Robustness)于1970由日本田口玄一(Taguchi)等創(chuàng)造，穩(wěn)健設計是對傳統(tǒng)正交實驗的改進，最初主要應用于二戰(zhàn)之后的日本，隨后在日本，美國等國家的許多公司得到成功的應用和發(fā)展。

現(xiàn)代還出現(xiàn)了多元化的實驗方法，包括：殘差分析(Residual analysis)、應用回歸分析(Regression)、分式析因?qū)嶒?Fractional factorial design)、曲面響應和調(diào)優(yōu)運算(RSM & EVOT)等。

2.3.實驗設計的目的

1)確定哪些變量對響應輸出Y最有影響，即找出最顯著因素；

2)確定有影響的變量x設置在何處可使響應輸出Y幾乎總是接近所期望的額定值； 3)確定有影響的變量x設置在何處可使響應輸出Y的變異性較?。?4)確定有影響的變量x設置在何處使得不可控的變量z的效應最小。

2.4.基本原理

一種實驗要最有效地實行的話，必須用科學方法來設計實驗。所謂實驗的統(tǒng)計設計，就是設計實驗的過程，使得收集的數(shù)據(jù)適合于用統(tǒng)計方法分析，得出有效的和客觀的結(jié)論。如果想從數(shù)據(jù)作出有意義的結(jié)論，用統(tǒng)計方法做實驗設計是必要的。

實設計有三個基本原理：重復，隨機化和區(qū)組化。

1)重復即基本實驗的重復進行，它有兩條重要的性質(zhì)：第一，允許實驗者得到實驗

誤差的一個估計量；這個誤差的估量值成為確定數(shù)據(jù)的觀察差是否是統(tǒng)計上的實際差的基本度量單位。第二，如果用樣本均值作為實驗中一個因素的效應的估計量，則重復允許實驗者求得這一效應的更為精確的估計量。

2)隨機化是實驗設計使用統(tǒng)計方法的基石，所謂隨機化即實驗材料的分配和實驗進行的次序都是隨機地確定的，統(tǒng)計方法要求觀察值（或誤差）是獨立分布的隨機變量，有助于“平均出“可能出現(xiàn)的外來因素的效應。

3)區(qū)組化是用來提高實驗精確度的一種方法。一個區(qū)組是實驗材料的一個部分，相比于實驗材料的全體，它們本身的性質(zhì)應該更為類似。對實驗進行區(qū)組，有助于提高實驗的精確度。

2.5.實驗設計實施的方法與步驟

在設計和分析一個實驗時要使用統(tǒng)計方法的話，和實驗有關的每個人必須預先對所研究的問題究竟是什么，如何收集數(shù)據(jù)，要有清晰的認識，至少對如何分析這些數(shù)據(jù)要有定性的了解，推薦的實驗設計實施的方法與步驟如下：

1)問題的識別和問題的提法； 2)因素和水平的選擇； 3)響應變量的選擇； 4)實驗的設計的選擇； 5)進行實驗； 6)數(shù)據(jù)的分析； 7)結(jié)論和建議。

2.6.實驗設計的應用

實驗設計方法可以應用在很多領域中。實際上我們可以把實驗本身看作為科學方法的一部分，看作是探索系統(tǒng)或過程如何工作的一種途徑。

將實驗設計應用在工序的早期開發(fā)中，可以提高產(chǎn)量；可以減少變異性，與目標值更為一致；減少工序的開發(fā)時間；減少工序開發(fā)的總成本。

將實驗設計應用在開發(fā)新產(chǎn)品和改進老產(chǎn)品的工程設計活動中，使產(chǎn)品較容易制造；提高產(chǎn)品適應現(xiàn)場條件的性能；提高產(chǎn)品的可靠性；降低產(chǎn)品的成本；縮短產(chǎn)品設計和開發(fā)的時間。

2.7.注意事項

在工程、科學和工業(yè)中大多的研究工作都是以經(jīng)驗為根據(jù)的，并且廣泛使用實驗方法。統(tǒng)計方法大大提高了這些實驗的效率并經(jīng)常強化了由此得出的結(jié)論。在實驗方法中要明智的使用統(tǒng)計方法就要求實驗者在思想上牢記下列各點：

1)必需對所研究的問題非常熟悉，需要有豐富的實踐經(jīng)驗和扎實的理論知識； 2)使實驗和分析盡可能的簡單；

3)正確評價實際的顯著性和統(tǒng)計的顯著性之間的差別； 4)通過序貫迭代的方法進行安排實驗。

3.實驗設計方法介紹

實驗設計是影響研究成功與否最關鍵的一個環(huán)節(jié)，是提高實驗質(zhì)量的重要基礎。目前，已建立起許多實驗設計方法。前面已經(jīng)介紹了實驗設計方法的發(fā)展歷史，下面簡單介紹幾種具體的實驗設計方法。

3.1 全面實驗

所謂全面實驗，就是對影響響應輸出的各個因素的所有的可能的水平組合進行實驗。全面實驗的優(yōu)點：實驗數(shù)據(jù)充分全面。全面實驗的缺點：實驗次數(shù)太多；處理數(shù)據(jù)麻煩；浪費人力、物力；根本無法進行多因素，多水平的復雜實驗?；谏鲜鎏攸c全面實驗只實用于少因素、少水平的簡單實驗。為此，人們創(chuàng)造了正交實驗方法，用正交實驗方法來安排實驗會使實驗次數(shù)大大減少，而且統(tǒng)計分析的計算也變得非常簡單。

3.2 正交實驗

正交實驗設計法是研究與處理多因素實驗的一種科學方法。它利用一種規(guī)格化的表格—正交表，挑選實驗條件，安排實驗計劃和進行實驗，并通過較少次數(shù)的實驗，找出較好的生產(chǎn)條件，即最優(yōu)或較優(yōu)的實驗方案。3.2.1 正交實驗的特點

1)合理安排實驗，簡少實驗次數(shù)； 2)找出較好的實驗方案；

3)找出質(zhì)量指標與影響因素之間的關系； 4)找到進一步改進產(chǎn)品品質(zhì)的實驗方向； 5)減少人力，物力的支出； 6)簡化實驗數(shù)據(jù)分析的計算。

正因為用正交表安排實驗具有“均勻分散性”與“整齊可比性”這兩個特點，所以它能大大的減少實驗的次數(shù)，甚至比簡單地比較全面實驗結(jié)果有可能提供更多的信息。3.2.2 正交實驗的類型和分析方法

正交實驗類型包括下面幾種：單指標的正交實驗、多指標的正交實驗、水平數(shù)相同的正交實驗、混水平的正交實驗、有交互作用的正交實驗和帶重復實驗的正交實驗。

可以用直觀分析法、方差分析法和綜合評分法等不同的方法進行分析。

3.2.3 實施正交實驗的基本步驟和方法

1)明確實驗目的，確定考察的指標； 2)挑選因素，選水平，制定因素水平表； 3)選擇合適的正交表，進行表頭設計； 4)明確實驗方案，進行實驗，測定實驗結(jié)果；

5)對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得出因素的主次順序，確定最優(yōu)方案； 6)進行驗證實驗，作進一步分析。

3.3 穩(wěn)健設計

為了盡量降低誤差因素的作用，使實驗響應輸出因誤差因素變化而變化的敏感性最小，即使實驗響應輸出對誤差因素具有穩(wěn)健性，基于這種指導思想來進行的設計叫做穩(wěn)健設計。

穩(wěn)健設計的兩個主要工具是信噪比（信號功率/ 噪聲功率(Signal/Noise)）和正交表。用信噪比作為特征數(shù)來衡量質(zhì)量，用正交表合理安排實驗來選擇最佳的參數(shù)組合。所以從某種意義上說，穩(wěn)健設計就是信噪比的正交實驗。3.3.1 穩(wěn)健設計的優(yōu)點

1)使產(chǎn)品性能對原材料的改變不敏感，從而可以使用價錢便宜的原材料； 2)使產(chǎn)品性能對制造上的變差不敏感，從而降低加工成本； 3)使產(chǎn)品性能對環(huán)境的變差不敏感，從而降低操作成本。3.3.2 穩(wěn)健設計的實施步驟

1)確定主要功能，邊緣效果和失效的樣式；

2)識別噪聲因子，確定估算質(zhì)量損失的實驗條件，并做到對噪聲因子的靈敏度最小化；

3)根據(jù)具體問題確定質(zhì)量特征數(shù)和優(yōu)化的目標函數(shù)； 4)確定可控因子和它們的可選水平； 5)進行正交實驗設計； 6)進行實驗，收集實驗數(shù)據(jù)；

7)進行數(shù)據(jù)分析，確定可控因子的最適當水平； 8)進行核實實驗，并計劃進一步的工作。

結(jié)束語

通過對書本的學習，我們能有效的掌握各種實驗設計與分析的方法步驟，能夠應用到不同的場合解決各種問題。在今后的科研工作中，為了提高實驗質(zhì)量，就要確保實驗設計實現(xiàn)如下指標：

第一是明確衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標，這個質(zhì)量指標必須是能夠量化的指標，在實驗設計中稱為實驗指標，也稱為響應變量(response variable）或輸出變量。

第二是尋找影響實驗指標的可能因素（factor)，也稱為影響因子和輸入變量。因素變化的各種狀態(tài)稱為水平，要求根據(jù)專業(yè)知識初步確定因素水平的范圍。

第三是根據(jù)實際問題，選擇適用的實驗設計方法。實驗設計的方法有很多，每種方法都有不同的適用條件，選擇了適用的方法就可以事半而功倍，選擇的方法不正確或者根本沒有進行有效的實驗設計就會事倍而功半。

第四是科學地分析實驗結(jié)果，包括對數(shù)據(jù)的直觀分析、方差分析、回歸分析等多種統(tǒng)計分析方法。

但是，沒有一種“放之四海而皆準”的問題解決方案，實驗設計同樣不能提供解決所有問題的途徑，要全面考慮解決問題的方式，選取最有效、最經(jīng)濟的解決途徑。即使決定采用實驗設計，也不能生搬硬套地使用書本上的“實驗設計步驟”。跟據(jù)實際情況和要求，有時可以省去其中的某幾步，有時還會在同一個項目中重復循環(huán)地跳幾輪；除了實驗設計涉及的因素外，要盡量確保所有的環(huán)境因素是穩(wěn)定和符合現(xiàn)實的。如果條件所限，如果做不到這一點，不妨可以用隨機化、區(qū)組化、仿行等方法來盡量避免；保證實驗的仿真性，避免一些理想的實驗環(huán)境，比如實驗室；不要一味地排斥實驗設計執(zhí)行之前的歷史數(shù)據(jù)。相反，適當?shù)乩闷髽I(yè)信息化的成果，從ERP、MES中的海量數(shù)據(jù)中進行“數(shù)據(jù)挖掘”，很可能會減少實驗投資，細化因素水平的選取。這也是當前實驗設計應用領域中的新趨勢之一；為了保險起見，在得到最終的最佳參數(shù)水平組合后，還要進行一些驗證實驗來檢驗結(jié)果，實在沒有條件實施驗證實驗的，也要通過模型的“模擬仿真”來完成這個工作。

工欲善其事，必先利其器。為了提高實驗設計的效率和解決問題的成功率，設計者自身也應加強相關知識學習，增加實驗設計經(jīng)驗積累，提高自身素質(zhì)水平。

參考文獻

[1] Douglas C.Montgomery.譯著.傅玨生，張健，王振羽，解燕.實驗設計與分析.人民郵電出版社，2009.10.[2] 蘇均和.試驗設計.上海財經(jīng)大學出版社，2005:98-118.