化学科研方法及实践.docx
《化学科研方法及实践.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学科研方法及实践.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
化学科研方法及实践
化学科研方法及实践
科学研究就是运用科学的理论和方法，探索自然和社会的客观规律的活动过程。
它表明以下三层含义：
1、科学研究的目的在于探索规律，发现事物的真相或本质，以便预见并改造现实。
2、科学研究依靠的是科学的理论与方法。
3、科学研究是一种探索性的活动，是一个动态的过程。
根据研究对象的不同，科学研究分为教育科学研究和其它领域的科学研究。
所谓教育科研是研究者借助教育理论以有价值的教育现象为研究对象，运用相应的科研方法，进行有目的、有计划地探索教育规律的创造性认识活动。
自然科学研究是以物质自然界为研究对象。
社会科学研究是以社会现象和社会发展规律为研究对象。
第一章化学教育科学研究方法
第一节教育科研概述
一、教育科研的含义和特征
二、教育科研的内容
三、教育科研的一般过程
1、课题选择
2、进行研究设计
3、实施研究方案。
4、实验成果的总结
第二节化学教育科研课题的选定
一、化学教育科研课题的主要来源
二、教育科研选题的原则
1、价值性原则
2、科学性原则
3、创新性原则
4、可行性原则
三、教育科研选题的基本程序
1、产生研究意向，提出初选课题
2、明确研究目标，确定科研选题
3、对选定的课题进行论证
第三节化学教育科学研究的设计
一、教育科学研究设计的分类和模式
1、研究设计的分类
2、研究设计的主要模式
（1）阶梯式研究模式（图1）
定量研究中往往按照—定的前后步骤逐步地进行研究。
在定量研究设计中．通常采用的是一种线性结构，上一级的工作必须在下一级的工作完成以后才能进行。
图1图2
（2）探究循环设计模式（图2）
定性研究者认为，研究的各部分之间的关系不是一种线性关系，而是一个循环往复、不断演进的过程。
研究中的每一次工作都不可能一次完成。
因此研究的过程是一个探究循环过程。
二、教育科学研究设计的一般内容
1、根据研究对象和研究目的确定研究方法
2、选择研究对象——确定研究对象的数量
3、分析研究变量
4、确定研究任务
5、制定研究进度
6、确定预期成果
三、教育科学研究计划的制定
1、研究计划的内容：
2、教育实验研究计划格式
第四节实验研究法
一、教育实验研究的基本构成要素
1．自变量，也称刺激变量，是由研究者主动操纵而变化的变量，是能独立地变化并引起因变量变化的条件、因素。
在实验过程中，自变量作为一种假定的原因变量，是由实验者主动地、有计划地、有目的地操纵的。
2．因变量，也称反应变量，是由自变量的变化引起被试行为或者有关因素、特征的相应反应的变量。
它是研究中需要观察的指标，具有一定的可测性。
3．无关变量，也称控制变量，是与特定研究目标无关的非研究变量。
它在研究结果中会对研究结果产生影响，必须在研究过程中严格加以控制
二、教育实验的类型
1、探索性实验与验证性实验
2、单因子实验与多因子实验
单因子实验是指同一个实验中研究者只操纵一个自变量的实验。
多因子实验是指同一个实验中需要操纵两个或两个以上的自变量的实验。
3、教育实验法一般分为3种：
单组法。
就一个组或班进行实验﹐看施加某一实验因子与不施加实验因子或在不同时期施加另一实验因子﹐在效果上有何不同。
等组法。
就各方面情况相等的两个班或组﹐分别施以不同的实验因子﹐再来比较其效果。
循环法。
把几个不同的实验因子﹐按照预定的排列次序﹐分别施加在几个不同的班或组﹐然后把每个因子的几次效果加在一起﹐进行比较。
三、教育实验法的实施步骤
1．实验的准备阶段
2．实验的实施阶段
3．实验结果的总结评价阶段
第二章化学实验科研方法
第一节实验设计
一、实验设计的类型
1、演示实验
2、验证实验
3、比较实验
4、优化实验
5、探索实验
二、实验设计的要素与原则
1、实验设计的三要素
（1）实验因素
（2）实验单元
（3）实验效应
2、实验设计的四个原则
（1）随机化原则
（2）重复原则
三、多因素优化实验设计方法
在生产过程或某项实验中，影响实验指标的因素通常是很多的，要全面实验工作量很大，甚至是不可能的，因此首先需要从众多的影响因素中挑选出少数几个主要的影响因素，找出最优的实验条件。
因素轮换法
因素轮换法的想法是：
每次实验中只变化一个因素的水平，其它因素的水平保持固定不变，希望逐一地把每个因素对实验指标的影响摸清，分别找到每个因素的最优水平，最终找到全部因素的最优实验方案。
实例：
为了提高某化工产品的转化率，选择3个因素进行实验，反应温度A，反应时间B，用碱量C，并确定了它们的实验范围：
A：
80℃~90℃B：
90分~150分C：
5%~7%
实验中要考察的条件称为因素，如反应温度、反应时间、用碱量。
每个因素在其实验范围内取的实验点称为该因素的水平。
对因素A，在实验范围内选了3个实验点80℃，85℃，90℃，A取了3个水平。
如果实验中，每个因素取3个水平：
A：
80℃，85℃，90℃
B：
90分，120分，150分
C：
5%，6%，7%
其中A的3个水平分别用A1、A2、A3表示。
B和C类似。
首先定B和C于B1、C1，让A变化。
A1
B1C1A2
A3
实验结果以A3为最好，然后固定A和C于A3、C1，让B变化。
B1
A3C1B2
B3
实验结果以B2为最好，然后固定A和B于A3、B2，让C变化。
C1
A3B2C2
C3
结果以C2为最好。
于是选得了较优的工艺条件A3B2C2
因素轮换法有缺陷，只适合于因素间没有交互作用的情况。
当因素间存在交互作用时，实验的结果受起始点的影响，如果起始点选得不好，就可能得不到好的实验结果，实验结果也难以做深入的统计分析，是一种低效的实验方法。
实验点比较集中，实验结果的代表性稍差。
但是因素轮换法方法简单，具有以下优点，目前被实验人员广泛采用。
（1）从实验次数看，总实验次数最多是各因素水平数之和。
（2）在实验指标不能量化时也可以使用。
（3）属于爬山实验法，每次定出一个因素的最优水平后就会使实验指标更提高一步，离最优实验目标更接近一步。
（4）因素水平数可以不同。
假设有A，B，C三个因素，水平数分别为3，3，4，选择A，B两因素的2水平为起点。
C1
A2B2C2C2为最好
C3
C4
B1
A2C2B2
B3B3为做好
A1A1为做好
B3C2A2
A3
最优实验条件为A1B3C2
正交实验设计
一、正交表和正交性
（1）正交表的构造
正交表是按正交性排列好的用于安排多因素实验的表格。
正交表的一般记法为Ln（ap），其中p是表的列数，n是表的行数，表中的数字都是由1到a这a个整数构成。
L9（34）正交表
列号
实验号
1
2
3
4
1
1
1
1
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2
1
2
3
5
2
2
3
1
6
2
3
1
2
7
3
1
3
2
8
3
2
1
3
9
3
3
2
1
用L9（34）正交表安排实验最多可以安排4个因素，每个因素取3个水平，需要做9次实验。
（2）正交性
正交表的列之间具有正交性，正交性具体表现在两个方面：
（a）均匀分散性。
在正交表的每一列中，不同数字出现的次数相等。
（b）整齐可比性。
对于正交表的任意两列，将同一行的两个数字看作有序数对，每种数对出现的次数是相等的。
得到一张正交表后，可以通过三个初等变换得到一系列与它等价的正交表：
（a）正交表的任意两列之间可以相互交换，这使得因素可以自由安排在正交表的各列上。
（b）正交表的任意两行列之间可以相互交换，这使得实验的顺序可以自由选择。
（c）正交表的每一列中不同数字之间可以任意交换，称为水平置换。
这使得因素的水平可以自由安排。
二、正交实验设计
（1）用正交表安排实验
实例：
为了提高某化工产品的转化率，选择3个因素进行实验，反应温度A，反应时间B，用碱量C，并确定了它们的实验范围：
A：
80℃~90℃B：
90分~150分C：
5%~7%
每个因素在其实验范围内取3个水平进行实验，得到因素与水平表。
因素与水平表
水平
因素
A反应温度/℃
B反应时间/min
C用碱量
1
A1=80
B1=90
C1=5%
2
A2=85
B2=120
C2=6%
3
A3=90
B3=150
C3=7%
用L9（34）正交表来安排实验方案，具体步骤如下：
（1）把因素温度A、时间B、用碱量C放到L9（34）的任意3列的表头上。
（2）把A、B、C对应3列的“1”“2”“3”翻译成具体的水平，如下表所示。
列号
实验号
1
2
3
4
1
1
1
1
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2
1
2
3
5
2
2
3
1
6
2
3
1
2
7
3
1
3
2
8
3
2
1
3
9
3
3
2
1
用L9（34）正交表来安排实验
列号
因素
实验号
1
2
3
A反应温度/℃
B反应时间/min
C用碱量
1
1（80）
1（90）
1（5%）
2
1
2（120）
2（6%）
3
1
3（150）
3（7%）
4
2（85）
1
2
5
2
2
3
6
2
3
1
7
3（90）
1
3
8
3
2
1
9
3
3
2
三、实验结果的直观分析
实验结果直观分析表
实验号
因素
实验结果y转化率/%
A反应温度/℃
B反应时间/min
C用碱量
1
1（80）
1（90）
1（5%）
31
2
1
2（120）
2（6%）
54
3
1
3（150）
3（7%）
38
4
2（85）
1
2
53
5
2
2
3
49
6
2
3
1
42
7
3（90）
1
3
57
8
3
2
1
62
9
3
3
2
64
K1
123
141
135
K2
144
165
171
K3
183
144
144
k1
41
47
45
k2
48
55
57
k3
61
48
48
R
20
8
12
数据分析和结论：
本例中的实验指标是转化率。
用上表的实验方案进行实验后，测得了9个转化率。
通过9个数据可以分析下面的问题：
（a）找出最好的工艺条件，即优选最佳水平组合。
表中K1，K2和K3这三行数据分别是各因素同一水平结果之和。
例如：
K1A=y1+y2+y3=31+54+38=123
K2B=y2+y5+y8=54+49+62=165
K3C=y3+y5+y7=38+49+57=144
然后对K1，K2和K3这三行数据分别除以3，得到3行新的数据k1、k2和k3，表示各因素在每一水平下的平均转化率。
这时可以从理论上计算出最优方案为A3B2C2，也就是用各因素平均回收率最高的水平组合的方案。
（b）分析因素的主次
分析极差R，确定各因素的重要程度。
极差R是k1、k2和k3各列3个数据的极差，即最大数减去最小数。
A因素的极差最大，表明A因素对回收率的影响程度最大。
B因素的极差最小，表明B因素对回收率的影响程度小。
C因素的极差居中，表明C因素对回收率有一定的影响，但影响程度不大。
可以得出主次关系为：
主次
温度用碱量反应时间
（c）画趋势图
以k1、k2、k3为纵坐标，对A、B、C分别作图得出转化率与三因素的关系图。
由图可以得出如下结论：
（1）反应温度越高越好，因而有必要进一步实验反应温度是否应该再增高。
（2）反应时间以120分钟转化率最高。
（3）用碱量以6%时转化率最高。
综合起来以A3B2C2最好
四、验证实验：
用实验验证理论最优方案。
总结：
（1）因素指标必须量化
（2）因素水平数相同
（3）适合于因素间有交互作用的情况
（4）实验点均匀分散
（5）确定主次因素
（6）综合比较的设计思想：
在B、C变动的情况下变动A，在A、C变动的情况下变动B，在A、B变动的情况下变动C
第三章研究论文和研究报告的撰写
研究论文的撰写
一、教育科研论文的基本结构与写作要求
—篇规范、完整的研究论文有以下几个组成部分：
1、题目。
2、摘要和关键词。
一般3000字以上的论文都要做一个200字一300字的内容摘要，以便读者迅速了解全文概要大义，以确定其有无阅读的价值。
摘要是论文不加注释和评论的简短陈述，重在把文章讨论的主要问题、取得的主要成果和作者的主要观点作简练明晰的交代，而不要加以叙述解释或自我评价，也要避免与正文相关内容的重复和雷同。
在摘要下面陈列文章的关键词。
关键词是为了便于文献索引的制作而从论文中选出的最核心的专业性概念或词语，用分号隔开．不要力求连贯起来表达一个完整的意义，也不必考虑语法结构。
通常一篇论文要求3—5个关键词．主要来源于论文题目或摘要．也可从论文内容中提取，按照重要程度依次排放。
摘要和关键词均用小于正文的字号打印置于文题下端。
3、绪论。
写在正文之前用于说明写作的目的、意义、背景、缘由和研究方法、路途等。
其中，提出问题是绪论的核心部分，体现全文的基本价值。
要求开宗明义、简明扼要、先声夺人。
切忌空泛含糊、言过其实、冗言套话。
4、本论（正文）。
本论也称正文，是文章的躯干和主体部分，旨在展开课题、提出论点、表达作者研究成果、进行系统论说。
5、结论。
结论往往是对本论的综合，是论证得出的基本结果或课题解决的答案，是将研究成果进行更高层次的精确概括与提炼，应写得简明扼要、精练得当，不可草草收兵或画蛇添足。
6、注释。
论文写作一般要引用相关的文献或别人的研究成果、观点。
若引用的是原话，要加引号的圈注。
如果引的是原意，则用冒号而不加引号。
引文注释一般有三种方式：
夹注：
即在文内用括号将其出处或转引处置于引文后面。
脚注：
亦称页下注，将引文出处置于当页正文下方，用序号排列，用细线与正文隔开。
尾注：
亦称文尾注．将引文出处按统一序号编排后置于全文最后部分。
注释的规范要求是：
（1）刘苏玲、苏正旺：
《中小学校体罚现象的调查与研究），《中国教育学刊》，1997（3）。
引自期刊：
序号作者：
《题名》，《刊名》xxxx年第x期
引自专著：
序号作者《书名》，第x页，出版社及版次。
引自报纸：
序号作者：
（报纸名》年一月一日（版次），
7、参考文献。
在正文或在注释后面，一般还应列出论文撰写过程中主要参考了哪些著作文献。
二、科学论文的的基本结构与写作要求
1、题目：
由尽可能简练的几个表达文章核心内容的关键词组成，一般不超过20个字。
不能使用不常见的缩写词、符号，尽可能不出现化学式。
2、摘要和关键词
摘要：
以提供论文内容的梗概为目的，是反映文章核心内容的一篇独立完整的短文。
包括研究的目的、方法、结果和结论（在理论、方法上的创新或改进）。
3、引言：
包括研究对象的科学价值、简述国内外对该研究的历史、现状、主要成就、存在问题和难点、研究工作的目的和主要内容
4、正文
正文一般包括：
原理、材料、方法、结果和讨论等五项内容，也可将原理省略，或将几项合并。
具体安排，应视论文的内容、作者的写作风期刊的风格而定。
研究报告的撰写
教育研究报告的基本结构与写作要求
1、教育调查报告。
教育调查报告反映的是一个从提出问题、调查研究问题到分析解决问题的过程，其构成部分包括：
（1）题目。
用一句话反映出研究对象、范围和研究方法、问题，也可加副标题，如《九年制义务教育小学教材在贫闲地区使用情况的调查研究报告》。
（2）引言（前言）。
阐述调查问题的缘起、背景，调查的筹备过程，国内外的研究动态和进行调查研究的价值与意义；交待调查的目的、意义、时间、地点、范围及抽样方法，调查的内容、方式和结果处理的方法等。
（3）正文。
把调查所获得的大量材料经过分析整理，归纳出若干项目或主题，分别通过文字、数据、图表、文献叙述揭示出来，做到数据确凿、事件典型、材料可靠、主次分明、先后有序。
（4）结论与建议。
在对整个调查内容进行科学的定量与定性分析的基础上，概括出事物的内在联系和规律，找到问题的症结与关键，并提出新助理论解释、溶决问题新的方案和建议，做到严肃审慎、持之有据、论从实出，不能轻率地下结论、提建议。
（5）附录。
必要时将调查工具或部分原始材料如调查表格、原始数据、研究记录等附录在后，这便于读者或编辑审稿人员鉴定调查材料和调查方法的真实性、科学性，也可供其他研究人员参考。
2、教育实验报告。
教育实验报告是以简约、概括、明确的文字和符号对教育实验研究进行的全面总结和报告。
（1）题目部分。
包括文题、署名、摘要和关键词。
实验报告的题目一般直接采用研究课题的名称，指明探讨研究的主要变量或变量之间的相关，表达既要简洁明了，又要严密准确。
如《学生识字量与语文学业成绩的相关研究》等。
文题下端应署真实性名和单位，既是为了表示负责，也便于同行联系和交流。
如作者有两人以上，应按对课题研究的贡献大小顺序排列。
如实验为集体成果，可署集体名称或课题组，并用“x”号在该页下端作题注说明。
摘要和关键词的写作同研究论文的相应格式和要求。
（2）前言部分。
包括陈述课题：
说明所研究课题的由来、理论背景、研究主旨和要义，一般可用“本研究的目的是揭示……之间的相关程度”等一、二句话即可。
综述文献：
提供本课题的研究背景动态和进展情况，确立研究的起点和基础。
陈述假设应给变量下操作定义：
这是将实验设计和方案中拟定好的并在实验中照此操作的研究假设（变量问的关系）和主要变量的界定在此作出交代，以便读者准确理解、防止歧义。
另外，还要简述本研究的目的、意义和价值。
（3）方法部分。
介绍研究所采用的方法、材料以及过程以提供足够的研究细节供同行重复研究和专家验证评估。
包括被试的数量、年龄、特征，选取被试的原则、方法和理由，实验材料、工具的来源、数量、规格、测定指标等，实验的设计与操作，如何操纵实验变量、测验反应变量和控制干扰变量等，实验的程序、步骤和时间
和选择，如何收集实验资料及数据处理的方法要求等。
（4）结果部分。
这是实验报告的核心部分。
一般用叙述性文字和表格、图解来陈述实验的结果。
这其中除必要的文字描述外，还可采用图表的形式。
图表有着信息量大、简洁直观的优点。
目前比较流行的是三线表。
在此基础上应对假设检验结果作出描述或检验，将定性与定量分析相结合，但不宜掺入研究者的主观评价或议论，而只是客观地描述事实与数据，运用统计法进行检验。
（5）讨论部分。
本部分是研究者对与研究结果有关的问题进行分析讨论，阐述自己的观点，构建新的理论框架，因而是实验报告的难点部分，主观性、创造性很强。
要讨论的一般包括研究假设与实验结果的关系，说明研究结果是否支持研究假设，并分桥其原因、阐述实验结果的意义与价值，藉以将结果纳入某种理论体系或构建一种新的理论。
同时也要指出本课题研究存在的局限、不完善之处和尚需解决的问题，提出进一步研究的路径和方向。
（6）结论部分。
这是作者对研究结果作出的推论，是对结果进行的致因分析和意义解释。
要求结论的作出必须建立在事实基础之上，客观地反映研究结果，结论的适用范围血与取样范围一致而个能无限制地推广。
结论的文字应简要明确、以少胜多、结构严谨。
另外，实验报告与一般的研究论文和报告一样，也应在结尾部分按通行格式附上参考文献和附录。
升级会员 