一般的实验可分为探究式实验和验证式实验,探究式实验和验证式实验的关系类似于定性分析和定量分析。对于同一个课题,往往需要先进行探究式实验,确定好方向后进行理论分析,接着进行验证式实验来检验理论。因此,一定程度上的区别对待两种实验是有所必要的。
探究式实验往往以预实验的形式出现。在研究一课题时,预实验很重要,但似乎总是被人忽略,以致被当作流程而已。其实预实验的重要性体现在对整体研究方向的决定作用,从整体流程上来看,预实验是对整个课题的定性分析,后续的理论分析及实验验证都可作为定量研究,而定性分析一般会对整体研究起着决定性作用,方向的选择往往是最难的,定量分析一般是按照已有的理论套路一步步化归,因大多数人看不见方向选择的重要性而选择对定性分析的轻视。因此在这里个人认为预实验要多尝试,很多时候会因为自己以为的“简单计算”而选择忽视很多可能性。
对于探究式实验,首先是根据已有的信息来构想模型,构建模型也可以分开层次。首先往往是构想数学模型,使用较为抽象的数学概念来描述;接着考虑物理方面的因素,通过加入物理概念来构建出物理模型;然后可以再使用数学工具、思维工具来进行合理化检验;最后结合现状进行可行性检验。在构建模型的过程中可以使用一些思维工具来创造出不同的模型方法。
构建模型之后,开始依据模型来搭建实验装置,考虑到所做的实验的复杂性和创新性,自己所需的完整版实验装置往往是不存在的。因此常常需要自己搭建一个全新的实验装置。在此个人认为最好不要幻想一次性成功搭建完美精密的装置,搭建实验装置过程中的试错成本和多次迭代是非常重要且必要的。一般地,实验装置的落脚点是电磁启动且运行,但这总是非常困难,有可能花费了大量时间也没成功搭建成功,所以个人认为最好从手动运行的装置搭建起步。首先可以制造较为粗糙的装置以产生实验现象,以后在此装置上不断加以改进。毕竟任何事物的发展都是渐变的,从 0 到 1,遍历各个数后到达 100,才更符合一般的前进历程。
购买器材时,往往找不到自己所需的器件,定制器材就变得有所必要。3D打印的器材固然可以打印出所构想的各种模型,而且性价比高,但很多时候精度并不能满足自己那么高的需求;CNC 加工精度固然高,但价钱也随之而高。除此之外,木板加工、亚克力板加工都是不错的选择。
得到器材后器材的连接也是一个问题,联轴器、轴承、螺丝等是常规的选择,但往往规格问题非常的突出且麻烦。每次网购器材连接器件前都最好考虑周全,因为每次遗漏都会导致实验计划的推迟。
搭建实验装置完成并得到所构想的实验现象后,先不要做实验并记录数据,而是要初步定性的分析实验现象,可能需要很多的实验现象分析来定性验证理论或记录个别数据并分析可能造成误差的种种原因,以便后续实验的进行。定性分析后可根据理论来不断完善实验装置。完善实验装置时尽量朝着电磁启动且运行的方向努力。
对于验证式实验,不断地细微改善实验装置及相关方法是必要的,记录数据后处理数据又是一个比较复杂的问题。大多数的处理仅仅是拟合曲线并计算R^2,但良好的处理方法还需要误差分析并计算不确定度及精度,画出误差棒。
实验过程中,循序渐进是一个重要的思想,充分体现出渐变的核心。不应总是仰望星空以致不能脚踏实地,要接受自己的现状并合理预估自己的发展历程,一步步地前进。其次还要注意物理与数学的结合,数学是内在框架结构,而点明这结构需要物理概念及定律。二者的相辅相成才能建构出物理大厦。
在整个实验阶段,最高的境界是以科学哲学为研究纲领,以物理思想为指导方针,纵使现在的水平还不足以掌握科学哲学研究纲领,但还是要以一些物理思想为中心,在研究中体现出各种思想闪光点。
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