第1部分第1部分，共2部分：设计一个科学合理的实验

1. 1选择一个特定的主题。其结果导致科学范式彻底转变的实验非常罕见。绝大多数实验都回答一些小而具体的问题。科学知识是建立在无数实验数据的积累之上的。选择一个主题或一个未回答的问题，范围很小，可以测试。要想获得想法，请查找当前科学文献中的空白。例如，如果你想做一个农业肥料的实验，不要试图回答这个问题，“哪种肥料最适合种植植物？”世界上有许多不同类型的肥料和许多不同种类的植物——一个实验也不能得出普遍的结论。一个更好的设计实验的问题是“肥料中的氮浓度能生产出最大的玉米作物？”现代科学知识非常非常广泛。如果你打算做严肃的科学研究，在你开始计划实验之前就要对你的课题进行广泛的研究。过去的实验是否回答了你希望实验研究的问题？如果是的话，有没有办法调整你的话题，从而解决现有研究没有回答的问题？

2. 2分离变量。好的科学实验测试特定的、可测量的参数，称为变量。一般来说，科学家对他测试的变量的一系列值进行实验。在进行实验时，一个重要的问题是只调整你测试的特定变量（而不是其他变量）例如，在我们的肥料实验中，我们的科学家将在土壤中种植多种玉米作物，并补充不同氮浓度的肥料。他会给每种玉米作物施肥量完全相同。他会确保所用肥料的化学成分除了氮的浓度外，不会在某些方面有所不同——例如，他不会在他的一种玉米作物上使用镁浓度更高的肥料。他还将在试验的每一次复制中，在同一时间、同一类型的土壤中种植完全相同数量和种类的玉米作物。

3. 3做出假设。假设本质上是对实验结果的预测。这不应该是一个盲目的猜测——好的假设是由你在选择实验主题时进行的背景研究和/或你在实验室中可能已经生成的初步数据提供的。你的假设基于你所在领域的同行进行的类似实验的结果，或者，如果你正在解决一个没有得到很好研究的问题，那么就基于你能找到的文献研究和记录观察的任何组合。记住，尽管你做了最好的研究工作，但你的假设很可能没有得到你的结果的支持——在这种情况下，你仍然扩展了你的知识，证明了你的预测是不正确的。通常，一个假设被表达为一个数量陈述句。假设还考虑了测量实验参数的方式。对于我们的肥料例子，一个很好的假设是：“每蒲式耳添加1磅氮的玉米作物比添加不同氮的同等玉米作物产量更大。”

4. 4规划数据收集。事先知道何时收集数据以及将收集什么样的数据。在设定的时间或在其他情况下，定期测量这些数据。例如，在我们的肥料试验中，我们将测量玉米作物在设定的生长期后的重量（以千克为单位）。我们将其与每种作物所用肥料的氮含量进行比较。对于其他实验（比如测量某个变量随时间变化的实验），有必要定期收集数据。时间安排非常重要，所以尽可能地坚持你的计划。这样，如果你看到结果发生了变化，你就可以排除不同的时间限制是变化的原因。事先制作一个数据表是一个好主意——在记录数据值时，只需将数据值插入表中即可。了解因变量和自变量之间的差异。自变量是你改变的变量，因变量是受自变量影响的变量。在我们的例子中，“氮含量”是自变量，“产量（kg）”是因变量。随着时间的推移，这两个变量的列都会在基本表中出现。

5. 5.有条不紊地进行实验。运行你的实验，测试你的变量。这几乎总是需要你对多个变量值进行多次实验。在我们的肥料示例中，我们将种植多种相同的玉米作物，并用含有不同数量氮的肥料进行补充。一般来说，收集的数据范围越广越好。尽可能多地记录数据。好的实验设计结合了所谓的控制。你的一个实验复制品不应该包含你测试的变量。在我们的肥料示例中，我们将包括一种玉米作物，它接受的肥料中不含氮。这将是我们的控制——这将是我们衡量其他玉米作物生长的基准。在实验中遵守与危险材料或工艺相关的所有安全措施。

6. 6收集数据。如果可能的话，直接将数据记录到表中，这样可以省去以后重新输入和合并数据的麻烦。知道如何评估数据中的异常值。如果可以的话，可视化地表示数据总是一个好主意。在图表上绘制数据点，并用最佳拟合的直线或曲线表示趋势。这将帮助您（以及任何看到图表的人）可视化数据中的模式。对于大多数基础实验，自变量表示在水平x轴上，因变量表示在垂直y轴上。

7. 7分析数据并得出结论。你的假设正确吗？数据中是否有可观察到的趋势？您是否遇到任何意外数据？您是否有任何未回答的问题，这些问题可能构成未来实验的基础？在评估结果时，试着回答这些问题。如果你的数据没有给你的假设一个明确的“是”或“否”，考虑运行额外的实验试验和收集更多的数据，或写你的结果与未来的方向进行额外的研究。为了分享你的研究结果，写一篇综合性的科学论文。了解如何撰写科学论文是一项有用的技能——大多数新研究的结果必须按照特定的格式撰写和发表，通常由相关同行评审学术期刊的风格指南决定。

第2部分第2部分，共2部分：运行示例实验

1. 1选择一个主题并定义变量。在本例中，我们将选择一个简单的小规模实验。在我们的实验中，我们将测试不同的气溶胶燃料对土豆枪射程的影响。在这种情况下，我们使用的气溶胶燃料类型是自变量（我们改变的变量），而射弹的射程是因变量。这个实验需要考虑的是，有没有办法确保每颗马铃薯弹丸都有同样的重量？有没有办法为每次点火提供相同数量的气溶胶燃料？这两种情况都可能影响枪支的射程。预先称量每个弹丸的重量，并用等量的气溶胶喷雾为每个弹丸加油。

2. 2做出假设。如果我们正在测试发胶、烹饪喷雾和喷漆，假设发胶中的气溶胶推进剂丁烷含量高于其他喷雾。因为我们知道丁烷是易燃的，所以我们可以假设发胶在点燃时会产生更大的推进力，从而使土豆弹飞得更远。我们的假设是：“发胶中气雾剂推进剂的丁烷含量越高，发射重量在250-300克之间的土豆弹时，平均会产生更长的射程。”

3. 3提前组织数据收集。在我们的实验中，我们将对每种气溶胶燃料进行10次测试，并对结果取平均值。我们还将测试一种不含丁烷的气溶胶燃料作为实验对照。为了准备，我们将组装我们的土豆炮，测试它以确保其工作，购买我们的喷雾器，雕刻和称重我们的土豆弹丸。让我们提前创建数据表。我们将有五个垂直列：最左边的列将标记为“试用”本栏中的单元格仅包含数字1-10，表示每次尝试射击。以下四列将标记我们在实验中使用的气溶胶喷雾的名称。每个列标题下的十个单元格将包含每次射击尝试的射程（以米为单位）。在每种燃料的四列下方，留出一个空间来写下范围的平均值。

4. 4.进行实验。我们将使用每种气溶胶喷雾来发射十枚射弹，使用相同数量的气溶胶喷雾来发射每枚射弹。每次发射后，我们都会用一个长卷尺测量弹丸的射程。在数据表中记录这些数据。和许多实验一样，我们的实验也有一些安全问题需要观察。我们使用的气溶胶燃料是易燃的——我们应该确保安全地关闭土豆枪的点火帽，并在点燃燃料时戴上重手套。为了避免射弹造成意外伤害，我们还应该确保我们（以及任何观察者）站在枪的侧面，而不是在枪的前面或后面。

5. 5.分析数据。比如说，我们发现，平均而言，发胶对土豆的喷射最远，但烹饪喷雾更稳定。我们可以直观地表示这些数据。用条形图表示每种燃料的平均射程是一个好方法，而散点图或方框图则是显示每种燃料射程变化的一个好方法。

6. 6.做出结论。反思你的实验结果，并提供任何支持性的统计数据。根据我们的数据，我们可以自信地说我们的假设是正确的。我们也可以说，我们发现了一些我们没有预料到的东西——烹饪喷雾产生了最一致的结果。我们可以报告我们遇到的任何问题或混乱——比如说，喷漆的油漆在土豆加农炮的发射室内堆积起来，使重复发射变得困难。最后，我们可以推荐进一步研究的领域——例如，如果燃料量更大，我们可以实现更大的射程。我们甚至可以以科学论文的形式与世界分享我们的结果——鉴于我们实验的主题，以三重科学展览的形式展示这些信息可能更合适。

• 科学是关于提出重大问题的。不要害怕选择一个你以前没看过的话题。
• 玩得开心，保持安全。
• 在高级科学中，除非数据至少可重复3次，否则大多数数据不会被使用。