不同變項名稱的混淆

 

不同變項名稱的混淆

有關實驗中使用不同變項名稱的混淆

這些混淆沿於中文譯名不是那麼統一，不同的科目也採用了不同的譯名。

以下也祇是列出常用的:

變項 = 變數 = 變量

Independent variable = 自變項 = 獨(立)變項 = 實驗變項

  - 即進行實驗時由使用者改變的變項，亦即是實驗要研究的改變。
  - 一般一個實驗祇有一個自變項。
  - 一般位於 X 軸。

Dependent variable = 依變項 = 應變項 = 處理變項

  - 根據自變項改變而發生變化的變項。
  - 一般來說，即是進行實驗時會量度或觀察的實驗數據。
  - 一般位於 Y 軸。

control variable = 控制變項

  - 進行實驗時，實驗者應設法保持的不同的因素，以便實驗中祇有一個因素(即自變項)在改變中，以便能作出準確的結論。

留意: 假如有2個或以上變項改變，日常生活可能會推出以下結論:

A或 B會引致...變化。

但於科學研究時，以上的結論是沒有意義的，不準確的! 凡可能引致誤解的語句都是不適合的!

你試想想: A 或 B 會引致 C 的意思是甚麼?
A 會引致 C ?
B 會引致 C ?
A + B 才會引致 C ?

有關實驗設計的考慮

 以下內容是有關如何設計實驗的。

 

用以下實驗來做例子:

實驗目的: 找出光強度與光合作用速率的關係

 

假說是甚麼?

 

- 這實驗不需要解釋甚麼現象，因此沒有假說。

留意: 假設光強度與光合作用速率有關，不是假設或假說來的! 這是本來這實驗要研究的內容。

 

沒有假說，便沒有預測。

 

但自變項(自變量)及依變項(因變量)必定有的。

 

實驗設計的目的是要使用甚麼方法(即如何提供自變量及量度甚麼因變量)，來達致實驗原來的目的。因此跟實驗目的有很大關係。這實驗的目的是: 找出光強度與光合作用速率的關係。

 

研究的因素是光強度，研究的對象是光合作用速率，因此

1. 自變項(自變量)是光強度，是進行實驗時操控的變項。(實驗者改變的項目)

2. 依變項(因變量)是光合作用速率，是實驗中要量度的變項。

 

實驗設計原理，寫的便是如何提供自變項及量度依變項，以能準確達到實驗的目的。

 

但提供不同方法時，有些方法很直接，無需多作解釋，別人也清楚及認同。但有些方法則未必，別人可能不太清楚為何這些方法代表相關的變項。

 

自變量(自變項)是甚麼?

 

例如以上光強度這個自變項，要如何提供不同的光強度呢? 以下是可能有的幾種的方法:

1. 直接調節燈光的亮度。(如可以的話)

2. 找不同數目的半透光物料遮蓋燈泡。(例如用紗布或半透光紙)

3. 燈泡與植物不同的距離。

4. 用數量不同的燈泡。

5. 其他....

 

以上的方法都能提供不同的光強度，有些很直接(例如直接調節光亮度)，有些不太直接(例如距離)，有些別人可能覺得操作不易準確量化(例如用不同數量物料遮蓋燈泡)，有些則可能不太明白跟光強度的關係是甚麼(例如距離，距離跟光強度有甚麼關係)?

 

無論選擇以上甚麼方法(或其他方法)，都需要解釋你選擇的方法為何可準確代表光強度? 如不可以準確代表的話，假設是甚麼? (留意，不太準確不代表不可以使用!)有些方法太直接，才可能不需要解釋。

 

當然，有時別人是否看得明白，也要看看報告者的認知水平。所以如何撰寫這部份許多時也要視乎看報告的人是甚麼。

 

不過，DSE的實驗報告，你要假設看報告者是一般人，所以如不是太直接的方法的話，都要解釋清楚。

 

有些同學可能覺得，每個實驗，不是應該有一個標準唯一的最佳方法嗎?

 

其實真的沒有唯一方法的，因為選擇哪些方法，會考慮有多項因素，包括:

1. 準確度(即能否達到實驗的目的)

2. 操作(是否容易安裝)

3. 費用

4. 所需時間

 

以上各項因素中，準確度當然是最重要的! 但也不是唯一，每個實驗設計要求的最低準確度也是不同的，並不是愈高愈好的。

 

科學家進行實驗，最理想的是以最快的時間，用最少的價錢，完成別人接受的準確度便可以。畢竟同一個實驗研究，於全世界可能有很多人同時進行的!

 

因變量(依變項)是甚麼?

 

至於光合作用速率，也可以有多個方法量度。基本上，所有量度化學反應速率，都有以下方法可量度，包括:

1. 產生產物的速率(在光合作用中，應是食物或氧氣的產生速率)

2. 原料的消耗速率(在光合作用中，應是二氧化碳或水)

3. 吸收能量的速率(在光合作用中，應是吸收光能的速率)

 

以上的祇是基本策略而已，實際選擇甚麼要視乎可行性，哪些更準確?

 

其實，量度光合作用速率更複雜，試想想，如何量度以上的參數變化速率? 假設你選擇了氧氣的產生速率，你要解釋，為何選擇氧氣產生速率，而不是其他變項? 再者，氧氣產生速率也未算很具體的! 如何量度? 量度氣泡產生速率抑或氣體體積的變化速率? 分別有甚麼優缺點?

 

還有，如選擇氧氣產生速率的話，有沒有想過，其實這不是真正的光合作用速率來的，因為氧氣會被植物細胞利用，進行呼吸作用，因此其實是低估了的。哪有沒有更準確的方法? 如果沒有的話，我們便可能需要做一些假設，例如植物消耗氧氣的速率是恆定的(如何知道? 其實不可能知道的)，如不恆定的話，我們便無法準確掌握光合作用速率的變化。

 

看到這裡，同學明白甚麼是「假設」嗎? 設定甚麼假設，跟實驗設計有很大關係! 例如這例子，如不選用氧氣產生速率的話，根本便不需要假設植物消耗速率是恆定的。

 

至於控制變項是甚麼?

 

這跟實驗目的有關，這實驗要研究光強度對光合作用速率的影響。那自然除了光強度之外，任何可能影響光合作用速率的因素皆要保持恆定! 這些便是控制變項。留意，不是把所有環境因素(例如相關濕度、氣壓等等)都列作控制變項，因為有些環境因素跟光合作用速率是無關的。

 

我們應該儘可能保持控制變項不變，如無法做到的話，那便需要做些假設(假設不變)或索性放棄這實驗設計。

 

看到這裡，同學是否覺得，實驗設計未必是一件簡單的工作! 其實是需要創意的，好的科學家會想出一些既準確、容易操作、成本低、實驗需時短的設計。

 

撰寫實驗設計原理示例(2): 把白花染成一半紅、一半白的原理

注意: 請先閱讀以下文章，因不會重複相關的說明。

(1) 如何撰寫實驗設計原理

(2) 實驗原理撰寫例子(1)氣泡蒸騰計量度蒸騰速率(失水速率)的原理

把白花染成一半紅、一半白的實驗設計原理


建議答法:
- 當水分自白色花瓣表面散失時(1分)
- 水會因為蒸騰牽引力的關係，由底部向上移動(1分)
- 水分的移動主要透過莖花朵枝條內的特定中空直向的管道(木質部組織)運輸，(1分)
- 速率較透過組織快(1分)
- 如花朵枝條底部被切開兩半，分別置於不同溶液時，紅色溶液及清水的話，(1分)
- 由於紅色染料溶於水，不同溶液及內裡的溶解分子及水分，便會各自主要沿枝條內部，於兩方向上運輸(1分)
- 到達頂部花瓣時，溶液內紅色染料分子便會擴散至其他位置，使花瓣呈一半紅、一半白的狀態。(1分)

根據以上撰寫的原理，你可以推論以下問題的答案嗎?
1. 如何令染花速率最快?
2. 如最後無法把花染色的話，有甚麼可能出現的地方?
3. 如最後整朵花也染成紅色的話，是甚麼原因?

實驗原理撰寫例子(1)氣泡蒸騰計量度蒸騰速率(失水速率)的原理

氣泡蒸騰計量度的實際並不是失水速率，而是吸水率。因此，屬於間接量度依變項的變化，有必要詳細說明這間接方法如何跟失水速率的關係。(因為其他人未必認同這間接方法的準確性)


可能答案(1):(評分見底部)

- 由於植物吸收水分後大部份經蒸騰作用散失，因此氣泡蒸騰計可用來量度蒸騰速率。

建議答案
(1)當植物透過葉片散失水分時(代表失水速率，亦即是真正的蒸騰速率)，由於蒸騰牽引力的關係，水分會沿植物莖部的木質部向上運輸。(1分)
(2)由於水分子之間拉力的關係，蒸騰計內的水分會進入莖底部的木質導管內。(1分)
(3)氣泡計內的氣泡會隨水流移動方向作出相應速率的移動。(1分)
因此，量度氣泡移動速率可作為植物失水的指標。

根據以上的寫法，假如實驗結果不符預期的話，你應可更容易檢測出可能出錯的地方。例如
根據第(1)句: 水分並沒有向上運輸。(木質部栓塞?)
根據第(2)句: 水分並沒有進入莖底部(栓塞?)
根據第(3)句: 氣泡不隨水流移動(太大?)

你會發現，詳細的實驗設計原理會涉及其他知識:包括物理、化學等，這是為何撰寫實驗設計原理困難的原因。

不同的實驗設計會有不同的誤差(尤其是間接提供或量度的)，以這實驗為例:
可能問題包括
1. 氣泡的大小會否影響隨水流動的速率?
2. 氣泡體積會隨時間發生變化嗎?
3. 氣泡移動速率(吸水率)與失水率之間的關係?

以上的問題會涉及有否需要作些實驗設計的假設。如以上的因素皆有影響的話，實驗的準確度便會減弱。如影響太大的話，這個實驗設計便是不良的，應放棄! 如估計影響不是很大的話，實驗仍會進行，但應列出你的假設，讓其他人知道。(因為其他人未必認為影響可以不理會的)


由於以上的問題而需要制定的假設可以是  
1. 吸水率與失水率成正比。
2. 實驗進行期間，氣泡體積減少速率很慢。

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可能答案(1)的評分數:
 1 分，來自有說明失水與吸水的關係
或

 0 分，由於沒有提及氣泡，不像回答這問題!

如何推論實驗結論(draw conclusion)?

推論實驗結論可能是既容易、又可能是很困難的能力，許多人都經常出錯! 

因為這涉及極嚴密的科學邏輯思維過程，一般人日常生活時根本不會以這方式思考問題。

要明白如何作出科學實驗的結論，你必須緊記以下數項:

1. 涉及的科學實驗類型屬需要進行假說(hypothesis)的實驗

        - 即是涉及解釋現象的實驗，而不是觀察不同因素之間關係的實驗

2. 假說中祇應涉及一項因素(即自變項)

        - 涉及兩項因素的話，科學上是無法作出作何有意義的結論的。

3. 作出假說(hypothesis)後，跟著會作出一些實驗的預測(prediction)

        - 預測不是估計! 不是亂猜結果! 預測亦不是預計的結果。

        - 預測是用來方便出作結論。

4. 假如結果符合預測的話，我們會推出結論(這結論挺容易列出! 根本就是把假說重寫一次，在前面加「證實」兩字便可以。

5. 假如結果不符合預測的話，可能有兩個可能性:

  (1) 實驗沒有出錯的話，結論一樣容易撰寫，在原假說前面加上「不」字便可以，嚴格來說，應加「不能證明」，而不是「不」。不過在中學階段，許多時候會簡化用「不」字，因為對許多同學來說，無法理解「不」與「不能證明」。例如:你覺得以下兩句有分別嗎?

        種子萌發不需要光

        無法證明種子萌發需要光

  (2) 如檢視後發覺實驗設計或操作出錯，便沒有任何結論可言!

         - 但中學生的實驗報告中經常列出許多誤差及錯誤，但最後又有實驗結論! 實際操作時根本不會發生。坦白說，真正做科學研究的人，如發現實驗出錯的話，根本連實驗報告也不會公開!

重要提示: 還有一項非常重要，科學的結論一定要非常準確，不會有多於一項可能性，才是標準的科學結論。

以下是標準的科學結論的流程:

結果(1)------>結論(1) (沒可能有多於一個結論。即使有，那是由結論(1)再引申出來的)

以下的狀況不可能發生於真正的科學實驗:

結果(2)，結論可能是(3)，可能是(4)，可能是(5)…..

你說，可能連進行實驗的你，也無法羅列所有可能性，你的所謂結論又有多準確?

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我們用以下的例子來作說明。

 如果祇希望理解以下題目的答案的話，你可以祇閱讀針對這題目的解說便可以，但如想清楚了解同類型題目(即是科學研究步驟)，你有需要閱讀以下的詳細解說。

以下的實驗研究的是光對洋葱萌發的影響。

假說是: 洋葱萌發需要光 (注意，祇有一項，水分不是研究因素，因兩者皆有水分)

預測是:

假如洋葱萌發需要光的話，

有光供應的洋葱便會萌發，而沒有光供應的洋葱便沒有萌發。

結果符合預期話的話，結論便是洋葱萌發需要光;

結果不符合預期的話，結論便是洋葱萌發不需要光(嚴格來說是無法證明洋葱萌發需要光!)

根據以上的說明，你能否知道以下兩題目的答案?

1. 若一星期後兩個燒杯內的洋葱萌發，你可得出甚麼結論?

A.      洋葱萌發不需要光。

B.      洋葱萌發不需要水。

C.      洋葱萌發不需要水或光。

D.     沒有結論。

答案是B。答案很明顯，因為不符合預期。

2. 若一星期後兩個燒杯內的洋葱均沒有萌發，你可得出甚麼結論?

A.          洋葱萌發不需要光。

B.          洋葱萌發不需要水。

C.          除光及水外，洋葱的萌發還需要其他因素。

D.         沒有結論。

答案是 D。留意，以上的預測根本沒有題目所說的狀況(即沒有兩者皆沒有萌發這預測)，所以很簡單，答案就是沒有結論!

簡單的解釋如下:

以上的結果(即兩者皆沒有萌發)，根本連洋葱萌發是否需要光也無法證明，因此選項C的寫法本身便是錯的，因選項C是假如光是其中一項萌發所需因素。

複雜的解釋如下:

你是否仍在疑惑，為何會沒有結論呢? 你會不會想，任何結果總應該有個結論才對? 是不是?

以上不是曾說，假如有許多可能性的話，於科學實驗結論上來說，那是沒有意義的! 

說回以上的實驗，假如結果是兩者皆不會萌發，你覺得可列出多少可能性?

1. 除光及水之外，還有其他因素(題目的選項之一)

2. 其實以上的實驗根本便無法證明洋葱萌發需要光(因為洋葱沒有萌發，沒有符合預期)

3. 可能水不足夠

4. 可能洋葱死亡了

5. 可能實驗時的溫度太低了(較列出其他因素佳)

6. …..

注意:

1. 科學的結論是用來讓其他科學家作為進行跟進實驗的依據，這麼多可能性的所謂結論，對科學家而言是沒有任何意義的。

2. 還有一項，科學結論從來都沒有「不」這個字的，嚴格來說真的祇有「無法證明」。科學實驗永遠無法百分百證明不存在的事實。舉個例，有關禽流感人傳人的研究，你會聽到真正科學家表達的時候，祇有以下兩個情況:

   (a) 已證實禽流感人傳人  或

   (b) 無法證實禽流感人傳人

        很不幸，一般人聽到「無法證實禽流感人傳人」這句話的時候皆會非常困擾，要求科學家說清楚指的是禽流感是不是已人傳人(是或不是)

 看不明白?你需要進行多些練習才容易掌握，畢竟對中學生而言，進行的實驗不多，以上的說明是有點抽象。憑抽象的概念進行推論，是個不簡單的過程。在大學修讀研究院的學生倒是天天也在做實驗，才能真正掌握!

如何撰寫實驗結果的結論

其實撰寫實驗結論較想像中容易，但許多同學因為習慣了把書本內的資料當作答案，反而導致出錯!

撰寫實驗結論，根本不用參考任何書本，祇需要看清楚實驗結果便可以!

當然，如實驗結果表達得模糊不清的話，便無法有效撰寫正確的結論。

簡單而言，撰寫結論(draw conclusion)祇是根據實驗結果而作出的推理而已。

已知: 葡萄糖 + 氧 ---> 二氧化碳 + 水

試看看以下實驗結果:

組	裝置	結果
A	葡萄糖液 + 酵母菌(yeast)	有氣泡(bubble), 令石灰水(lime water)變混濁
B	葡萄糖液 + 已煮沸酵母菌	沒氣泡，石灰水保持清晰
C	葡萄糖液 + 水	沒氣泡，石灰水保持清晰
D	水 + 酵母菌	沒氣泡，石灰水保持清晰

根據以上的實驗結果，以下哪些是正確的結論?

1.      葡萄糖液加酵母菌會產生氣泡。

2.      葡萄糖液加酵母菌會產生二氧化碳。

3.      葡萄糖不會自然地產生二氧化碳。

4.      活的酵母菌可令葡萄糖產生二氧化碳。

5.      活的酵母菌內含有一些物質，可令葡萄糖產生二氧化碳。

6.      活的酵母菌內含有酶(enzyme)，可令葡萄糖產生二氧化碳。

未說明答案前，你必需清楚:

(1)   單獨一組實驗結果，是無法作出任何結論的!

(2)   於科學探究上，兩組實驗結果中，裝置必需祇有一項差異，而結果不一樣，才能作出有意義的推論。

(3)   已知的知識不可當作推論。

以上各項「答案」如下:

1.      葡萄糖液加酵母菌會產生氣泡。

錯! 這句祇是把結果重寫一次。

2.      葡萄糖液加酵母菌會產生二氧化碳。

錯! 這句跟上一句差不多，氣泡可令石灰水變得混濁，證明是二氧化碳，是已知的知識。

3.      葡萄糖不會自然地產生二氧化碳。

錯! 這句是根據C組結果而來，屬對照裝置，證明葡萄糖液不會自然地產生二氧化碳。

4.      活的酵母菌可令葡萄糖產生二氧化碳。

對，根據A組及C組結果而推論出來的。

5.      活的酵母菌內含有一些物質，可令葡萄糖產生二氧化碳。

對，根據A組及C組結果而推論出來的，可進一步推論活酵母菌內含有一些物質，因為裝置內並沒有其他物質。但無法肯定是否酶!

6.      活的酵母菌內含有酶(enzyme)，可令葡萄糖產生二氧化碳。

對。但這是根據A組及B組結果而推論出來的。因為已知催化劑祇有兩種，一種是生物催化劑(酶)，一種是化學催化劑。溫度愈高，化學催化劑反應愈快; 相反，溫度太高的話，生物催化劑反而活性下降了。

 

你現在明白如何撰寫實驗結論嗎?