# 实验设计与流程

> IB 化学 SL · IB 化学 SL
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u7-experimental-design-and-procedure/

本亚主题涵盖IB化学SL中设计有效、可靠实验的核心原则。你将学习定义变量、规划流程、处理误差，这对第三卷考试和内部评估都至关重要。

**先修:** [化学中的基础测量与不确定度](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-measurement-and-uncertainty/)

## 学习目标

- 识别有效实验设计的核心组成部分
- 区分自变量、因变量和控制变量
- 概述IB化学常见实验合适的可重复流程
- 识别并分类实验流程中的误差来源

## 变量与实验有效性

所有有效实验都会检验两个核心变量之间的因果关系，同时保持所有其他因素恒定，以分离出待检验的效应。IB考官和IA审核员要求在所有设计题中清晰、正确识别所有变量类型。

**实验变量类型** — 有效实验需要三种核心变量类型：自变量（由实验者操纵）、因变量（为检验关系而测量）、控制变量（保持恒定以避免结果混淆）。

*例:* 当检验温度对反应速率的影响时，温度是自变量，速率是因变量，反应物浓度/体积是控制变量。

**例题:** 一名学生计划探究酸浓度对碳酸钙与过量盐酸反应生成CO₂体积的影响，识别该实验的三类变量。

1. 步骤1：识别由实验者故意改变的变量：
2. 自变量：盐酸浓度
3. 步骤2：识别为观察改变带来的效应而测量的变量：
4. 因变量：生成的CO₂气体总体积
5. 步骤3：列出所有可能影响结果、必须保持恒定的变量：
6. 控制变量：碳酸钙的质量/表面积、反应温度、酸溶液总体积

## 规划有效、可重复的实验流程

为IB设计实验流程时，你需要概述清晰的分步说明，确保另一位化学家可以完全复制。流程必须包含重复以保证可靠性、合适的测量工具，并明确控制所有恒定变量。

> **tip**
>
> 每个自变量水平都必须至少包含3-5次重复。这样你就可以计算可靠的平均值，并识别异常结果。

**例题:** 概述一个使用气体收集法检验HCl浓度对其与镁反应速率影响的实验流程。

1. 步骤1：配制5种不同浓度的HCl，浓度范围为$0.5\terxt{mol dm}^{-3}$至$2.5\terxt{mol dm}^{-3}$，每次实验保持溶液总体积恒定为$50\terxt{cm}^3$。
2. 步骤2：裁剪15块相同的镁带（每块0.05g，表面积相等），以控制该变量。
3. 步骤3：将一块镁加入第一份酸溶液，立即启动秒表，在排水法中用倒置滴定管收集H₂气体。
4. 步骤4：记录收集$20\terxt{cm}^3$ H₂气体所需的时间，然后对该浓度重复实验2次。
5. 步骤5：对所有5种浓度重复完整流程，然后计算每种浓度的平均速率（$\text{rate} = 20\terxt{cm}^3 / \text{mean time}$）。

## 识别与处理实验误差

所有实验都存在误差，IB要求你区分随机误差和系统误差，然后提出针对性改进以降低其影响。这是第三卷的常见考题，也是IA评估的核心要求。

**随机误差与系统误差** — 随机误差导致测量值在真实值附近产生不可预测的波动，降低精密度。系统误差是所有测量值都存在的恒定偏差，使结果向同一方向偏移，降低准确度。

*例:* 随机误差：从滴定管读取气体体积的不确定度。系统误差：天平未正确调零，所有测量结果都比真实值高0.02g。

**例题:** 一名学生使用未加盖的聚苯乙烯杯测量中和焓，得到的结果比文献值低。识别误差类型并提出改进方案。

1. 步骤1：识别恒定误差的来源：反应过程中热量散失到环境中，因此所有温度测量值都低于真实值。
2. 步骤2：分类误差：这是系统误差，因为它使所有结果向同一方向偏移（温度变化更小 = 焓变绝对值更低）。
3. 步骤3：提出针对性改进：给杯子添加隔热盖以减少热量散失到空气中，或在杯子周围添加额外泡沫隔热层以减少热传递。

## 解读IB考试实验设计题

**考试命令词**

IB化学对设计题使用常用指令词，有明确的评分要求：

- **Design an experiment** — 概述完整流程、所有变量和测量方法 *(在第三卷中占4-6分)*

- **Identify variables** — 说出自变量、因变量以及2-3个相关控制变量 *(每个正确变量得1分)*

- **Suggest an improvement** — 提出与所述误差相关的具体改变 *(模糊答案不得分)*

**概念自测**

检验你对指令词要求的理解：

1. 当题目要求你“设计一个实验”时，需要做什么？

   - 仅陈述可检验的假设
   - 完整流程、变量和测量方法
   - 仅列出误差来源

   *答案:* 完整流程、变量和测量方法

   *解析:* 正确！指令词“设计”要求完整概述实验的所有核心组成部分，模糊的不完整答案无法获得满分。

## 常见错误

- **错误做法:** 忘记列出相关控制变量
  - 原因: 考官要求你识别实际会影响结果的变量，遗漏关键控制变量会丢失送分题的分数。
  - 正确做法: 列出2-3个会直接影响实验因变量的具体控制变量。
- **错误做法:** 混淆随机误差和系统误差
  - 原因: 随机误差影响精密度，系统误差影响准确度，混淆二者会在误差分析中丢分。
  - 正确做法: 记住：如果所有结果都向同一方向偏移，就是系统误差；如果结果分散在真实值周围，就是随机误差。
- **错误做法:** 设计的实验流程中未包含重复实验
  - 原因: 重复实验是评估可靠性和识别异常值的必要步骤，这是很多学生遗漏的常见送分点。
  - 正确做法: 始终明确说明你会对每个测量至少重复3次，计算平均值并剔除异常值。
- **错误做法:** 提出“使用更准确的设备”这种模糊的改进方案
  - 原因: 考官要求与具体误差相关的具体改进，模糊答案不得分。
  - 正确做法: 说出具体改变，例如“用滴定管代替量筒测量体积”，而不是“使用更好的设备”。

## 速查表

| 组成部分 | IB核心要求 |
| --- | --- |
| 变量 | 1. 说明自变量（被操纵） 2. 说明因变量（被测量） 3. 列出2-3个具体控制变量 |
| 流程 | 1. 清晰可重复的分步流程 2. 每个条件重复3次以上 3. 指定测量工具 |
| 误差分类 | 系统误差：恒定偏移，降低准确度 随机误差：结果分散，降低精密度 |
| 改进方案 | 与具体误差关联，说出设备或流程的准确改变 |

## 下一步

实验设计是IB化学SL所有实验工作的基础，这项技能在第三卷笔试和占比很高的内部评估探究中都会被考察。掌握这里的原则可以帮助你设计出有效、高分的IA，也能帮你回答期末考试中所有基于实验的考题。理解实验设计后，下一步是学习如何处理和分析实验数据，包括计算不确定度和从结果中得出基于证据的结论。在规划IA个人探究时，你会基于这些设计技能拓展，独立应用所有这些原则来回答你自己的研究问题。

- [数据收集与处理](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u7-data-collection-and-processing/)
- [结果分析与评估](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u7-results-analysis-and-evaluation/)
- [合作科学探究](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u7-collaborative-scientific-inquiry/)

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u7-experimental-design-and-procedure/