基于设计程序与方法导向的传统实验教具的改进设计流程方法的研究——以液体表面性质测量教具的设计改进研究为例

董洁 苏艺＊

（北京服装学院，北京 100029）

在科学实验研究过程中，不少研究者在不断尝试传统实验教具、实验装置的改进设计以减小实验带来的误差、提高实验结果的精确度。通过笔者多方面研究和实践发现：目前并没有完备的基于实验教具的改进设计的流程方法体系。如何以设计的程序与方法为导向，从科学的维度及操作者体验维度出发，将实验教具的设计改进简单化、系统化作为本研究的切入点。因此，本研究将以拉脱法测量液体表面性质方法研究和改进为例，从了解现有实验流程到改进方案的解决等七个阶段入手，同时运用每一阶段的特定方法来完成对传统实验教具的设计改进，从而提出一套完整的实验教具的设计改进流程。

1 实验教具的改进设计流程

图1 是本研究中笔者所提出的以设计程序与方法为导向的实验教具的改进设计流程方法图，该方法可以适用于大部分实验教具的改进设计。

图1 实验教具的改进设计流程图

该设计流程图的使用方法如下：

第一步是了解现有实验流程，改进设计者在具有相关行业知识能力的基础上，通过大量文献、多次个人实践操作来熟悉实验流程。在基于前述知识经验的基础，可以运用本阶段所提到的专家访谈法，向有经验的专家进行访谈交流以对实验流程有充分了解。

第二步是要发现现有实验问题，这一阶段可以用到对比分析法、观察法、实验人群访谈法。对比分析法是设计改进者针对某个实验的不同实验方法进行整理对比，可以用表格或者更直观的形式进行列举，梳理其各自的优缺点并进行整合。对比整理后用观察法对多位实验操作者进行全流程实验观察，观察他们的实验操作过程，可以采取拍照、录像等方式进行记录，观察完毕后对其进行回顾分析，尽可能地发现问题。基于之前发现的问题要进行实验人群的访谈来验证问题，并且尝试发现其他潜在问题。这一阶段要完成原有实验教具存在的问题的发现与验证。

第三步是分析已发现的实验问题，可以从人为因素、量具因素、力量因素、测量因素几个方面对发现后的问题进行分析以对改进设计方向有初步的预判。

第四步是寻找问题的解决方案，这一过程要明确需要寻找解决方案的重点研究方向。要对改进设计的实验教具有解决方案的设想。可以采取5W1H 法即what （是什么）、who（是谁来使用）、when（在什么时候使用）、where（在什么地点使用）、why（为什么要使用改进后的实验教具）、how（改进后的教具怎么解决发现的问题）进行思考定义实验教具的设计改进方案。

第五步是解决方案的实施，可以先将预想的实验装置进行草图绘制，再通过一定的科学分析、原理关系来确定哪一个草图方案最优，通过各方面可实现性的判断后再进行器具、工具的准备、教具的整体搭建。

第六步是对解决方案进行验证，通过对实验数据进行记录、数据处理，并与传统实验方法所得实验数据进行整理、计算、对比，确定设计改进的实验教具的实验结果误差是否减小。其次根据科学实验设计原则进行评估。最后需要对上述参与的实验操作人群进行改进设计后的实验教具体验测试，体验实验的全流程是否顺利、是否有所改良，检验是否满足人机尺寸、是否符合操作者认知、各方面痛点需求是否得以解决。

第七步是对于提出的解决方案的改进，可以用回顾分析法回顾设计的每一环节，发现设计各个阶段中的对于设计改进目的性有偏差的地方、设计改进的方式有潜在问题的地方，应该立即再改进设计，此时可以回到流程3 分析实验问题继续依照此流程顺序不断探索。设计改进者应该判断自身是否有能力或方法解决新发现的问题，在无条件、无能力解决的情况下提出改进方法或改进设计展望。

接下来笔者将上述实验教具的改进设计流程方法运用于具体的改进设计案例，以液体表面张力测量这一大学生物理实验的研究和改进为例。

2 液体表面性质测量教具的研究和改进

液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数，这一参数对建筑、船舶制造、化学化工、水利等行业都有较大的影响，所以准确的测量液体的表面张力系数具有重要的意义[1]。

测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法是大学生物理实验中测量液体表面张力系数常用的方法之一。该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，通过测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力F, 求得液体表面张力系数，该测量方法直观、概念清楚、实验装置简单、可操作性强。但用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高。

2.1 了解现有实验流程

在设计程序的最初阶段，要通过设计背景，设计调研等多个维度的了解去探寻设计机会。在各类实验中，首先应具有相关行业的知识能力，并且已多次进行个人实践操作，同时可以向有经验的专家进行访谈交流，对其有充分了解。

本文中实验教具的改进是依托大学物理实验，实验方法的改进又高于大学物理实验，笔者有相关物理理论知识和实验能力并完成了其学习，同时通过查阅了大量文献来了解测量液体表面性质的多种方法的不同流程。在以上知识的基础上，又对行业中经验丰富的专家进行了访谈交流以期积累实验经验与方法。

拉脱法测量液体表面张力的主要流程如下：把金属吊环固定在力敏传感器上，升高液面，使金属吊环底部完全浸入在液体中，然后缓慢调节升降台，使吊环逐渐从液面拉脱，吊环拉出液柱破裂前后力的差值就是液柱的两个液面表面张力的大小。

2.2 发现现有实验问题

在设计程序中，通常会通过一系列的调研及分析过程能够了解到一些潜在情况，基于此再通过一些设计中的常用方法（如同类产品分析法、观察法、用户访谈法等）去继续深入发掘，发现现有设计中存在的问题或不足进行创新设计或改进设计。

根据上述设计的程序与方法，首先笔者查阅了大量文献对现有的不同测量液体表面张力的实验方法进行整理对比，现有的主要测量液体表面张力系数的方法有：毛细管上升法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法和拉脱法等。对其各自的优缺点以表格的形式进行整理梳理。笔者发现：相较于一些新的测量方法及装置，传统的拉脱法具有实验仪器简单、操作简单的特点，目前很多高校实验室主要采用拉脱法来测量液体表面张力，但是拉脱法存在的问题在于使用该实验装置测量时人为干预多、测量误差大、测试结果重复性不好等问题[2]。

是哪些人为因素会对实验产生较大误差作为了笔者研究的下一个切入口。基于此，又对多位实验操作者进行全流程实验观察，观察实验操作者的实验操作行为，观察他们在实验中会产生哪些问题。采取拍照、录像等方式进行记录，观察完毕后又回顾分析，同时对观察的结果进行了整理思考。笔者发现在操作者每一次拉起吊环时速度并不相同，而且不同的操作者调节升降台时速度不同、用力也不同，这都会影响到数字电压表的示数，如图2。

图2 手动调节升降台

为了验证并发现用户在实验操作时的需求同时发现实验操作者在实验操作时的痛点，笔者对实验人群进行了访谈。访谈前先制作了访谈提纲，将希望要了解到的相关问题的相关情况进行列举，提纲准备完毕后对其进行逐一访谈交流。经过多位实验操作者反馈：在液膜拉断的前、后一瞬间两次读数困难，需要一直观察数字电压表数值变化，稍加不注意将会对实验结果产生影响，用户体验不佳。

2.3 分析实验问题

在设计程序中，问题发现后要进行问题的分析以及设计方向的预判，要从哪一个方向去解决问题，一个好的设计不是会解决所有的问题，一定是有取舍的解决问题。

在本实验中笔者对上述发现的问题从以下几个维度进行整合：人为因素、量具因素、力量因素、测量因素。将主要问题概括为：本实验装置在测量中其人为因素使吊环脱离液面时受力不均匀、速度不均匀带来的实验结果误差较大，同时操作者在液膜拉断前后一瞬间由于数字电压表数值变化迅速不易观察数值变化而导致操作者体验不佳、因而读数不准确造成较大实验误差。

2.4 寻找解决方案

设计程序中的这一过程是对新设计的构建洞见、寻找到解决方案并进行设计定义，设计定义常用到5W1H 定义法，即what （具体是什么）、who（用户人群是谁）、when（在什么时候）、where（什么地点）、why（为什么）、how（怎么解决）。

避免人为拉起吊环、数字电压表数值变化速度减慢、操作者读数更方便而提升操作者的实验操作体验度是需要寻找解决方案的重点研究方向。

笔者以5W1H 法进行思考定义本实验教具的改进设计方案，定义如下：

what: 液体表面张力系数测量教具

who: 实验操作者

when: 金属环脱离液面前后时，操作者读数时

where: 实验室操作台

why: 改进设计实验教具以减少实验误差，让测量结果更精确

how：利用排水法原理排开烧杯内液体体积而使金属环脱离液体表面，同时液面下降缓慢数字电压表示数变化也将减缓。

2.5 解决方案实施

在设计程序中，方案的具体实施过程要进行造型草图、结构设计确定最终要实施的设计方案，接下来再将最终设计草图进行设计模型，具体实现方式的转化。

笔者将设计程序加以转化运用，将预想的实验装置进行草图绘制，分析各部分之间的连接关系、原理关系，通过各方面可实现性的判断后又进行器具、工具的准备和教具的整体搭建。改进设计后的教具主要连接关系如图3。

图3 改进设计后实验教具搭建

2.6 解决方案验证

在设计程序中，方案设计完成后会对其进行方案的可实现性测试、评估来验证设计。要对设计中人机工学进行测试，同时测试的数据要同原数据进行对比，验证结果否满足人机工学，是否相较于原有测试数据有所改良。其次也要用户进行体验测试，总结用户反馈的信息，优缺点等。

依据设计的程序与方法，笔者首先对数据进行记录、处理数据，通过与传统实验方法所得实验数据进行对如下。由结果可以明显看出，在同一测量环境，保证其他条件因素均不变的情况下，使用改进后的教具，并且尽可能减少实验中人为操作带来的误差，其结果更接近该温度下的标准值。可以较明显地提高实验的测量准确度，减小测量误差。

传感灵敏度的测量

金属环内外径的测量

金属环外径D1=3.489cm，内径D2=3.317cm，水的温度：t=20.8℃

改进前水的表面张力系数的测量数据

改进后水的表面张力系数的测量数据

结论：在同一测量环境，温度等其他实验条件不变的情况下改进后的实验测量结果更接近标准值。同时U1、U2 的差值越大，证明液膜拉的越长，误差越小。

随后，笔者再一次对上述实验操作人群进行了改进设计后的实验教具体验测试、人机工学测试、科学实验设计原则评估，笔者邀请了多位经验丰富的行业专家进行了三次以上的重复性实验，后又进行了分部实验，如图4，并按步骤排除各种可能性，均验证了改进设计的教具所得结果不是偶然情况。同时多数实验操作者有读数体验更好，操作更加简便的反馈。

图4 分步实验

2.7 解决方案改进

在设计程序的最后阶段需要回顾设计的每一环节，发现设计各个阶段中的对于设计目的性有偏差的地方、设计的方式有潜在问题的地方，应该立即再改进设计。

笔者在实验验证完成后又对实验的每一环节回顾、检验，笔者认为：实验的教具可以改进为一个在侧壁带有止水夹的平底烧杯，这样可以更好的控制液体均匀平缓流放，能更好减小实验误差，更容易读出数字电压表上数值的变化。

3 结论

本研究以拉脱法测量液体表面性质测量教具的设计改进为例对传统实验教具的改进设计提出了一套完整的设计改进流程方法。以设计程序与方法为导向，从七个改进设计阶段来完成对传统实验教具的改进设计，此方法可应用于大多数学科领域中实验教具的改进设计，可以灵活变通使用。本方法将促进科学实验教具的教学创新发展，同时也为多领域、跨学科间的实验教具改进设计研究方向做出了指引。

注释

[1]李艳琴.基于力敏传感器测量液体表面张力系数及其表面张力再认识[J].实验室研究与探索，2010，29(8):18.

[2]叶智丰,蔡文君,巴佳燕,彭力.基于杠杆原理的测量液体表面张力系数新方法[J].大学物理实验,2020,33(06):7-10.