提升“持續(xù)性測量實驗”數(shù)據(jù)的準確性

王圓圓

〔摘? ? 要〕? 在3～6年級的科學教材中，“持續(xù)性測量”定量實驗需要學生在較長時間內(nèi)通過規(guī)范測量獲得一系列準確數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)為依據(jù)總結規(guī)律、做出推論，獲得對某一科學原理的認識。但在教學中，持續(xù)性測量對學生來說是難點。數(shù)據(jù)收集時的毫厘之差，讓學生在分析數(shù)據(jù)時無從下手，還可能導致結論謬以千里，更讓有限的時間捉襟見肘。筆者基于三節(jié)典型課例，透過學生收集的數(shù)據(jù)和課堂觀察，分析異常數(shù)據(jù)的原因，在實踐中研究如何提升持續(xù)性測量數(shù)據(jù)的準確性，培養(yǎng)學生的實證精神和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

〔關鍵詞〕? 小學科學；持續(xù)性測量；數(shù)據(jù)準確性；策略研究

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 01? ? 061-063

蘇教版科學教材四下“冷和熱”單元、“像科學家那樣”單元，五下“簡單機械”等單元的學習都依賴持續(xù)性測量實驗。其以一系列的數(shù)據(jù)為證據(jù)，總結科學規(guī)律、做出推論。但從學生呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)來看，普遍存在問題。綜合考慮數(shù)據(jù)收集異常的前因后果，教師必須對此進行深入細致的分析，并在實踐中不斷解決問題。

一、課例1：四年級下冊《水受熱以后》課教學

探究“水在沸騰前后溫度變化的規(guī)律”。學生需在15分鐘內(nèi)合作收集連續(xù)性數(shù)據(jù)。這類實驗耗時長、材料繁復、過程吵嚷、異常數(shù)據(jù)較多、結尾匆忙。

（一）數(shù)據(jù)與課堂觀察分析

學生收集數(shù)據(jù)的主要問題：數(shù)據(jù)異常，且15分鐘水溫都未達到100℃。同時，數(shù)據(jù)與分析兩張皮。學生通過數(shù)據(jù)無法得出科學的結論：水沸騰前溫度持續(xù)上升，沸騰時保持在100℃。要解決數(shù)據(jù)異常的問題，需要回顧和反思學生的實驗過程和易被忽略的細節(jié)。

課堂觀察發(fā)現(xiàn)：1.材料工具方面，有的酒精燈外焰未達到鐵架臺高度，導致加熱不足；燒杯口敞開造成熱量丟失，15分鐘水都未能沸騰；有的溫度計甚至顯示超過100℃，但水未沸騰。2.合作操作方面，由于手持溫度計，有的小組沒有人監(jiān)控液泡是否觸底或超出水面；讀數(shù)時溫度計液泡有時也會離開水面。3.時間方面，時間長，有的學生間歇性游離于任務之外，形成組內(nèi)或組間干擾；數(shù)據(jù)分析時間被擠壓。

（二）調(diào)整策略

材料和工具替換：用電子溫度計替代老舊的煤油溫度計，提高準確性，避免超過100℃，造成錯誤認知。同時，溫度計用雙頭夾固定在燒杯壁上，減少手持負擔。明確分工：每個人都對數(shù)據(jù)的準確性負責，尤其要設置規(guī)范操作監(jiān)督員，每組至少2人同步讀取數(shù)值并記錄?？s短水沸騰時間：提供初始溫度更高的水，控制水量，調(diào)整酒精燈外焰高度，杯口用錫紙遮擋，減少熱量散發(fā)，為數(shù)據(jù)分析保證足夠的時間。

（三）策略實施后成效

與之前相比，水溫變化曲線圖的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定準確，沒有異常數(shù)據(jù)。在分析時，學生能夠對這一系列數(shù)據(jù)進行分析，總結規(guī)律，得出合理的結論。

二、課例2：四年級下冊《像科學家那樣》課教學

研究“擺的快慢與什么因素有關”。學生需通過合作，使用擺、鐵架臺、量角器、卷尺等工具測出10秒擺擺動的次數(shù)。

（一）數(shù)據(jù)與課堂觀察分析

學生在研究“擺的快慢與擺線長短關系”時，實驗數(shù)據(jù)問題不大。但是多個小組在研究“擺的快慢與擺角大小關系”時，各組出現(xiàn)矛盾的結論或無法得出結論：“擺的快慢與擺角有關”和“擺的快慢與擺角無關”。每組結論都有數(shù)據(jù)做支撐，互相無法說服。

由于學生無法判定擺動次數(shù)的變化是因變量改變引起實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生微小變化（每個擺角平均結果相差1次），還是合理范圍的誤差（1次算誤差），失之毫厘，謬以千里，學生無法達成共識。

根據(jù)對學生數(shù)據(jù)收集過程的觀察，導致異常數(shù)據(jù)、分析困難的原因集中在：學生從拿到實驗材料到開始協(xié)作，在摸索中分工，有的小組快速進入數(shù)據(jù)收集狀態(tài)，有的小組卻對具體怎么操作仍然模糊（如使用秒表計時、用卷尺確定擺線長度、固定擺不晃動、用量角器對準擺角度數(shù)、保證擺動時不撞桿不繞圈），尤其是量角器不方便使用，對操作帶來干擾，反而影響擺動狀態(tài)。同時，本組缺乏對規(guī)范操作的自我監(jiān)控。同一個組內(nèi)，對擺動次數(shù)的計數(shù)不夠嚴謹。數(shù)據(jù)分析的時間短，且學生在數(shù)據(jù)分析策略方面存在困難，需要指導。

（二）調(diào)整策略

示范合作：小組演示如何分工量擺線長度、找準擺角、正常擺動、計時、數(shù)擺動次數(shù)（至少2人）。且每個成員都要對數(shù)據(jù)負責。改良工具：用木質(zhì)試管夾穩(wěn)定固定點，防止擺動時晃動繞圈，且方便調(diào)節(jié)擺線長度；用雙頭夾調(diào)整量角器，方便確認角度，降低操作難度，減少失誤。利用大數(shù)據(jù)，減少誤差：研究擺角的小組，統(tǒng)一擺長和擺錘，明確對比三個角度，方便大數(shù)據(jù)比對分析。

（三）策略實施后成效

研究擺角的小組：統(tǒng)一擺線長度20cm，金屬擺球，擺動角度為10°，20°，30°。

從小組的數(shù)據(jù)來看，小組結論包括幾種：擺的快慢與擺角大小無關；擺的快慢與擺角有關，擺角越大，擺動越快；擺動快慢與擺角大小沒有規(guī)律性。

調(diào)整策略后發(fā)現(xiàn)，誤差不可避免，但學生并不都能接受誤差的解釋。因每組實驗控制變量條件是一致的，教師指導學生再使用“擺動時間疊加法”進一步分析數(shù)據(jù)。

從班級大數(shù)據(jù)來看，擺的快慢與擺角大小的關系呈現(xiàn)出來，減少了誤差帶來的誤判，學生能夠得出合理的結論。

三、課例3：五年級下冊《升旗的方法》課教學

研究“動滑輪與定滑輪的作用”。各組需要用彈簧測力計測量動滑輪、定滑輪在拉起重物的過程中所用的力與“直接提升重物的力”做比較。

（一）課堂觀察分析

情況1：有的小組多次測量的數(shù)據(jù)無法得出一致的結論。數(shù)據(jù)顯示動滑輪有時省力，有時不省力也不費力；定滑輪有時省力，有時比直接提升用的力大。

情況2：動滑輪省力，定滑輪是不怎么省力的。

情況3：相同的重物，組間數(shù)據(jù)差距卻較大。

課堂倉促結尾，教師給出準確數(shù)據(jù)，得出結論：定滑輪不省力，動滑輪省力接近一半。

（二）調(diào)整策略

工具材料選用：1.采用力傳感器和數(shù)字實驗儀器，更準確測力；2.通過數(shù)字實驗儀器采集和分析數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準確性；3.用力與機械實驗套裝替代鐵架臺，實驗盒既輕便又方便整理實驗材料。

小組合作：如果合作出現(xiàn)職責不清，分工不明，會導致數(shù)據(jù)收集出錯。教師要在學生動手前，讓學生充分思考如何協(xié)作互助，以及可能出現(xiàn)的問題。這樣可提高數(shù)據(jù)的可信度，并高效利用時間。

數(shù)據(jù)反饋：將幾組分開展示的數(shù)據(jù)，改為在Excel表格上整體呈現(xiàn)，形成全班大數(shù)據(jù)，同時比較分析各組的數(shù)據(jù)和圖表，利于得出科學的結論。

（三）策略實施后成效

從大數(shù)據(jù)看，各組數(shù)據(jù)都較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。通過將定、動滑輪的平均值與直接拉起重物相比，學生能通過數(shù)據(jù)歸納出合理的結論：動滑輪省力，定滑輪不省力不費力。

四、提升持續(xù)性測量數(shù)據(jù)的準確性

（一）慎選材料和工具，避免“毫厘之差”

持續(xù)性測量的時間長，材料選擇是否恰當、工具是否便捷直接影響數(shù)據(jù)的準確性。三個課例中都涉及材料、工具的調(diào)整與改進。例如在《水受熱以后》一課中，教師一開始忽略了對水量、水溫的預估以及每組酒精燈外焰的高度等細節(jié)，導致水到沸騰所耗時長過久，匆匆結尾。改良之后實驗效率提高。再例如在研究“動滑輪與定滑輪作用”的實驗中，數(shù)據(jù)問題的主要原因在于老舊的彈簧測力計。改為力傳感器之后，數(shù)據(jù)準確度提高。但需注意的是，數(shù)字化儀器的運用一定要兼顧學生已有能力，不增加其額外負擔。在“探究擺的快慢與什么因素有關”的實驗中，雙頭夾的360°旋轉關節(jié)給調(diào)整和固定量角器提供了便利，減少了難度和誤差。創(chuàng)新性地組合工具需要教師有足夠的細心和智慧。

（二）加強“指導合作與課堂管理”，提高實驗效率

在保證工具操作沒有問題的前提下，指導小組如何進行合作同等重要。到四五年級時，教師對合作的指導逐漸減弱。但這要視不同班級甚至不同的小組而定。發(fā)揮合作能力強的小組在實驗前示范如何合作是不錯的方法。學生在互動中，明確應該怎么做以及注意事項。另外，需加強對“游離”學生的持續(xù)性關注與評價。教師需促使“游離”學生回歸到活動中，對數(shù)據(jù)負責，提高個人的效能感。在良好的課堂管理下，學生的有效合作大大提高了課堂效度，節(jié)約了時間，為數(shù)據(jù)分析與反思預留了足夠的時間。

（三）運用大數(shù)據(jù)，解“數(shù)據(jù)分析之困”

在實際教學中，“重展示、輕交流”“重預設、輕生成”的現(xiàn)象依然存在。組間缺乏充分的互動交流，缺乏集體的相互論證。當組間數(shù)據(jù)和結論沖突時，往往以“數(shù)據(jù)測量的時候有問題”等個人經(jīng)驗感受來回避，最后只好以教師的小結為結論而結束。當缺乏分析與解釋時，學生難以在數(shù)據(jù)和結論之間建立關聯(lián)，無法使概念真正內(nèi)化于心。學生科學邏輯思維的培養(yǎng)和用事實說話、用證據(jù)解釋、培養(yǎng)實證精神也難以實現(xiàn)。教師需引導學生經(jīng)歷從自我分析、個體論證到全班互動、集體論證的過程。

利用Excel收集大數(shù)據(jù)進行全班分析是不錯的策略。例如用大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析“動定滑輪提升重物的力”以及“擺動次數(shù)”，能幫助學生識別和反思異常數(shù)據(jù)。同時，由于小學生數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗少且認知能力有限，所以面對誤差時，學生會認為是因變量改變引起實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生微小變化，由此可能得出錯誤的結論。教師應對已經(jīng)產(chǎn)生的誤差不回避，在大數(shù)據(jù)中減少誤差的影響，例如用疊加法判誤差。

總體來說，“持續(xù)性測量”實驗一直是教學中的難點。從認知負荷理論來看，在持續(xù)性測量獲取數(shù)據(jù)的過程中，學生所需的內(nèi)部認知負荷并不高，但因分工合作的不協(xié)調(diào)性、材料工具的選擇失誤、無關干擾導致的外部認知負荷增加，才影響了數(shù)據(jù)的收集。因此，對外部認知負荷應該采取適當措施消除，如材料工具的進一步改良篩選、小組明確的分工責任制以及對實驗過程的監(jiān)控等。但分析數(shù)據(jù)時，學生就需有較高的內(nèi)部認知負荷，需要教師引導學生有層次地分析數(shù)據(jù)，總結出科學規(guī)律、做出合理推論，獲得對某一科學原理的認知，培養(yǎng)學生的實證精神和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

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