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。
參考文獻
[1]吳潔.依托數(shù)據(jù)支持,實施精準教學:對小學科學課堂極端數(shù)據(jù)的幾點思考[J].新課程(小學),2019(5):60-61.
[2]許水勇.對小學科學實驗數(shù)據(jù)分析的策略[J].中小學實驗與裝備,2013(2):7-9.
[3]黃愛玲,宋艷麗.基于學習共同體的中小學生學習心理機制及有效教學策略[J].當代教育與文化,2019(6):60-65.
[4]孫文鈺.小學科學教學中學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)研究[D].曲阜:曲阜師范大學,2019.
[5]王世力.小學科學實驗數(shù)據(jù)的獲取、呈現(xiàn)與論證[J].教學與管理,2016(26):48-50.
[6]張又偉.將數(shù)字化實驗儀器與教學資源融入小學科學教學[J].教學儀器與實驗,2011(10):55-56.