王圓圓

〔摘? ? 要〕? 在3～6年級的科學(xué)教材中，“持續(xù)性測量”定量實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生在較長時(shí)間內(nèi)通過規(guī)范測量獲得一系列準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)為依據(jù)總結(jié)規(guī)律、做出推論，獲得對某一科學(xué)原理的認(rèn)識。但在教學(xué)中，持續(xù)性測量對學(xué)生來說是難點(diǎn)。數(shù)據(jù)收集時(shí)的毫厘之差，讓學(xué)生在分析數(shù)據(jù)時(shí)無從下手，還可能導(dǎo)致結(jié)論謬以千里，更讓有限的時(shí)間捉襟見肘。筆者基于三節(jié)典型課例，透過學(xué)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(shí)踐中研究如何提升持續(xù)性測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；持續(xù)性測量；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；策略研究

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

蘇教版科學(xué)教材四下“冷和熱”單元、“像科學(xué)家那樣”單元，五下“簡單機(jī)械”等單元的學(xué)習(xí)都依賴持續(xù)性測量實(shí)驗(yàn)。其以一系列的數(shù)據(jù)為證據(jù)，總結(jié)科學(xué)規(guī)律、做出推論。但從學(xué)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(jìn)行深入細(xì)致的分析，并在實(shí)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(xué)

探究“水在沸騰前后溫度變化的規(guī)律”。學(xué)生需在15分鐘內(nèi)合作收集連續(xù)性數(shù)據(jù)。這類實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、材料繁復(fù)、過程吵嚷、異常數(shù)據(jù)較多、結(jié)尾匆忙。

（一）數(shù)據(jù)與課堂觀察分析

學(xué)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(dá)到100℃。同時(shí)，數(shù)據(jù)與分析兩張皮。學(xué)生通過數(shù)據(jù)無法得出科學(xué)的結(jié)論：水沸騰前溫度持續(xù)上升，沸騰時(shí)保持在100℃。要解決數(shù)據(jù)異常的問題，需要回顧和反思學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和易被忽略的細(xì)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(dá)到鐵架臺高度，導(dǎo)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(jì)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(jì)，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(shí)溫度計(jì)液泡有時(shí)也會離開水面。3.時(shí)間方面，時(shí)間長，有的學(xué)生間歇性游離于任務(wù)之外，形成組內(nèi)或組間干擾；數(shù)據(jù)分析時(shí)間被擠壓。

（二）調(diào)整策略

材料和工具替換：用電子溫度計(jì)替代老舊的煤油溫度計(jì)，提高準(zhǔn)確性，避免超過100℃，造成錯(cuò)誤認(rèn)知。同時(shí)，溫度計(jì)用雙頭夾固定在燒杯壁上，減少手持負(fù)擔(dān)。明確分工：每個(gè)人都對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性負(fù)責(zé)，尤其要設(shè)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(shí)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(shí)間。

（三）策略實(shí)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(zhǔn)確，沒有異常數(shù)據(jù)。在分析時(shí)，學(xué)生能夠?qū)@一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律，得出合理的結(jié)論。

二、課例2：四年級下冊《像科學(xué)家那樣》課教學(xué)

研究“擺的快慢與什么因素有關(guān)”。學(xué)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(dòng)的次數(shù)。

（一）數(shù)據(jù)與課堂觀察分析

學(xué)生在研究“擺的快慢與擺線長短關(guān)系”時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題不大。但是多個(gè)小組在研究“擺的快慢與擺角大小關(guān)系”時(shí)，各組出現(xiàn)矛盾的結(jié)論或無法得出結(jié)論：“擺的快慢與擺角有關(guān)”和“擺的快慢與擺角無關(guān)”。每組結(jié)論都有數(shù)據(jù)做支撐，互相無法說服。

由于學(xué)生無法判定擺動(dòng)次數(shù)的變化是因變量改變引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生微小變化（每個(gè)擺角平均結(jié)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(xué)生無法達(dá)成共識。

根據(jù)對學(xué)生數(shù)據(jù)收集過程的觀察，導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)、分析困難的原因集中在：學(xué)生從拿到實(shí)驗(yàn)材料到開始協(xié)作，在摸索中分工，有的小組快速進(jìn)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(jì)時(shí)、用卷尺確定擺線長度、固定擺不晃動(dòng)、用量角器對準(zhǔn)擺角度數(shù)、保證擺動(dòng)時(shí)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(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，本組缺乏對規(guī)范操作的自我監(jiān)控。同一個(gè)組內(nèi)，對擺動(dòng)次數(shù)的計(jì)數(shù)不夠嚴(yán)謹(jǐn)。數(shù)據(jù)分析的時(shí)間短，且學(xué)生在數(shù)據(jù)分析策略方面存在困難，需要指導(dǎo)。

（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(zhǔn)擺角、正常擺動(dòng)、計(jì)時(shí)、數(shù)擺動(dòng)次數(shù)（至少2人）。且每個(gè)成員都要對數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)。改良工具：用木質(zhì)試管夾穩(wěn)定固定點(diǎn)，防止擺動(dòng)時(shí)晃動(dòng)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(rèn)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(gè)角度，方便大數(shù)據(jù)比對分析。

（三）策略實(shí)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(dòng)角度為10°，20°，30°。

從小組的數(shù)據(jù)來看，小組結(jié)論包括幾種：擺的快慢與擺角大小無關(guān)；擺的快慢與擺角有關(guān)，擺角越大，擺動(dòng)越快；擺動(dòng)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(xué)生并不都能接受誤差的解釋。因每組實(shí)驗(yàn)控制變量條件是一致的，教師指導(dǎo)學(xué)生再使用“擺動(dòng)時(shí)間疊加法”進(jìn)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(guān)系呈現(xiàn)出來，減少了誤差帶來的誤判，學(xué)生能夠得出合理的結(jié)論。

三、課例3：五年級下冊《升旗的方法》課教學(xué)

研究“動(dòng)滑輪與定滑輪的作用”。各組需要用彈簧測力計(jì)測量動(dòng)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(jié)論。數(shù)據(jù)顯示動(dòng)滑輪有時(shí)省力，有時(shí)不省力也不費(fèi)力；定滑輪有時(shí)省力，有時(shí)比直接提升用的力大。

情況2：動(dòng)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(jié)尾，教師給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：定滑輪不省力，動(dòng)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(shí)驗(yàn)儀器，更準(zhǔn)確測力；2.通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器采集和分析數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；3.用力與機(jī)械實(shí)驗(yàn)套裝替代鐵架臺，實(shí)驗(yàn)盒既輕便又方便整理實(shí)驗(yàn)材料。

小組合作：如果合作出現(xiàn)職責(zé)不清，分工不明，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集出錯(cuò)。教師要在學(xué)生動(dòng)手前，讓學(xué)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(shí)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(shí)比較分析各組的數(shù)據(jù)和圖表，利于得出科學(xué)的結(jié)論。

（三）策略實(shí)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(dòng)滑輪的平均值與直接拉起重物相比，學(xué)生能通過數(shù)據(jù)歸納出合理的結(jié)論：動(dòng)滑輪省力，定滑輪不省力不費(fèi)力。

四、提升持續(xù)性測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

（一）慎選材料和工具，避免“毫厘之差”

持續(xù)性測量的時(shí)間長，材料選擇是否恰當(dāng)、工具是否便捷直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。三個(gè)課例中都涉及材料、工具的調(diào)整與改進(jìn)。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(yù)估以及每組酒精燈外焰的高度等細(xì)節(jié)，導(dǎo)致水到沸騰所耗時(shí)長過久，匆匆結(jié)尾。改良之后實(shí)驗(yàn)效率提高。再例如在研究“動(dòng)滑輪與定滑輪作用”的實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)問題的主要原因在于老舊的彈簧測力計(jì)。改為力傳感器之后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度提高。但需注意的是，數(shù)字化儀器的運(yùn)用一定要兼顧學(xué)生已有能力，不增加其額外負(fù)擔(dān)。在“探究擺的快慢與什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，雙頭夾的360°旋轉(zhuǎn)關(guān)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(xì)心和智慧。

（二）加強(qiáng)“指導(dǎo)合作與課堂管理”，提高實(shí)驗(yàn)效率

在保證工具操作沒有問題的前提下，指導(dǎo)小組如何進(jìn)行合作同等重要。到四五年級時(shí)，教師對合作的指導(dǎo)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(qiáng)的小組在實(shí)驗(yàn)前示范如何合作是不錯(cuò)的方法。學(xué)生在互動(dòng)中，明確應(yīng)該怎么做以及注意事項(xiàng)。另外，需加強(qiáng)對“游離”學(xué)生的持續(xù)性關(guān)注與評價(jià)。教師需促使“游離”學(xué)生回歸到活動(dòng)中，對數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)，提高個(gè)人的效能感。在良好的課堂管理下，學(xué)生的有效合作大大提高了課堂效度，節(jié)約了時(shí)間，為數(shù)據(jù)分析與反思預(yù)留了足夠的時(shí)間。

（三）運(yùn)用大數(shù)據(jù)，解“數(shù)據(jù)分析之困”

在實(shí)際教學(xué)中，“重展示、輕交流”“重預(yù)設(shè)、輕生成”的現(xiàn)象依然存在。組間缺乏充分的互動(dòng)交流，缺乏集體的相互論證。當(dāng)組間數(shù)據(jù)和結(jié)論沖突時(shí)，往往以“數(shù)據(jù)測量的時(shí)候有問題”等個(gè)人經(jīng)驗(yàn)感受來回避，最后只好以教師的小結(jié)為結(jié)論而結(jié)束。當(dāng)缺乏分析與解釋時(shí)，學(xué)生難以在數(shù)據(jù)和結(jié)論之間建立關(guān)聯(lián)，無法使概念真正內(nèi)化于心。學(xué)生科學(xué)邏輯思維的培養(yǎng)和用事實(shí)說話、用證據(jù)解釋、培養(yǎng)實(shí)證精神也難以實(shí)現(xiàn)。教師需引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從自我分析、個(gè)體論證到全班互動(dòng)、集體論證的過程。

利用Excel收集大數(shù)據(jù)進(jìn)行全班分析是不錯(cuò)的策略。例如用大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析“動(dòng)定滑輪提升重物的力”以及“擺動(dòng)次數(shù)”，能幫助學(xué)生識別和反思異常數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于小學(xué)生數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)少且認(rèn)知能力有限，所以面對誤差時(shí)，學(xué)生會認(rèn)為是因變量改變引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生微小變化，由此可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。教師應(yīng)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(shí)驗(yàn)一直是教學(xué)中的難點(diǎn)。從認(rèn)知負(fù)荷理論來看，在持續(xù)性測量獲取數(shù)據(jù)的過程中，學(xué)生所需的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)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(guān)干擾導(dǎo)致的外部認(rèn)知負(fù)荷增加，才影響了數(shù)據(jù)的收集。因此，對外部認(rèn)知負(fù)荷應(yīng)該采取適當(dāng)措施消除，如材料工具的進(jìn)一步改良篩選、小組明確的分工責(zé)任制以及對實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控等。但分析數(shù)據(jù)時(shí)，學(xué)生就需有較高的內(nèi)部認(rèn)知負(fù)荷，需要教師引導(dǎo)學(xué)生有層次地分析數(shù)據(jù)，總結(jié)出科學(xué)規(guī)律、做出合理推論，獲得對某一科學(xué)原理的認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

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