探究活動中數(shù)據(jù)處理和分析方法例談

張海鷗

科學(xué)探究的一般過程包括：提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、實施計劃、得出結(jié)論、表達(dá)和交流。其中得出結(jié)論需要根據(jù)觀察到的實驗現(xiàn)象或者得出的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷而定。表達(dá)和交流這一步驟也需要交流每個小組的實驗現(xiàn)象或者數(shù)據(jù)的處理，以及對全班的數(shù)據(jù)分析處理，進(jìn)而完善結(jié)論和反思過程的成敗得失。所以對數(shù)據(jù)的處理和分析是否得當(dāng)，不僅關(guān)系到結(jié)論得出的正確與否，還關(guān)系到科學(xué)方法的學(xué)習(xí)和理解是否到位。怎樣引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)所反應(yīng)出來的內(nèi)涵？下面以人教版初中生物教材中的幾個探究實驗為例，討論處理和分析實驗數(shù)據(jù)的方法。

1 數(shù)據(jù)處理的方法和過程

1.1 取平均值法

取算術(shù)平均值是為減小偶然誤差而最常用的一種數(shù)據(jù)處理方法。通常在同樣的測量條件下，對于某一物理量進(jìn)行多次測量的結(jié)果不會完全一樣，用多次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，是最接近真實值的。如“生男生女的機(jī)率”模擬探究中，取小組、班級、級部、全校多次測量結(jié)果的平均值比較，發(fā)現(xiàn)測量次數(shù)越多，獲得的平均值越接近理論值1∶1。

1.2 列表法

實驗中將數(shù)據(jù)列成表格，也是常用處理數(shù)據(jù)的方法。列表法可以簡明地表示出有關(guān)物理量之間的關(guān)系，便于比較測量結(jié)果和運算，有助于發(fā)現(xiàn)和分析問題。如探究“光對鼠婦分布的影響”實驗中，每個小組需要記錄一組數(shù)據(jù)（表1）。根據(jù)實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，鼠婦越來越適應(yīng)實驗環(huán)境，也更加趨向分布在陰暗處。

每個小組將最后1 min的數(shù)據(jù)匯集到班級的總表格（表2）中（以16個小組為例）。可以直觀看出大多數(shù)小組的數(shù)據(jù)是陰暗處比明亮處多。列表法在用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行求和和求平均值時更方便計算。表2可以是Word表格、Excel表格，也可以是板書表格。特別是計算平均值或者求和時，用Excel表格更快捷。

1.3 繪制圖形法

繪制圖形法就是將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各種圖形。繪圖法處理數(shù)據(jù)的方法很多，有折線圖、柱狀圖法、條形法、餅圖法等等，這些方法都可以使數(shù)據(jù)變得直觀，便于觀察和比較，得出實驗的結(jié)論。不同的方法有不同的優(yōu)點，應(yīng)根據(jù)需要，選取最佳的表達(dá)方式。

其中以繪制折線圖法最常用，就是讓數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖中體現(xiàn)。一般是先將實驗測得的數(shù)據(jù)列成表格，再將表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為折線圖。根據(jù)測量的要求，選定坐標(biāo)軸，一般以橫軸為自變量，縱軸為因變量。坐標(biāo)軸要標(biāo)明所代表的變量的名稱及單位。通過做曲線圖，可以找到或反映變量之間的變化關(guān)系，便于找出其中的規(guī)律，確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系。折線圖會使數(shù)據(jù)變得更直觀，并且可以看到變量之間的連續(xù)變化趨勢。

如“探究花生果實大小變異”的實驗中，每組先將30?；ㄉ麑嵖v軸長度測量出來，列成表格（表3、表4），再將表格轉(zhuǎn)化成折線圖（圖1）。就非常直觀地看出，小花生果實中有大的個體也有小的個體，過大和過小的個體都很少，大多集中在30 mm左右；大花生中有大的個體也有小的個體，過大和過小的個體也很少，大多集中在43 mm左右。這說明花生果實大小存在著變異。大花生果實大小平均值總是大于小花生果實大小平均值，說明大小花生果實大小的變異是由遺傳物質(zhì)不同引起的。又如“探究酒精或煙草浸出液對水蚤心率的影響”實驗，先將實驗數(shù)據(jù)填寫在表格中，再將表格轉(zhuǎn)換為折線圖1，可以得出結(jié)論：水蚤心率會隨著酒精濃度的增加而逐漸減慢，直至死亡。酗酒對人體有害。

1.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式

實驗得出的數(shù)據(jù)是一定的，表示方式有多種，但是各種方式之間可以互相轉(zhuǎn)換。最常見的是將表格轉(zhuǎn)換成折線圖和柱形圖，這個過程可以根據(jù)小組收集的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中描點畫圖，但是比較麻煩。最簡便的方法通過Excel中“插入圖表”的方式轉(zhuǎn)換，插入的圖表形式有柱形圖、折線圖、條形圖、餅圖、面積圖、散點圖、雷達(dá)圖、組合圖等多種形式，每種圖又有多種形式表達(dá)。

2 分析數(shù)據(jù)反映的科學(xué)內(nèi)涵

2.1 分析不同的數(shù)據(jù)，創(chuàng)新科學(xué)方法的教學(xué)

實驗不是僅僅算出一個數(shù)值，得出結(jié)論就結(jié)束了，教師還要引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)所反映出來的科學(xué)內(nèi)涵，進(jìn)行科學(xué)方法的教學(xué)。如“探究某種食物中的能量”實驗中，筆者將該實驗的目標(biāo)定為重在培養(yǎng)學(xué)生測量數(shù)據(jù)的方法和處理數(shù)據(jù)的能力。實驗時，筆者準(zhǔn)備了兩套器材，讓左兩排的學(xué)生（1～7組）使用教材裝置，右兩排學(xué)生（8～14組）使用改進(jìn)后的裝置，即在錐形瓶外加上一個易拉罐制作的外套，這樣可以減少實驗過程中熱量的散失。學(xué)生實驗的結(jié)果見表4。

當(dāng)1～7組和8～14組的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在大屏幕上時，學(xué)生不由自主地輕呼“數(shù)據(jù)差異太大了”。接著，教師提出問題：比較1～7組和8～14組數(shù)據(jù)的平均值，你發(fā)現(xiàn)了什么？原因是什么？課本41頁附表中1 g核桃種子真正含有的能量是13 680 J，與實際測得的數(shù)值有什么差異，原因是什么？

學(xué)生思考分析原因，可以直觀體驗實驗器材的創(chuàng)新對結(jié)果影響的力量。這證實有了實驗的創(chuàng)新，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性才會大大提高。這種親身體驗創(chuàng)新的過程對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到很關(guān)鍵的作用。

數(shù)據(jù)直觀體現(xiàn)創(chuàng)新實驗裝置可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)新科學(xué)方法的教學(xué)。本實驗承載的一個重要的科學(xué)方法是“理解怎樣設(shè)置重復(fù)組”。重復(fù)實驗是一種非常重要的科學(xué)方法，學(xué)生都知道設(shè)置重復(fù)組的意義可以減少偶然性，提高實驗的準(zhǔn)確性，但是很多學(xué)生不知道怎樣設(shè)置重復(fù)組。所以教師提出問題“如果這個探究實驗只做一次，結(jié)果可靠嗎？應(yīng)該怎么做？”以此讓學(xué)生知道要設(shè)置重復(fù)組。然后教師接著追問：“重復(fù)實驗的結(jié)果是取14個小組的平均值嗎？”學(xué)生大多慣性地回答：“是的，取平均值?！贝藭r，讓學(xué)生再重新閱讀課本“科學(xué)方法”，來判斷如何處理重復(fù)組的數(shù)據(jù)。學(xué)生馬上就可以領(lǐng)悟：重復(fù)組是在相同的條件下取平均值，而1～7組和8～14組的器材不同，所以不是重復(fù)組。在真實的場景下完成科學(xué)方法的教學(xué)，學(xué)生理解透徹，印象深刻。

2.2 分析錯誤數(shù)據(jù)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

如分析表2，16個小組的實驗數(shù)據(jù)全部展示在屏幕上或者黑板上，讓學(xué)生一目了然地看到全班其他小組的數(shù)據(jù)和自己的差異。一方面學(xué)生面對數(shù)據(jù)的差異，就會思考和反思自己的實驗是否存在問題；另一方面教師可以及時掌握每個小組的實驗情況，然后根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整教學(xué)，體現(xiàn)了“教學(xué)即評價”的過程性評價過程。在表2中，第八組沒有數(shù)據(jù)，教師可以讓第八組的學(xué)生分析原因，是合作不到位，分工不明確，耽誤了實驗時間，還是操作有錯誤，沒有按照設(shè)計好的方案進(jìn)行實驗，從而沒有數(shù)據(jù)。教師借此進(jìn)行非智力因素方面的教育，如小組合作學(xué)習(xí)和聽講思考的重要性，讓學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，學(xué)會合作分工。

除了5組、7組的數(shù)據(jù)反映的是明亮比陰暗環(huán)境中鼠婦的數(shù)量多，其他13個小組都是陰暗環(huán)境中的多。教師再引導(dǎo)學(xué)生通過求和或求平均值，就可以得出結(jié)論：鼠婦適宜生活在陰暗的環(huán)境，光會影響鼠婦的分布。但是為什么5、7組的數(shù)據(jù)是明亮的環(huán)境中鼠婦數(shù)量多呢？接下來教師引導(dǎo)學(xué)生分析原因：① 如果只有一組數(shù)據(jù)，可能具有偶然性，所以在進(jìn)行科學(xué)實驗的過程中，要進(jìn)行重復(fù)實驗，還要讓實驗對象的樣本不能太少，從而避免誤差。② 可能實驗過程中操作不規(guī)范，如大聲喧嘩、掀開蓋子數(shù)數(shù)等行為影響鼠婦的行為。這樣分析數(shù)據(jù)的過程不但有科學(xué)方法的教育，還會促進(jìn)學(xué)生反思實驗要規(guī)范行為，有效地培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

總之，在探究過程中，教師要幫助學(xué)生正確處理和分析實驗數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了科學(xué)對事實的尊重，也是培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑。