小學(xué)科學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)異常數(shù)據(jù)的處理策略與成因分析

◎韓曉艷

小學(xué)科學(xué)是體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)且十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木C合性基礎(chǔ)課程。在科學(xué)課程教學(xué)中，經(jīng)常需要進(jìn)行探究性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展則依賴于從實(shí)驗(yàn)操作中得來(lái)的確切數(shù)據(jù)。但從目前很多小學(xué)科學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀看，很多時(shí)候，學(xué)生得到的往往是與實(shí)際科學(xué)規(guī)律或生活經(jīng)驗(yàn)不相符合的異常數(shù)據(jù)。

例如在一次隨堂課中，教師帶領(lǐng)學(xué)生做“比較水和油的吸熱和散熱性能”的實(shí)驗(yàn)。正常情況下，油溫上升速度比水溫上升速度快，可是溫度計(jì)顯示的結(jié)果卻和設(shè)想的結(jié)果截然相反。如果讓學(xué)生再做一遍實(shí)驗(yàn)，時(shí)間上來(lái)不及，于是教師只能告知學(xué)生書(shū)上的結(jié)果然后宣布下課。這種和設(shè)想不一樣甚至截然相反的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就是異常數(shù)據(jù)。出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并不可怕，關(guān)鍵是我們對(duì)待異常數(shù)據(jù)的態(tài)度。面對(duì)這樣的情況，如何做到既尊重科學(xué)，又兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)的信心和成就感，這也是很多科學(xué)教師面臨的難題。

一、常用的異常數(shù)據(jù)處理策略

(一)尊重異常數(shù)據(jù)

一次在進(jìn)行“彈簧拉力”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，彈簧長(zhǎng)度為6cm，學(xué)生在彈簧下端分別掛上1～5個(gè)鉤碼來(lái)測(cè)量彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度。各小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

教師將各小組分別掛1～5個(gè)鉤碼的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表呈現(xiàn)后提問(wèn)：“同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？”學(xué)生回答：“掛的鉤碼越多，彈簧拉得越長(zhǎng)?！苯處煟骸班?，很好！”一名學(xué)生提出異議：“老師，我們組發(fā)現(xiàn)掛四個(gè)鉤碼和掛五個(gè)鉤碼彈簧的長(zhǎng)度差不多。掛四個(gè)是10.8cm，掛五個(gè)是11cm?！苯處焼?wèn)：“是嗎？其他小組也是這樣嗎？”除該組外其余學(xué)生都搖搖頭。教師說(shuō)：“那肯定是你們弄錯(cuò)了?！?/p>

真的是學(xué)生弄錯(cuò)了嗎？有這個(gè)可能，但也不排除這根彈簧已經(jīng)到了它的測(cè)量極限。教師沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證就斷言學(xué)生錯(cuò)了，這說(shuō)明教師對(duì)待異常數(shù)據(jù)的態(tài)度有誤?？茖W(xué)課堂注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)，具體的表現(xiàn)就是用數(shù)據(jù)說(shuō)話。真實(shí)的數(shù)據(jù)是學(xué)生探尋規(guī)律、總結(jié)規(guī)律、敢于質(zhì)疑的事實(shí)依據(jù)，教師不僅要教會(huì)學(xué)生尊重?cái)?shù)據(jù)，還需以身作則?，F(xiàn)實(shí)課堂中，不少學(xué)生在完成自己組的實(shí)驗(yàn)后還愛(ài)去打聽(tīng)其他小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)自己小組的數(shù)據(jù)和別組差距較大就會(huì)自行更改數(shù)據(jù)，甚至根據(jù)需要編一個(gè)數(shù)據(jù)，這和科學(xué)課程求真的宗旨相背離。

(二)反推實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在本文開(kāi)頭的實(shí)驗(yàn)案例中出現(xiàn)水升溫比油升溫快的結(jié)果是出乎大家意料的，下課后筆者仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在確定溫度計(jì)準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)無(wú)誤后，又重做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)還是這樣的結(jié)果。到底是哪里出了問(wèn)題呢？最后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槭蘧W(wǎng)使用時(shí)間太久了，放在裝水燒杯下面的石棉網(wǎng)上的石棉掉了很多，變成鏤空的了；而裝油的燒杯下的石棉網(wǎng)則正常，所以出現(xiàn)了這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在更換了兩塊幾乎一樣的石棉網(wǎng)后，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加熱后油溫明顯升得快了。

若實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了異常數(shù)據(jù)，教師要和學(xué)生反推實(shí)驗(yàn)過(guò)程，尋找原因，而不是直接否定學(xué)生的數(shù)據(jù)，打擊學(xué)生的積極性。反推實(shí)驗(yàn)的過(guò)程一般包括以下幾個(gè)方面：重新檢查實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是否合理；變量與不變量的控制是否正確；實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否與設(shè)計(jì)一致；實(shí)驗(yàn)器材有沒(méi)有問(wèn)題；有沒(méi)有環(huán)境因素的干擾……這些方面逐一排查之后一般都能找到出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的原因所在。

一次在研究“磁鐵不同位置的磁性強(qiáng)度”時(shí)，教師讓學(xué)生在磁鐵上等距離標(biāo)注了ABCDE五個(gè)點(diǎn)，然后在各點(diǎn)上首尾相連懸掛回形針，再根據(jù)懸掛的回形針數(shù)量來(lái)判別磁鐵不同位置的磁性強(qiáng)弱。

從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)某組在ABCDE每個(gè)點(diǎn)的回形針個(gè)數(shù)基本上是其他組對(duì)應(yīng)點(diǎn)回形針個(gè)數(shù)的雙倍還多，雖然實(shí)驗(yàn)揭示的磁鐵磁性強(qiáng)弱情況沒(méi)有問(wèn)題，但這個(gè)數(shù)值明顯有些異常。教師從這組數(shù)據(jù)出發(fā)引導(dǎo)該組學(xué)生反思其實(shí)驗(yàn)過(guò)程并在全班展示，其他組學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：該組的回形針是橫著放的，因?yàn)楹痛盆F的接觸面積大了，所以磁力也大了，吸附的回形針也多了許多。再讓他們按照與其他組一樣的掛法操作，得到的數(shù)據(jù)就基本與其他組一致了。

(三)重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

找到了問(wèn)題的癥結(jié)所在，重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證是檢驗(yàn)問(wèn)題的有效方法。重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一般可以通過(guò)如下兩種方式來(lái)進(jìn)行。

1.當(dāng)眾演示

當(dāng)眾演示的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍糯髮?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，有利于學(xué)生順利找出并改正錯(cuò)誤，同時(shí)也有利于培育師生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

在研究“擺的快慢與擺錘重量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，教師讓學(xué)生將擺繩統(tǒng)一設(shè)置成10cm，然后分別掛一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)鉤碼逐一增加擺錘重量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中有一個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，在一定的時(shí)間內(nèi)，每次實(shí)驗(yàn)擺的次數(shù)均不相同，似乎印證擺的快慢與擺錘質(zhì)量相關(guān)，但實(shí)際上我們都知道，擺的快慢與擺錘重量無(wú)關(guān)。那么這組學(xué)生為什么會(huì)得到異常的數(shù)據(jù)呢？于是教師讓這組學(xué)生到講臺(tái)上演示，通過(guò)演示操作，大家都發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：他們掛鉤碼的方法與其他小組不同，該組將鉤碼垂直掛成一長(zhǎng)條，而別的組都是將鉤碼平行掛成一長(zhǎng)排。掛法的不同導(dǎo)致了實(shí)際擺長(zhǎng)的增加，當(dāng)然在一定時(shí)間內(nèi)擺的次數(shù)也不同。

當(dāng)眾演示的方法能夠很好地解決學(xué)生們的困惑，同時(shí)對(duì)全班學(xué)生有良好的啟示意義。異常數(shù)據(jù)很有可能是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但不是所有的異常數(shù)據(jù)都是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，讓發(fā)生異常數(shù)據(jù)的小組上臺(tái)演示，首先應(yīng)該肯定他們所做的努力，而不能打擊他們的自尊心。

2.重復(fù)實(shí)驗(yàn)

在研究“橡皮筋纏繞的圈數(shù)與小車運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系”時(shí)，教師根據(jù)學(xué)生的統(tǒng)計(jì)匯報(bào)，將各組數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，表1是其中兩個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 有關(guān)“橡皮筋纏繞的圈數(shù)與小車運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

教師問(wèn)：“發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？”學(xué)生回答：“纏繞的圈數(shù)越多小車運(yùn)動(dòng)的距離越遠(yuǎn)?！庇袑W(xué)生站起來(lái)說(shuō)：“不一定，我們組纏繞6圈時(shí)小車運(yùn)動(dòng)的距離比4圈時(shí)更近?！睘槭裁磿?huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題呢？這組數(shù)據(jù)是偶然發(fā)生的還是普遍現(xiàn)象？通常我們會(huì)將一些容易出現(xiàn)不確定因素的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)進(jìn)行三次，以取得平均值，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)教師只安排學(xué)生做了一次，當(dāng)然不容易準(zhǔn)確了。重復(fù)實(shí)驗(yàn)的作用：一是因?yàn)橛姓`差，需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)校正；二是說(shuō)明此實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行，以表明結(jié)果是經(jīng)得起檢驗(yàn)的。[1]這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，如果排除了其他影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的原因，最需要進(jìn)行的驗(yàn)證方式就是重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

二、異常數(shù)據(jù)的成因及教學(xué)改進(jìn)

(一)學(xué)生方面：興趣雖濃，習(xí)慣不良，方法欠妥

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課的興趣比較濃厚，喜歡和非常喜歡科學(xué)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生占97.5%。學(xué)生喜歡上科學(xué)課的原因主要是認(rèn)為可以提高自身的實(shí)踐操作能力，也有少部分學(xué)生只是覺(jué)得實(shí)驗(yàn)課輕松好玩。

學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課的科學(xué)性認(rèn)識(shí)不足，部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度不夠端正，實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟惶鞔_，基本實(shí)驗(yàn)操作技能不夠規(guī)范。例如，有15.8%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前未注意傾聽(tīng)實(shí)驗(yàn)要求，有12.3%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)不能夠按實(shí)驗(yàn)步驟規(guī)范操作。有學(xué)生在使用酒精燈給物體加熱時(shí)并非用外焰，使用天平時(shí)不用鑷子夾取砝碼而是直接用手拿，使用測(cè)力計(jì)前沒(méi)有進(jìn)行調(diào)零，另外在使用溫度計(jì)、顯微鏡等工具時(shí)也會(huì)發(fā)生一些操作錯(cuò)誤。能夠做到小組合理分工合作的只有66.9%，還有一些小組是由組長(zhǎng)一人操作實(shí)驗(yàn)，其他學(xué)生當(dāng)看客；有32.7%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)只需動(dòng)手操作，無(wú)需填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)記錄單。如在“模擬晝夜變化”的實(shí)驗(yàn)中，部分學(xué)生沒(méi)有認(rèn)真聆聽(tīng)教師的講解，沒(méi)有搞清楚地球儀轉(zhuǎn)動(dòng)方向要與地球?qū)嶋H自轉(zhuǎn)方向一致，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。

教師應(yīng)改變學(xué)生隨意散漫的不良實(shí)驗(yàn)態(tài)度和操作習(xí)慣，讓學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為參照，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。教師通過(guò)規(guī)范實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，講解實(shí)驗(yàn)方法，觀看科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)視頻，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)特殊的學(xué)習(xí)過(guò)程。[2]這讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，科學(xué)家成千上萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)操作就是為了得到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，只有有了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的支撐，才能進(jìn)行下一步的科學(xué)探究。同時(shí)，教師要指導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成邊實(shí)驗(yàn)邊記錄的好習(xí)慣，對(duì)待所有的數(shù)據(jù)都要客觀公正，不能只挑選符合自身實(shí)驗(yàn)想法的數(shù)據(jù)而忽略甚至直接舍棄其他的數(shù)據(jù)。

(二)教師方面

1.實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)不夠充分

教師不僅是實(shí)驗(yàn)的組織者，還應(yīng)是實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)者、合作者，學(xué)生實(shí)驗(yàn)正確與否很大程度上取決于教師的指導(dǎo)。教師需在實(shí)驗(yàn)之前講明實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、目標(biāo)、步驟和注意事項(xiàng)，在實(shí)驗(yàn)中巡視指導(dǎo)，這樣才能使實(shí)驗(yàn)朝著有效探究的方向發(fā)展。教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)要考慮學(xué)生的認(rèn)知水平和動(dòng)手能力，按照從扶著走到逐步放開(kāi)的過(guò)程進(jìn)行。同時(shí)教師要考慮不同班級(jí)學(xué)生存在的整體性差異，充分了解學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，預(yù)判實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可能會(huì)遇到的困難和障礙，既要避免盲目追求教學(xué)開(kāi)放性、浪費(fèi)時(shí)間的無(wú)效探究，也要避免指導(dǎo)過(guò)度的機(jī)械式探究。

2.沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)時(shí)間

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，有36.6%的學(xué)生認(rèn)為課堂上實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠充足，主要是科學(xué)教師過(guò)多的講述支配和占據(jù)著大部分的課堂教學(xué)時(shí)間和空間，未能真正做到以生為本，還有少數(shù)教師為了趕超教學(xué)進(jìn)度，縮減學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生操作倉(cāng)促，以致出錯(cuò)。親身經(jīng)歷以探究為主的學(xué)習(xí)活動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)課程的主要途徑，科學(xué)課程應(yīng)向?qū)W生提供充足的器材和時(shí)間，保證學(xué)生獲得充分的科學(xué)探究機(jī)會(huì)。在探究式課堂教學(xué)中，分配給學(xué)生的自主學(xué)習(xí)時(shí)間至少應(yīng)有20分鐘，要讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。

3.對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)欠準(zhǔn)確

少數(shù)教師對(duì)所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理理解不透徹，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不嚴(yán)密，學(xué)生操作易出錯(cuò)。教材上的觀察、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，教師在上課前都要親自演練一遍。比如在“制取二氧化碳”的實(shí)驗(yàn)中，教師沒(méi)有對(duì)裝置的氣密性進(jìn)行認(rèn)真檢查，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成。又如在氣體收集階段，對(duì)于制取的氧氣或是二氧化碳，集氣瓶該正立還是倒立？采用哪種方法收集？這里所涉及的大氣壓原理、氣體的密度及水溶性等物理性質(zhì)，都是教師必須深刻理解和掌握的基本知識(shí)。假若教師自己沒(méi)有做下水實(shí)驗(yàn)，僅憑理論上的設(shè)想，到現(xiàn)實(shí)課堂上就容易出現(xiàn)意料不到的情況，浪費(fèi)學(xué)生寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)間，有時(shí)甚至?xí)斐蓢?yán)重的實(shí)驗(yàn)事故。因此，在每一堂科學(xué)實(shí)驗(yàn)課之前，教師一定要理論聯(lián)系實(shí)踐，做到胸有成竹。

4.課前準(zhǔn)備工作不夠充分

在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)教學(xué)過(guò)程中，難免會(huì)發(fā)生一些偶發(fā)性的事件。作為科學(xué)教師，我們必須明確，偶發(fā)性事件和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)本身有著密切的關(guān)系。因此，科學(xué)教師在實(shí)驗(yàn)前需做大量相關(guān)的準(zhǔn)備工作，尤其是在實(shí)驗(yàn)器材的選擇與準(zhǔn)備方面要精心細(xì)致，否則會(huì)影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效果。實(shí)驗(yàn)之前，教師要認(rèn)真選擇檢查實(shí)驗(yàn)器材，以保證實(shí)驗(yàn)的正常開(kāi)展和有效操作。實(shí)驗(yàn)研究的材料要具有多樣性和結(jié)構(gòu)性。比如研究“我們周圍的土壤”時(shí)，教師要力求從不同的地方采集不同的土壤，通過(guò)觀察，分析不同類型土壤的差異，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到不同的土壤適合種植不同的植物。如果教師只是進(jìn)行單一的樣本采集，由數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論往往是有悖于科學(xué)常識(shí)的。

科學(xué)探究是一個(gè)理性的過(guò)程，科學(xué)結(jié)論的形成是一個(gè)不斷修正的過(guò)程，它需要真實(shí)數(shù)據(jù)作支撐。異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是課堂中的一段小插曲，更是一次難得的探究契機(jī)[3]，而對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理方式則凸顯了教師的教學(xué)機(jī)智。當(dāng)我們面對(duì)異常數(shù)據(jù)時(shí)，需要尊重事實(shí)，切勿妄下結(jié)論；傾聽(tīng)不同見(jiàn)解，理性分析；引導(dǎo)學(xué)生深入探究，不隨意否定學(xué)生；重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)新的數(shù)據(jù)不斷修正、完善自己的結(jié)論，創(chuàng)造和諧、積極的學(xué)習(xí)氛圍。