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科研论文

从实验数据中培养学生实证意识的教学策略

作者:章俐鑫、张银华 来源:浙江教育资源网点击数: 发布时间:2019-02-22 13:14
    【摘  要】实证意识是一种重要的科学核心素养。科学课程标准指出:科学探究要培养学生的实证意识。在教学中,教学实验数据的记录、观察和预测是对自然现象进行定量分析的基础,也是培养学生实证意识的关键所在。本文从教学实验数据的记录、分析以及推测运用三个方面,谈谈从实验数据中培养学生实证意识的方法。
    【关键词】数据 实证意识 小学科学 证据
 
    《小学科学课程标准(3~6年级)》明确指出:在让学生获得知识的同时能形成“尊重事实、善于质疑”的科学态度,在科学学习中能注重事实。这就是要求学生从事实、证据出发去探求结果。科学的本质是实证的,提高实证意识是最具有普遍意义上的教育价值。
    在探究活动中,我们经常需要用数据来作为证据,这是一种体现实证意识的重要方法。那么,如何在数据方面培养学生的实证意识呢?本文从教学实验数据的记录、分析以及推测运用三个方面,谈谈从实验数据中培养学生实证意识的方法。
    一、实事求是,准确记录数据
    实证是指用事实证据解释自然界的现象和规律。在科学课堂上,教师要引导学生重视证据,不能随便下结论,每一个结论的获得必须要有充足的证据,让学生经历证据的获得过程,对于培养实证意识具有重要意义。科学探究中获得的数据正是一种重要的证据表现形式,因此在记录数据时,让学生明白实事求地记录数据是尊重事实的首要条件。
    在教学中,实验获得的数据不仅可以引导学生思考实验研究的问题,还能为之后的探究提供思考方向。例如在五下《摆的研究》一课中,研究摆锤与摆的快慢这一实验中,学生在学习前会习惯地认为摆的快慢与摆锤重量有关,推测摆锤越重摆的次数越多。在实验中,正确操作且准确记录的小组会得到如下(表1)数据:
                   表1:15秒内摆动次数记录表

  原来重量 两倍重量 三倍重量
第一次 13 13 13
第二次 13 13 13
第三次 13 13 13
    从记录的实验数据中可以发现,增加重量后摆的次数仍然是13次,继而引导学生思考:摆的次数与摆锤重量是否有关呢?数据中可以看出显然没有关系。然而,个别小组在实验时,由于前概念和操作上的问题,可能会出现对自己得出的数据怀疑而改变数据的情况。如下(表2):
表2:15秒内摆动次数记录表

  原来重量 两倍重量 三倍重量
第一次 13 13 14
第二次 13 14 14
第三次 13 13 14
    分析上表,不难发现两倍重量时出现的数据既有与原来重量也有与三倍重量重叠的数据。这组数据既不能说明问题,又值得深思。教学中,要抓住这样的机会问学生,到底是记录出错呢,还是确实如此。追问之下发现,这一小组同学在测得第二次两倍重量也是13次的时候就感到疑惑,甚至产生了疑问,怎么还是13次呢?在这样的情况下,组长觉得自己原来的猜测是正确的,怀疑是组内的操作有问题,于是将数据改成了14。看来,很多时候学生在前概念的暗示下,或某个“权威学生”的决定下,往往会对数据进行修改。经过这样的追问和反思,肯定能让学生意识到,数据不可随意修改,记录数据必须实事求是,严格准确。
    又如在六上《抵抗弯曲》一课中,实验通过放垫圈的方法来探究横梁的宽度、厚度与横梁抗弯曲能力的关系。在活动之前,引导学生思考,垫圈放的位置,最后一个垫圈算不算等问题。目的在于统一要求,尽量减少可能影响数据准确性的因素。讨论达成共识,垫圈要放在横梁的中间位置,最后一个压倒横梁的垫圈不计算在内。这样的讨论,不仅是准确记录实验数据的前提,也是培养学生实证意识的重要之处。在课堂上,还有学生拿着这样的垫圈(如右图)说:“老师,这个垫圈缺了一角,这样就不能保证每个垫圈的重量是相同的。能给我们换一个吗?”这个发现正说明了该学生已经有了一定的实证意识。
    准确记录数据是探究后整理分析数据的重要保证。在平时的课堂中,要积极引导学生减少实验误差,尽量避免错误操作,严格控制一些不变条件,同时要让学生明白必须准确记录实验数据。
    二、逐层推进,统计分析数据
    准确记录数据后,学会科学分析数据是探究活动后思维提升的重要阶段,更是探究活动的另一个重要层面。分析数据是一个共享与分析、整理的过程。从某种意义上来说,前面的探究活动和数据采集都是为了这一分析整理的过程。这一过程,也是培养学生核心科学素养的关键时机。为了帮助学生更好的分析整理数据,可以从以下三方面着手:
    (1)统一数据
    要分析整理数据,首先必须统一数据单位。不仅要统一单位,还要选择容易让学生分析数据的单位。
    如在五下《用水测量时间》一课中的滴漏实验,需要至少重复观察两次从300毫升水中漏出100毫升水的时间。实验结束后,统计全班各小组测量时间如下:
    从表中可以发现,时间单位有分和秒。学生在观察发现时,难以直观感受到其中的用时规律。大致一看,两次测量的时间差距较大。那么不妨在实验前要求学生记录时,对数据进行换算,全部以秒作为单位。换算后可以得到如下数据(表3):
表3:从300毫升水中漏出10毫升水时间汇总表

  1 2 3 4 5 6 7 8 9
第一次 115〞 135〞 181〞 167〞 117〞 152〞 183〞 157〞 123〞
第二次 123〞 150〞 176〞 160〞 126〞 165〞 223〞 181〞 127〞
    换算成以秒为单位后,不难发现,其实大多数组的时间是接近的。这样学生就会发现,如果在不考虑误差的情况,相同装置相同水量的情况下,漏出同样的水是有一个相对固定的时间的。古人用水钟来计时,肯定不能像现在钟表一样精确,能控制在一个较小时间误差内,已经是从太阳钟到水钟的一个重大进步了。
    可见,统一数据单位是分析数据、整理数据的首要条件。
    (2)分析数据
    分析数据,从数据中概括出探究的发现和规律,是探究活动的重要环节,更是学生科学核心素养的直接体现。在这一过程中,学生对数据整理后的发现和思考都是科学探究的证据。那么如何让学生学会科学的分析数据,我们可以从以下几方面有所思考。
    1.横纵观察
    横纵观察是指当统计表数据出现时,可以纵向、横向进行对比观察。如上面的表3,通过纵向观察的方法可以发现,两次测量的时间都是差不多的。横向观察的话可以发现每组的数据有些不同,那可以引发思考是什么原因造成的。前面的《摆的研究》中的表1,也是通过纵向横向的观察去发现摆的次数与摆锤重量的关系的。横纵观察是分析数据的第一步,也是最简单的方法。
    2.众中取数
    众中取数是指在分析数据时可以采用选择众数或者中间数的方法。如六下《拱形的力量》一课中,不同力抵住拱足的对比实验获得数据如下: 
    从中可以发现,分析这张表的数据时,由于每次的数据都有些许不同,因此,在最后一栏承受的铁垫圈的个数时,这位学生第一行和第三行有两个以上数据相同,因此采用了众数的方法。第二行三个数都不相同的情况,采用了中间数的方法。重要选择好数据之后,观察这一组垫圈数量和抵住拱足的书本数量后,就能很容易发现他们之间的关系。
    3.和均计算
    和均计算是指计算总和或平均数的方法来分析数据。如六上《电磁铁的磁力(二)》一课中,测量电磁铁的磁力大小与电池数量关系的实验中,获得如下图数据:

     这里由于磁力每次吸引的大头针数量几乎都不相同,因此在不能取众数或中间数的情况,我们可以计算总和或者平均数的方法。
    4.图表突显
    图表是一种能让数据以直观方式体现数据差异的有效方法。国外的NEOMAM工作室研究表明:我们的大脑有将近50%与处理视觉信息有关,每一次处理过程只需要0.1秒。当信息以图表的方式呈现时,和大段的文字相比,我们可以更快地了解其含义。而且人们能够记住80%亲眼所见和经历的事情,而听过的事只能记住10%,读过的文字也只能记住20%。可见,视觉信号的记忆更持久。我们的大脑决定了我们更喜欢看到图表,更容易理解和记忆图表所带来的信息。因此,利用图表来凸显实验中的数据,可以让学生更直观地分析数据。
    科学作业本中也有一些根据数据来制成图表的内容,让学生更容易发现数据之间的差异或联系。如四年级上册《天气》单元中有“一天的气温柱状图”、“一个月的降水量柱状图”等,这些图表的制作可以让学生更好的观察其中的变化过程。当然,除此以外,还有许多数据也可以用图表的方式,让学生可以更直观的感受到数据的差异变化。如在五下《用水测量时间》一课的滴漏实验中,有老师用这样的图表让学生记录数据(如左上图),直接让学生在这样的图表上画出刻度线的高低,比简单的记录数据更能让学生看出三次重复实验的数据是接近水平的。从而,能更好地理解相同水量时,滴漏有一个接近固定的时间。
    又如五下《地球的运动》单元中的《为什么一年有四季》一课中刘晋斌老师在引导学生探究阳光的角度和影子的关系时,将一天中阳光的角度和影子长短乃至一年的阳光角度和影子长短都用柱状图来表示,这比一堆数据让学生来观察,更直观和具体。(如左下图)学生明显地看到一天乃至一年中阳光斜射是影子长,直射时影子短的变化规律。这样的理解非常形象又深刻的。
我们在教学中,只要用心发现,必然还能找到更多可以借助图表更好地来体现数据的地方。
无论哪种方法去分析数据,都是为了帮助学生更好的理解数据的意义和数据背后透漏的信息。让数据说话,让数据成为体现我们想法的证据。
    (3)特殊数据
    教学中由于种种原因,学生得到的数据出现个别差异是非常常见的。首先教师应该明白这种特殊数据的出现是正常的,也应该引导学生去理解,更应该允许学生存有不同意见。在统计全班的数据时,如果有学生发现自己组的数据与大多数小组数据不同时,他们还能正视这一数据,坚持已见的话。教师应该予以肯定,因为这正是实证意识的体现。反之,如果他们犹豫甚至想修改数据,这才是缺乏实证意识的槽糕事呢。如五下《用水测量时间》一课中,滴漏实验如果小孔堵住了,或者操作配合上一出现问题就很容易出现特殊数据。遇到这样的情况,如果特殊数据的组较多,那很大可能是实验器材有问题,需要改进。有可能是小孔太小了,以至于一有杂质堵住小孔,水流速度就会大大减小。如果偶有一组,那么先检查器材的情况,再检查操作的情况……相信总能找出原因。
    数据有时候会显得杂乱,但是我们要让学生通过分析和处理,找到能发现问题的重要数字,使得数据变成证明我们想法的证据。
    三、有据可依,推测运用数据
    测得的数据不仅能告诉我们一些信息,还能帮助我们推测出更多的信息,而且这些信息往往不是凭空猜测的,而是有依据的。在科学课上,我们经常需要学生推测数据,这里的推测就是需要证据的合理推断,而不是盲目的随意猜测。
    如在六上《抵抗弯曲》一课中,学生主要探究横梁的宽度和厚度与横梁的抗弯曲能力的关系。在探究了宽度与抗弯曲能力的关系时,得到以下数据:
    那么在此基础上,可以提问,如果有6倍宽的纸梁的话,你觉得能放几个垫圈。学生会推测6个。这个推测是建立在前面一倍宽、两倍宽和四倍宽分别是1、2和4个垫圈的基础上的,是有依据的推测。之后,在探究厚度与横梁的抗弯曲能力关系时,再次根据宽度结果预测和实测,得到如下数据:

    从这些数据发现增加厚度比增加宽度所承受的垫圈大大增加,那么如果让学生来推测6倍厚、8倍厚的垫圈个数时,学生的推测肯定会依据前面的个数来推测。这正是体现了科学的核心素养实证意识,实证也可以是有依据的推断。  
    数据本身就是证据,学会使用数据这一种证据正是学生需要的科学核心素养,也是实证意识的最好体现方式。科学课要从观察实验活动课走向科学探究活动课,迫切需要我们在探究活动中加强科学核心素养的培养。只要我们关注教学中的细节、关心学生对信息的处理,定能找到更多更好的方法培养学生的实证意识。
 
【参考文献】
[1] 《科学课程标准(实验稿)》[M].北京:北京师范大学出版社.2001.7
[2]《走向探究的科学课》[M].北京桂馨慈善基金会2012.6         

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