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科研论文

改变实验数据 构建概念思维 发展学生素养

作者:楼和东 来源:浙江小学科学点击数: 发布时间:2020-05-30 10:25
    ——谈小学科学中实验数据处理与学生探究思维培养
     摘  要整理和分析实验数据,提出科学概念,是科学探究的有效行为。小学生的概括能力较弱,需要将实验探究数据与多种形象、有序的图表结合,提高对数据处理的敏感性,结合对话开展分析交流,可以清晰地展示学生的思维和准确概念的形成过程,以追求思维的广泛性与深刻性,用思维的发展与增质来检测学生的探究行为,达到数据伴思维同行,体现科学探究有效的价值。
    关键词:科学探究;实验数据;处理;思维
 
    加德纳强调,让学生研究各种学科的目的,不是企望他们变成该领域的小专家,而是让学生在揭示真理、认识真理的过程中训练他们的思维模式,让他们用该学科特有的思考方式而非直觉来了解现象。科学课程标准明确指出,“科学探究不能只停留在形式上,在关注学生的动手同时,更要关注学生的思维发展”。 科学探究中,实验数据的整理和分析正是训练学生思维模式有效的载体。因而,整理和分析实验数据,提出科学的概念,是科学探究的有效行为,也是培养学生成为具有理性思维的人的一种途径。为此,在科学探究活动时,在寻求证据——得出结论阶段,对得到的数据,尽可能借助多种形象、有序图表,形成想象画面来分析数据和整理信息,能更好地帮助学生理解问题,改善探究思维状况,达到良好的学习效果。
    一运用有序表格数据——梳理逻辑性思维
    当前教学中有很多教师,把课堂中学生的气氛活跃当作思维活跃,认为学生已经能从杂乱的数据中分析问题,然后从中找到规律,因而轻视了通过实验数据的整理分析过程。其实在现实的课堂上,很多课到最后,学生还是找不出结果,此时教师往往会草率地将科学结论硬塞给学生,学生也只好在一片迷茫中接受你塞给的知识,违背了发展思维的目的。提高学生对数据处理的敏感性,是强化思维训练的有效途径。因此,在设计探究活动表时应尽可能让表格数据有序、指向明确,且承载的规律少一点,方便学生根据探究数据进行整理和分析,帮助学生开动思维。
    例如教科版《科学》六年级上册《工具和机械》一章第2节《杠杆的科学》一课,在数据分析和研究规律这一环节,先师生集体交流在杠杆左右只选一个位置挂钩码,怎样使杠杆平衡。然后让学生以小组为单位开展“在杠杆上的左边一个位置挂钩码,在右边一个不同的位置,挂上钩码,使杠杆尺平衡”的实验。实验时间6分钟左右,尽量多地做不同的摆法,把实验结果填在记录表中。记录如下:
 

    由于学生记录的数据是无序,且承载着杠杆中的好几个规律,加上学生对数据的不敏感,在分析时又脱离了刚才直观的实验器材,思维难度过大,结果学生很难从中分析出杠杆中存在的现象,到最后只好将其中的规律告知学生。
    通过改变操作的表格,将上表改成三张实验探究记录表,即改成“用力情况(省力)”、“用力情况(费力力)”、“用力情况(不省力也不费力)”三张。每项实验分开做,做3次以上,然后开展猜想并验证,同时想一想在什么情况下杠杆省力、费力、不省力也不费力?让学生在大量的操作基础上,收集数据,分析数据,接着抽象地模拟实验推理,最后根据数据结合示意图得出科学概念,这样改变以后的效果比先前的效果好了很多。
    再如在讨论省力的杠杆中,对汇报的数据,不能学生说一个教师抄一个,而应该特别要注意对数据有序的编排,以便学生能从一系列数据中寻找到规律。其中汇报的三个环节:第一让学生任意报然后填写。第二让学生报一个填写,然后相对应的问“在左边不变的情况下,右边还有哪些也是省力的?”,以让学生来验证数据,增加思考力。如当学生汇报到“左边阻力点到支点的距离2格,钩码数1个,右边用力点到支点的距离3格,钩码数1个,省力”时。问哪些组右边还有不同的挂法也是省力的?此时让学生根据数据讨论省力杠杆的省力的原因,初步得出当阻力点到支点的距离小于用力点到支点的距离时,杠杆省力。记录表如下:


    第三为了加深印象,继续开展模拟推理演示实验。“要使杠杆平衡,当在阻力点到支点的距离一格处挂1个时,另一个钩码应该挂在用力点到支点距离( )格处?”接着“在阻力点到支点的距离一格处挂2个时,另一个钩码应该挂在用力点到支点距离( )格处?”然后继续演示“当在阻力点到支点的距离一格处挂3个时,另一个钩码应该挂在用力点到支点距离( )格处?接着教师指着杠杆尺问“在阻力点到支点的距离一格处挂4、5、6、7、20、100、1000……个时,用手势来表示另一个钩码应该挂在用力点到支点的距离( )格处?”这样在不断的追问中,让学生思考为什么阻力点到支点的距离一格处挂的钩码越来越多,用力点却仍然是一个,杠杆尺还是平衡?为了能清晰地展示学生的实验过程,提高学生的思维度,让学生将刚才的实验过程用示意图来表示刚才的实验结论。最后讨论如下图,这样让学生更加明白省力杠杆的理由,如果学生今后忘记了其中的结论,只要回忆起刚才的示意图,就会重回刚才的实验过程。
    如此改变探究表格,学生不但有充分的时间做实验,实验中边猜想边验证,取得大量的实验数据,而且在有序的表格中开展数据分析,加上直观的示意图,能够更加清楚明白杠杆的三种情况,准确地落实科学概念,同时激活学生的思维,增加思维的条理性。
    二、组织数据交流对话——活跃发散性思维
    学生对实验中获得的数据,往往通过简单整理,就进行分析总结,这样或许是直观但是表面的,也往往不完整,此时应组织开展交流,通过相互启发、补充,让学生自己归纳出数据里蕴涵的科学规律,形成准确的科学概念。
    如在教科版《科学》五年级上册《运动和力》一章第4节《测量力的大小》一课中,要“探究弹簧伸长长度与拉力关系”时,可以采用增加数据记录的方式(数据表格设置如下),然后引导学生进行互动交流,使科学概念能有效得出。以下是较有效的交流教学片段:

勾码20克数量(个) 1 2 3 4 ……
弹簧伸长(厘米) 0.45 0.85 1.17 1.58 ……
 
    学生:把勾码挂在弹簧下,我们组的数据是(见上表)
    我们的发现:勾码越多,弹簧伸得越长;勾码越少,弹簧伸得越短。
    教师:弹簧伸长中的数字表示什么?
    学生:表示弹簧伸长的长度,数字越大表示伸得越长。
    教师:勾码的数量表示什么?
    学生:弹簧受到的拉力。
    教师:这个实验你发现什么?
    学生:弹簧受到的拉力越大,伸得越长;弹簧受到的拉力越小,伸得越短。
    接着教师(手指着“……”):假如勾码是5个,那弹簧伸长多少?勾码是6个,那弹簧伸长多少?勾码是20个,那弹簧伸长多少?50个呢?100个呢?对于这样的结论,大家有意见吗?
    学生:我有意见。弹簧的伸长是有限度的,不会这样无限制的挂下去。
    老师:这个你都发现了,很了不起。
    ……
    学生对实验数据和各种信息的分析,往往会考虑不周,此时对实验结论,教师切不可直接点明,应通过师生的对话互动,将探究过程中,未出现的数据以采用想象推理的体验方式,开展交流对话,增加对数据的感悟过程,以培养学生思维的严谨性,探究的客观性。
    三制作数据直观图表——促成概念性思维
    研究表明,人的第一印象作用是最强的,持续的时间也长。人们对于事物的整个印象,一般是以第一印象为中心形成的。教师应充分抓住这个特征,将实验得出的数据,通过动手制作一些直观、形象的图表,用图表记录的数据展开充分的讨论,以帮助学生借助图表将实际发生的情境同思维发展联系起来,形成想象画面来分析数据和整理信息,以便学生能准确形成科学概念。
    (1)数据与柱状图
    如教科版《科学》五年级下册《时间的测量》第2节《太阳钟》一课,为了落实阳光下物体影子在一天的变化规律这一科学概念,我让学生课前收集一天中杆影变化的数据后,再让他们动手制作柱状图(下图所示)。通过将数据表换成柱状图,学生就很形象、直观的看出从上午9时到12时太阳影子在逐渐缩短,12时以后,太阳影子的长度逐渐变长;一天中中午太阳下影子最短这一科学概念,解决了许多学生面对这些数据看不出其中的内隐规律。
(下表是学生用10厘米高的木条,测得一天各个时段太阳下影子的长度。)

时间(时) 9 10 11 12 13 14 15
影长(厘米) 14.2 11.4 9.8 8.8 10.2 14.7 19.7
 
    (2)数据与折线统计图
     为了培养学生的估测意识,让学生有一种及时验证猜想的欲望,我们可以继续对数据进行处理。
    如在学校五年级下学期的一次《牛顿乐园》自主课中,我将课本《热》一章中第2节《给冷水加热》进行了拓展,让学生“探究水加热过程中的秘密”时,让学生测量一杯水的温度采取两个步骤来开展。第一步:给一烧杯冷水加热,加热记录4分钟后,让学生想一想,如果这样加下去,这杯水的温度会到几摄氏度?每隔2分钟记录一次温度(注意保持火焰的稳定性),并将结果记录在下表中。

时间(分) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ……
温度(摄氏度) 11 24 40 54 67 80 92 104 106 106 106 ……
    为了让学生能很好的验证自己的猜测,就将上述表格中的数据,用折线统计图表来显示,然后结合图你在实验过程中的想法。
        
    通过这张图表,学生能对最后4分钟的印象会记忆犹新,会更加形象、直观的感受到此时水加热到一定温度是不会再上升的。
    然后让学生猜测这杯热水停止加热后,如果每隔2分钟测量一下它的温度,温度的下降又将是怎样的? 哪个阶段下降的温度比较快?到一定时候温度会是怎样?让学生能透过数据,结合这张图,又一次直观的感受到热水在降温过程中是先快后慢,到一定温度就不会再下降这一降温规律。

时间(分) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 ……
温度(摄氏度) 106 100 93 88 85 81 77 74 71 67 64.5 62 59.5 ……

    通过这种图与表的结合,学生就能很快判断出事物的发展趋势,能在头脑中留下一定的印象,形成头脑表象。这对于一些抽象概括能力弱的学生很有帮助,他们往往可以借助大脑表象来准确表述科学概念,提高科学教学的实效性。当然,在这个过程中,也要提醒学:用数据预测,是对未来的一种估计,是发现问题的基础,可能符合实际,也可能出现错误,不能把预测当作绝对正确的科学概念,应结合实际情况开展有限度的预测。
    总之,在科学探究过程中,应该注重实验数据的收集与整理。将测量所得的数据与多种形式的图表结合,让数据变得“鲜活”,同时注入探究者更多的感悟经历,将思维与实际的探究情境有效联系起来,实事求是地开展分析和推理,能让学生形象地认识到事物的变化之间是有联系和规律的,从而真正实现探究过程中学生思维广泛性与深刻性,真正达成探究培养思维能力,提升学生学科核心素养。

 
参考文献:
[1]约翰.杜威.我们怎样思维.经验与教育[M].北京:人民教育出版社,2005.
[2]张红霞.科学究竟是什么[M].北京:教育科学出版社,2003.
[3]蔡铁权等.概念转变的科学教学[M].北京:教育科学出版社,2009.
[4]艾斯勒.走进中小学科学课全景式教学方法(第八版)[M].长春:长春出版社,2003.
[5]罗克威尔.科学探究活动手册---科学实验方法与技巧[M].长春:长春出版社,2003.
 

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