利用數學方法開展科學探究

摘 要：科學探究要培養學生的實證意識，即運用數據來解釋相關的問題或現象。數據收集與分析能力是科學探究活動中的核心能力，小學中高年級學生已具備一定的數據分析能力，能夠將實驗獲得的數據通過圖形的方式直觀地表達出來。在小學科學的課堂教學活動中，教師要引導學生充分利用數據，正確收集數據，作出合理分析與解釋。運用這些直觀的數形結合的方式能使學生更好地理解復雜的數量關系，從而達到事半功倍的效果。

關鍵詞：科學探究；觀察自然；定量；數據變化；科學美；分析與解釋

中圖分類號：G623.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-010X（2015）23-0074-03

科學探究要培養學生的實證意識，即運用數據來解釋相關的問題或現象。數據收集與分析能力是科學探究活動中的核心能力，能培養學生實事求是、用事實說話的科學態度，也是培養學生科學精神的重要途徑。在小學科學教學中，很多探究活動需要學生收集數據，但不少老師不善于引導學生運用數學工具和思維方法分析數據，學生缺乏思維的思辨過程。因此，作為科學課教師，要培養學生科學探究中的數學意識，數學方法運用要循序漸進，在諸多方面進行研究。

一、生活中常見現象用數學方法定量觀察

科學學習要從學生周圍的生活入手，培養他們觀察自然、應用科學知識的能力。小學低年級段學生剛接觸科學課，對深奧的科學知識往往一知半解，可以通過從引導他們觀察校園里的動植物開始，慢慢培養他們的科學興趣和科學素養，為以后的科學探究打下良好基礎。

對于生命世界，兒童充滿了濃厚的興趣，他們喜歡與動植物交朋友，喜歡大自然中的一草一木，對有趣的動物、奇特的植物充滿了好奇。在學習《學校里的動植物》一課時，我要求學生用持續一周的時間在學校生物觀察區觀察動植物的變化情況，學生分組觀察一平方草地的動植物，記錄下這片區域的動植物種類以及數量等，學生對這種觀察活動特別感興趣，很多學生都認真地寫下了觀察日記，記錄下所觀察到的動植物種類、個數等等。指導他們運用科學的方法更簡單明了的記錄數據，啟發他們用表格的形式進行記錄。另外，學生還主動運用課上學到的方法觀察生活中常見植物的花瓣個數、橘子、蒜瓣的瓣數等。這些活動極大地調動了學生的積極性，使他們很自然地進行科學活動。

二、定量觀察中的數據分析及數形結合應用

小學中高年級學生已具備一定的數據分析能力，學生可以把實驗獲得的數據通過圖形的方式直觀地表達出來。例如水溫下降的曲線圖、水凝固成冰的過程、物體的運動速度等。

在學習《吸熱和散熱》一課時，學生對物體何時吸熱何時散熱總是混淆，我讓學生仔細觀察水在結冰過程中的現象，引導他們畫出溫度變化曲線圖，學生很容易接受了在溫度下降時是散熱現象，溫度上升是吸熱過程，學生還分析出：水在零攝氏度的時候開始變為冰，在此過程中水的溫度不變。（可以滲透晶體的共同特征：有固定的凝固點）。

學習《運動的快慢》一課，我讓同學們試著描述學生上學途中速度變化的情況。同時引導他們計算速度的方法：比較物體運動的快慢，可以計算出相同路程所用的時間，時間短運動快，時間長運動慢；也可以計算出相同時間運動的路程，路程長的運動快，路程短的運動慢。試著畫出小車運動速度的曲線圖，有些同學是運用的時間-路程之間的關系，而有的同學是利用時間-速度之間的關系。

學生分析上圖中斜線部分為勻速直線運動，水平方向為靜止不動。

分析上圖中斜線部分為加速運動，水平方向為勻速運動。陰影部分面積為所行進路程。

有位同學把父親從家到學校的路上的加速減速都具體形象地畫出來，很有創意。

三、數據變化規律的定量分析

小學高年級要求學生具有一定的歸納整理數據的能力，如在學習《我在成長》一課時，我在墻上貼出測身高的尺子，嘗試讓學生測量班級內學生的身高，通過書籍、網絡等搜集整理青少年學生身高增長規律，學生繪制了下表。

通過上圖可以清楚看出青少年時期身高發育的一些特征，比如女生發育時間比男生早，結束也早；男生平均身高比女生高等。

四、學生拓展實驗中的數學方法分析

好奇是孩子的天性，很多孩子經常問：一個磁鐵摔成兩半，會只有一個磁極嗎？兩個磁鐵合起來會不會變得更強，會是原來的倍數關系嗎？磁鐵不同部位吸大頭針的多少一樣嗎？遇到這些問題，我總是讓學生親自試一試，能自主解決的盡量讓他們自己找到答案，老師起到引導的作用即可，絕不干擾學生的自主思考過程，學生通過各種方法進行數據測量并把分析的方案與老師進行交流。

教材中，有很多實驗搜集的數據是高度明晰的，此時學生很容易從數據上輕而易舉解釋現象，并從現象中概括結論。但是我們此時往往容易就此滿足，未能引導學生進行數據分析方法的提煉，以后再遇到較為復雜的數據時學生仍然為茫然失措，不知從何入手。比如《電磁鐵》一課，學生研究的是電磁鐵的磁力與線圈圈數有關的實驗，通過教師的指導明白了線圈圈數必須間隔較大才能夠使實驗數據更具有可比性，因此出來的實驗數據學生幾乎不需要多大的思維參與就能概括核心概念（如下表）。

從表格中學生非常容易得出線圈圈數多則電磁鐵磁力強、線圈圈數少則電磁鐵磁力弱的結論。假如我們到此為止則學生對于數據分析的能力幾乎不能得到任何的提升。而如果抓住機會緊緊追問：“從表格中你發現了線圈圈數對電磁鐵磁力有什么影響？從哪些數據中發現的？你是怎樣比較出來的？”然后我們稍作提示：數據分析可以采用橫向比較、縱向比較、同一類縱向比、不同類橫向比等等，學生自然就會對數據分析具有了一定的策略，每次都做點滴積累，時間久了，學生的數據分析能力將會有較大的提高。

五、欣賞生活中有趣的科學美

在學習校園里的動植物時，讓學生認真研究一下花菜，他們會驚奇地發現花菜上的小花排列形成了兩組螺旋線，再數數螺旋線的數目，兩組數字之比是不是也是黃金分割，例如順時針5條，逆時針8條。掰下一朵小花下來再仔細觀察，它實際上是由更小的小花組成的，而且也排列成了兩條螺旋線，其數目之比也是黃金分割。在植物中，像牡丹、月季、荷花、菊花等觀賞性花卉含苞欲放時，其花蕾呈直的橢圓形，且長短軸的比例大致接近于黃金分割，在有些植物的莖上，兩張相鄰的葉片的夾角也是黃金分割排列，這種角度對植物通風和采光效果最佳。在植物中還有更多的黃金比例，等待著我們的發現。

我還引導他們繼續觀察人體的黃金分割：醫學與0.618有著千絲萬縷的聯系，它可解釋人為什么在環境22至24℃時感覺最舒適。因為人的體溫為37℃與0.618的乘積為22.8℃，而且這一溫度中肌體的新陳代謝、生理節奏和生理功能均處于最佳狀態。學生通過上網搜索還知道：最完美的人體：肚臍到腳底的距離/頭頂到腳底的距離=0.618最漂亮的臉龐：眉毛到脖子的距離/頭頂到脖子的距離=0.618

這些俯首皆是的生活現象融入科學教學之中，大大激發了學生學習和研究的熱情，原來科學如此之美，美就在我們自己的眼睛中。

總之，在小學科學的課堂教學活動中，教師要充分運用數據的作用，正確收集數據，作出合理分析與解釋。運用一些簡單的曲線圖、表格等能更容易解釋用語言難以解釋的科學現象，是學生強化思維、提高能力行之有效的方法。利用不同的數據創設情境、提出探究問題，引導學生探究，形成新的科學認識，提高學生探究水平。運用這些直觀的數形結合的方式能使學生更好地理解復雜的數量關系，從而達到事半功倍的效果。