小學生科學探究證據失真現象剖析與糾正策略研究

夏俊杰

【摘要】在科學探究中，建立證據意識是核心素養倡導的科學精神。學生在探究中表現出來的證據失真現象，對核心素養、知識建構、科學精神培育都會產生不利的影響。我們通過調查研究分析了問題產生的原因，并提出了重復實驗、對比實驗、評價數據等改進策略，以期有效消除這種現象，促進小學生科學精神、科學素養健康發展。

【關鍵詞】證據 失真 原因 糾正 策略

一、證據失真現象及原因分析

（一）失真現象

證（數）據失真是指學生通過臆造、估計、套用等方法獲得的與真實情況不符的實驗現象、數據等。在小學科學日常教學活動中，我們注意到這樣的現象：

現象1：學生在進行小蘇打與白醋的實驗中，筆者發現一組學生將反應后產生的氣體“倒”在點燃的蠟燭上，蠟燭的火焰變弱了，并沒有熄滅。這組學生看了看，了解其他小組的情況后，在實驗單上填寫下了“蠟燭火焰熄滅了”。

現象2：學生通過木棒影子的長短變化在操場上進行了“陽光下的影子”的測量。第三次測量時，筆者發現有三個學生并沒有對影子進行測量，卻都在實驗單上杜撰了一個數據。

從這兩個現象中，我們不難發現：學生在科學探究過程中明顯存在證據失真的現象。尋找證據、驗證假設是整個科學探究活動的軸心，是構建科學概念、培養科學素養的重要載體。科學探究教學中出現的這種現象引起了我們的高度重視，為了糾正這種行為，改進科學探究教學，提高證據的真實性、可靠性，我們開展了科學探究教學中數據失真現象的調查、剖析及改進策略的研究。

（二）原因剖析

為了進一步了解這種現象出現的原因，我們對相關學生進行了訪談，下面是訪談的實錄。

現象1的訪談：

師：關于小蘇打與白醋的實驗，老師明明看到你們這個實驗組的蠟燭火焰沒有熄滅，而在實驗單反映的卻是火焰熄滅了。

學生：在小蘇打與白醋的實驗中，我們組的情況是蠟燭的火焰沒有熄滅，但是我們看到周圍幾個小組的蠟燭都熄滅了，懷疑自己組在實驗操作方面出了問題，所以采用其他組的意見。

師：你們為什么不再重復幾次？

（生沉默）

現象2的訪談：

師：老師觀察到你們只對陽光下木棒的影子做了兩次測量，而在實驗單卻填得滿滿的，還有幾次數據是如何得到的？

學生：在經過兩次測量后，我們知道了下午影子會變長，所以對第三、四、五次測量數據，我們只不過是在前一個數據上加上了第一、二次的差值。

師：你們的數據是推定的。

（生點頭）

訪談中，我們還了解到了其他一些相關情況：如只做一次實驗就直接確定數據，甚至還存在著臆造數據的情況等。綜合來看，學生在科學探究中出現的數據失真情況主要有四種類型：（1）挪用證據;（2）杜撰證據;（3）證據可信度低;（4）推定證據。

調查中，我們發現學生證據失真存在的主要原因有：

1.對證據認識不足

學生為了貪圖一時的省力采用隨意估摸、推定證據，采用偶然性較大的數據等，充分反映學生在科學探究中對證據的重要性認識不足，態度不嚴謹。

2.從眾心理的影響

現象1中的學生明明知道了自己的探究結果與別人的不同，卻最后放棄了自己的數據，反映了學生缺乏自信，受從眾心理影響。

3.實驗技能不扎實

學生缺乏必要的實驗技能，導致了在實驗過程中應該發生的現象沒有發生，得到的實驗數據是不真實的。在無奈之下，學生抄襲了其他組的證據，導致了證據的虛假。

4.“迎合”教師心理

在教學中也確實存在學生為達到教師提出的要求，放棄自己通過探究獲得的真實證據，而改寫成教師事先設定的、學生必須達到的證據。

二、真實證據的教育價值

學生在科學探究中存在證據失真現象，明顯不符合新課標教學要求，也違背科學探究精神。

（一）探尋證據是科學精神的主要內容

中國學生發展核心素養指出，科學精神即崇尚真知，能理解和掌握基本的科學原理和方法，尊重事實和證據，有實證意識和嚴謹的求知態度，邏輯清晰。能運用科學的思維方式認識事物、解決問題、指導行為是核心素養所倡導的科學精神教育的主要內容。

（二）探尋證據是科學課程標準的基本要求

小學科學課程標準指出：（1）了解科學探究是獲取科學知識的主要途徑，是通過多種方法尋找證據、運用創造性思維和邏輯推理解決問題，并通過評價交流等方式達成共識的過程;（2）科學探究有8個要素組成，其中搜集證據就是其中的一個重要的組成因素;（3）在科學態度方面“具有基于證據和推理發表自己的見解的意識，不迷信權威，實事求是”。

（三）探尋證據是滿足學生好奇心發展的需要

學生在生活、學習中，發現一些自然現象不能用已有的知識和經驗來解釋，于是產生了認知沖突，產生了探究的好奇心，進而提出了科學問題。然后，進行假設，力圖通過觀察、實驗等多種科學手段獲得可靠的證據來支持其假設。因此，可以說科學探究的核心，是用研究獲得的可靠證據去解釋世界。

（四）探尋證據是培養學生高階思維能力的需要

在科學探究過程中，探尋證據中要運用分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法，這有助于培養學生的高階思維能力。

三、數據失真的教學糾正策略

教學中存在數據失真的現象，它不利于學生知識的建構、能力的提高，影響學生科學態度的養成。那么，該如何扭轉這個局面？我們采取了重復驗證、對比驗證、多維驗證、評價驗證的策略，糾正與杜絕數據失真乃至偽證在探究過程中的再現。

（一）重復實驗，搜尋必然性證據

證據具有可以重復驗證的特征。我們就抓住了證據的這一特點，進行重復驗證。驗證方法：

1.相同方法的驗證

這是我們最常用的方法，每組學生對同一個數據的獲得測量三次，然后計算出它們的平均數，這樣能夠避免在探究過程中出現的誤差造成證據不真實。在科學探究過程中，我們要指導學生控制好變量，用同樣的方法數次進行實驗操作，盡可能地獲得相同或相近的數據。

2.g同方法驗證

在科學探究過程中，我們可以嘗試兩種或兩種以上的不同方法去驗證，殊途同歸、異曲同工，提高證據的說服力，也可以培養學生思維的廣度、深度。

案例：《探索馬鈴薯沉浮的原因》

學生利用配制的濃鹽水，使馬鈴薯浮了起來，對同體積的馬鈴薯和同體積的濃鹽水稱量，明白了體積相等時，濃鹽水的質量大于馬鈴薯時，馬鈴薯就浮在濃鹽水的上方。

為了更深刻地理解這個概念，我們又提出了另一個問題，馬鈴薯在其他液體中的沉浮情況也是這樣嗎？

于是學生用高濃度白砂糖溶液、味精溶液進行試驗，結果也獲得了同樣的結論。

通過多種方法，獲得同樣的證據，使證據具有更大的說服力。

（二）逆向探究，搜尋多維證據

在科學探究過程中，我們習慣從研究的問題出發，去找尋證據，證明假設。但有時會一籌莫展，換個角度就能柳暗花明。

案例：《聲音是怎樣產生的》

課堂上，學生忙忙碌碌，一會撥動鋼尺，一會敲擊鼓面，一會撥橡皮筋，終于知道了物體的振動形成了聲音的概念。筆者認為學生僅知道了這點是不夠的，于是提出了一個相反的問題：是不是振動停止了，聲音就消失了？

學生根據問題，設計了幾種實驗：（1）用手握住了晃動的鋼尺;（2）音叉停止振動水的漣漪消失了;（3）鑼面停止了振動，鑼面內跳躍的玻璃球停止了滾動。

學生通過自己設計的實驗，找到了證據，證實了聲音的產生確與物體的振動有關。

案例：《小蘇打與白醋的反應》

學生在實驗前對白醋進行了識別，了解到白醋具有強烈酸味的特點。實驗開始，白醋與小蘇打混合，看到了很多氣泡的生成。這個現象雖已經能夠證明其是化學變化，但是筆者對學生提出了更高的要求：除此之外，還能找出更多的證據，充分地證明它們發生了化學變化。

幾分鐘后，學生紛紛將目光集中在兩者反應后留下的液體，它是不是醋呢？最后，學生找到了它不是醋的證據——反應后的液體沒有酸味。

找出證據，可以是正面的、肯定的，也可以是反面的、否定的，總之證據越充分，就越能夠說明問題，更能強化學生的證據意識。

（三）創設條件，搜尋隱蔽性證據

案例：《物質發生了什么變化》

蠟燭燃燒過程中發生了哪些變化？

學生經過觀察，得知蠟燭受熱后從固體變成了液體。這一現象是什么變化？

學生進行了實驗操作：將蠟燭放在蒸發皿加熱，蠟燭很快溶化成乳白色的液體，然后冷卻，蠟燭又凝成乳白色的固體。

通過這一個實驗，學生發現了蠟燭在溶化過程中只是形態發生了變化，并沒有產生新的物質，是一種物理變化。

蠟燭在整個燃燒過程中除了上面的形態變化外，學生卻提出了另外兩個問題：（1）蠟燭燃燒，其實是蠟燭中的棉線在燃燒，而沒看到蠟油在燃燒;（2）蠟燭燃燒后什么也沒剩下，會不會屬于化學變化？

為了解決問題，筆者給學生演示了吹滅蠟燭的過程，學生看到了蠟燭在熄滅時飄浮著白氣，聯想到這種“白氣”會不會是一種可燃氣體？

學生成功點燃了“白氣”，也明白了蠟油受熱后會變成氣，蠟燭的蒸氣是一種可燃氣體，我們看到的蠟燭燈芯燃燒其實是蠟燭的蒸氣在燃燒。

對于蠟燭燃燒時會生成什么物質？我們采用了下面的實驗方法：將一個干凈透明的燒杯倒扣在蠟燭的火焰上，燒杯壁上變得模糊了，彌漫了水珠，燒杯底部還留下的黑色物質，最后蠟燭在煙霧中熄滅了。這個實驗讓我們看到了水珠、炭黑、二氧化碳這些新物質，找到了蠟燭燃燒是化學變化的證據。從整個過程來看，從固體變為液體、水珠、炭黑、二氧化碳氣體，有足夠的證據證明了蠟燭燃燒時既發生了物理變化，同時又發生了化學變化。

在教學中，我們也會遇到因為物體發生變化呈現的現象不明顯或者根本不可見，讓我們很難找出有力的證據來驗證它們的發生變化情況。為此，我們只能通過借助于工具或技術，找出隱l生的證據，間接地加以證明。

（四）識別控制自變量，搜尋準確性證據

學生證據作偽還有一種原因，就是缺乏在探究中對實驗變量的識別與控制。

對比實驗是要通過識別變量，并控制和改變變量開展研究的，這樣才能獲得準確的證據。做好對變量的識別、控制，關系到科學探究整個過程的成功與否，關系到學生知識概念的建構與否。下面舉例說明因變量沒有控制出現的錯誤現象與數據。

案例：《電磁鐵》

在研究鐵釘電磁鐵的南北極是否能夠改變時，研究方法提示可以通過改變線圈的繞法。但是因為涉及的變量較多，如有線圈繞法的不同，有電流方向的不同，有釘尖、釘帽與小磁針不同端的接觸等。在實驗中，有的實驗組線圈繞法改變了，而電流方向也改變了;有的實驗組線圈繞法變了，接觸小磁針的釘子部位也變了，總之顯得顧此失彼、手忙腳亂。最終的結果，也是大相徑庭、五花八門。

針對這個問題，我們采用了分步完成：（1）順時針線圈;（2）釘尖的線連接電池正極，釘帽的線連接電池負極;（3）釘尖接觸小磁針的南極。

這樣，學生順利地完成了這個實驗過程。有了成功的開端后，教師再引導學生通過改變線圈的繞法，完成因線圈繞法的改變而產生電磁鐵兩極改變的研究。

案例：《拱形的力量》

下面是兩個實驗組不同的實驗裝置圖（見圖1、圖2）。

從實驗圖看，圖1和圖2確實存在著很大的差異，裝置2直觀地反映出拱形承重能力與拱足邊書本的高度是相關的，拱形承重能力隨著拱足的牢固而遞增，而裝置1的數據不能反映出這個規律。

教師指導學生對實驗裝置進行仔細地觀察，學生發現了它們的區別：裝置1只有第一本書是真正發揮抵住拱足外推力的作用，上面的書本都與拱形相隔一定距離，不能全力地發揮作用，只有在拱形變形時發揮微小的作用。后來改進了裝置，就取得了較為接近的效果，同時對裝置2存在的縫隙也做了改進，使實驗數據更加精確。

教師要指導學生在探究之前應制訂周密的實驗探究計劃，明確實驗中要改變的量，詳細地羅列出要控制的量，以及如何控制的方法、步驟，在探究過程中對它們進行嚴格地控制，分步驟進行實驗，從而獲得準確的證據。

（五）評價分析數據，搜尋可信性證據

整理評價證據，是一個審視所獲信息是否符合事實，剔除不合理信息的過程，是對證據的可信度的一個檢驗。

案例：《電磁鐵的磁力》

筆者從學生的實驗記錄單中，隨機選取了第八組記錄情況（見表1）。

筆者要求學生對表中的數據作出評價，找出異常數據，并指出產生的原因和改進的方法，填人合理的數據以完成表中“取值”欄，推導出能產生的結論。最后對異常數據進行實驗驗證。

通過對實驗數據整理、判斷，確定合理數據，剔除異常數據，可以提高證據的可信性，同時也提升學生的辨析能力、判斷能力。

四、結語

綜上所述，我們要以小學科學課程標準為指導，立足于學生科學素養的培養，通過多種途徑讓學生懂得證據的重要性，經歷獲取證據的過程。在實驗教學過程中，教師要加以積極引領、指導與評價，學生在科學探究過程中證據失真現象就會有效地消除。