優化課堂實驗教學　提升數據分析能力

鮑春林

新義務教育科學課程標準（2022年版）立足素養發展，凝練了科學課程要培養學生的核心素養，增加了科學思維，提出了探究實踐，強調科學課程具有綜合性、基礎性和實踐性。其中“科學思維是關鍵能力，是素養核心；探究實踐是關鍵能力，是主要途徑”。學生通過在小學科學課堂上親歷探究，體驗實驗探究的各個環節，逐漸形成正確的科學觀念，發展科學思維、探究實踐，提升科學核心素養?？茖W基于實證，實證源于數據，數據出自探究實踐。下面以教科版科學五年級上冊《擺的快慢》為例，希望通過優化課堂實驗教學，從而提升學生的數據分析能力。

一、教材分析

《擺的快慢》是一節經典的實驗探究課，本課探究內容明確，教學環節清晰。本課承接上一節課《機械擺鐘》的學習，通過引導學生從實驗探究中自主發現“不同的擺，擺動快慢不同”，由此提出“影響擺的快慢的因素有哪些？”通過做出合理的假設，在教師的幫扶下，借助控制變量法，最終能自主設計實驗并驗證假設。從而依據實驗數據得出合理的結論，并能應用到實際生活中。

五年級的學生，沒有正式學習過在探究實驗中如何進行變量的控制，教師只是在平時的實驗中進行了簡單滲透。本課的教學難點是學會控制實驗中的可變因素，即對控制變量法的理解；獲得精確的實驗數據。對于實驗操作的嚴謹性、數據的整理分析、科學結論的完整得出，學生都還存在一定的困難，因此需要教師課上進行有效引導。

二、課堂教學中發現的問題

（一）課堂導入不高漲

本節課的導入，常規的方法是采取直接復習的形式。如通過出示上節課小組自制擺的擺動數據，從圖表數據上，學生能很順利地發現“不同的擺，擺動快慢不同”。或者，為了體現課堂數據的真實性，我也和其他老師一樣，直接現場演示：以兩個上節課學生自制的擺為例，請兩位學生上臺直接操作，再次觀察兩個不同擺的擺動。雖然在演示操作時，可以順勢復習擺的結構以及實驗操作注意事項，但是從課堂教學效果來看，主要是兩位演示實驗的學生參與度較高，而在座大部分作為觀察員的學生的學習興趣不夠高漲，學生的探究欲望沒有快速、充分地調動。

（二）實驗器材不便捷

研究擺的快慢實驗時，都是選用以鐵架臺作為支架，再掛上線繩，用鉤碼或金屬墊片等重物作為擺錘。探究過程中，絕大多數鐵架臺因為使用時間比較長遠，都不穩固，晃動嚴重，支架與鐵環之間距離較近，容易撞桿。線繩直接纏繞在鐵環上，導致支點不穩定，也容易撞桿。擺幅的大小，在實際操作時較難控制，容易誤導學生，影響探究實驗的嚴謹性。擺錘的懸掛，利用回形針掛取，在多個鉤碼同時懸掛時，容易脫落，并且用鉤碼懸掛還會產生不同的懸掛方式，影響實驗數據的準確性。不便的實驗器材，導致學生探究實驗時，用時長、效率低，原始數據的可靠性低，干擾后續對數據的整理與分析，不利于培養學生良好的科學素養。

（三）小組分工不明確

本課中，實驗操作內容較多，相對煩瑣，需要學生收集的數據也不少。從實際教學效果看來，雖然有平時科學課的實驗探究訓練，組間劃分是明確的，但組內分工仍不夠清晰，各組員的職責沒有嚴格遵守：計時員、觀察員、記錄員的工作沒有很好的分工、銜接。出現整組在做完一次實驗后，記錄員一人記錄數據，其他成員無事可做、等待的現象。大大增加了探究實驗用時，導致在規定時間內沒有完成全部的探究活動。

（四）思維碰撞不顯著

研討環節，“我們是通過什么實驗方法知道擺的快慢與擺繩長度有關的？”對于這個問題的回答，學生沒有很迅速地回答到點上，說明學生對控制變量法的實質掌握得不夠扎實，本節課的教學難點沒有很好地突破。課堂教學時，學生探究實驗看似很充實、很熱鬧，在本課的3個探究實驗中，學生也都能很好地得出相關實驗結論，但仍然缺乏學習自主性，沒有理解本課設計探究實驗的要點，教師扶得過多。從而致使學生的科學思維沒有得到有效地訓練，思維的深度和廣度都不到位。

三、原因初探

（一）教學設計缺乏靈活性

在正式上公開課之前，教師往往有很多的磨課或試教經歷。每一次教學，教師不僅要仔細研讀教材、課標，還應該充分了解學情，要預設到所教班級學生的情況、班情。以此，基于教材、課標、學情，設計不同的教案，一班一教案。新版義務教育科學課程標準重視教學方式的改革，更加注重突出科學探究的本質，明確要求：科學教學要在創設學習情境的基礎上，引發學生的認知沖突，充分激發內在學習動機。因此，教學設計作為課堂教學的文字載體，教師應在吃透教材、課標、學情的基礎上，針對不同班級有不同的方案。

（二）課堂教學需把握細節

在試教的過程中，教師能明顯地感受到不同學生之間科學素養的差別：有些小組分工很明晰，組內探究井井有條；有些小組，組員們個個情緒高漲，導致小組實驗時過于“熱鬧”，爭先恐后，人人都想做；極個別小組，存在一些組員對探究實驗不感興趣、不愿參與的現象。教師是課堂教學的引導者，要善于捕捉課堂教學的細節，以小見大，夯實基礎，將學生科學素養的培養落實到細微之處。

四、相關教學策略

（一）重構教學設計

課堂教學以學生的學為主體，教師應充分了解學生，基于真實、現實的教學場景，努力踐行“用教材教”的理念。新課標將科學思維和探究實踐明確于核心素養內涵之中，因此，教師更需要在教案中落實。因為是借班上課，本課內容與上一節課內容的學習，由于客觀原因，學習間隔時間有點長，關于擺的結構，學生大多有遺忘。在這樣的學情下，為了充分調動學生的學習興趣，教師在導入環節可以從玩擺開始（讓小組自主設計不同的擺），既能體現學生學的主體地位，也能熟悉實驗器材、復習擺的結構，同時在玩中又有發現：各個擺的快慢是不一樣的，自然過渡到影響擺的快慢的研究中。通過設計動手活動，來順應學生好動的天性，創設生動的學習情境，引發認知沖突。

科學結論的得出基于數據，而數據來源于嚴謹的實驗操作。雖然新版教材中關于擺幅大小對擺動快慢的影響沒有做具體的探究，但是遵從實驗的嚴謹性，仍需要用直觀的數據來驗證。考慮到課堂時間的限制，擺幅的探究可以作為第一個實驗，通過小組上臺演示實驗，教師有效地引導學生設計探究實驗步驟，從而明白控制變量法的實質。而后續的兩個實驗，考慮到課堂上學生的學習情緒，讓學生有一個情緒高漲的過程，可以先探究擺的快慢與擺繩長度的關系，再探究擺的快慢與擺錘質量的關系。學生能有充足的時間研究擺繩長度是如何影響擺的快慢的，在獲得成功的喜悅之后，再來研究擺錘質量與擺的快慢的關系，能先滿足學生的探究情緒，先摘到果子，得到甜頭。

在拓展環節，為了與后續科學知識的銜接，通過小視頻的方式，出示擺繩長度相同，擺錘懸掛方式不同的兩個擺。從而發現這兩個擺的擺動快慢不同，再次引起思維沖突，設置懸念，請學生在課后繼續探究，將學習延伸到課后。借此進一步激發學生的探究欲望，引導學生對新知進行遷移和應用。

（二）優化實驗材料

在家常課中，《擺的快慢》研究優選的支架仍是鐵架臺，雖然有些創新材料中舍棄了鐵架臺，用夾子直接固定在實驗桌上保證了擺的穩定性，但是實驗操作時，學生觀察角度低，加上桌子的遮擋，不便于小組成員有效觀察和操作。因此，教師對實驗器材進行改良，在鐵架臺底座下墊抹布，小組內安排一位學生扶住鐵架臺，確保鐵架臺的穩定性，同時也增加了組內學生的參與度。通過使用量角器來精確調整擺幅，確保實驗的嚴謹性。用帶凹槽的塑料桿（膨脹釘保護套）精確確定擺繩支點，將擺繩卡在凹槽中，削弱支點不穩定引起的擺繩晃動情況。用可增減數量的單個重10克的金屬墊片作為擺錘，以墊片疊加的方式固定在一起，避免因使用鉤碼導致懸掛方式的不同而帶來不必要的實驗誤差。在擺繩每隔10厘米處提前做好標記，最后利用燕尾夾固定擺繩，便于快速、有效改變擺繩長度。

通過選擇有結構的實驗材料，教師能更好地指導學生，從而突破教學重難點，有效完成本課的教學目標。學生在使用有結構的實驗器材時，也能形成嚴謹的探究態度，從而獲得可靠的原始數據，為后續數據分析提供可靠的數據支撐，有效突破本課的學習重點和難點。

（三）規范實驗操作

科學素養的形成是一個長期累積的過程，需要教師在平時的課堂教學中點滴滲透。小學科學課堂更加注重小組合作，講究團隊意識、互助意識。

1.在小組探究中，充分調動合作意識

首先，明確組內職責。每組小組長一名、材料員一名、記錄員一名、匯報員一名，采取定期輪換制度。每位成員明確各自的責任，通過崗位輪換，得到平等的鍛煉和提高。其次，有效指導，培養團隊意識。五年級的學生，通過三四年級時教師的半扶半放，此時具有一定的團隊合作能力，但仍需要教師給予有效指導。本課中，在指導學生設計好第一個探究實驗（擺的快慢與擺幅大小的關系）步驟之后，采取一組上臺做演示實驗的形式。因為是第一次遇到控制變量法，在實驗操作時，教師需提醒小組內每位同學合理分工：組長指導小組實驗操作，觀察實驗的規范性，同時負責記錄實驗數據；兩名觀察員（其中一名是操作員）認真操作、觀察，明確擺如何擺動算一次等；計時員熟練使用計時器，準確計時。在進行第二次重復實驗時，提醒操作員不需要等待記錄員記錄，應在結束一次實驗后接著繼續第二次操作，減少中間等待的時間，從而節約探究時間，提高探究效率。

2.借助信息化設備，有效規范實驗操作

本課中使用的實驗材料不少，為了獲得精確有效的數據，需要教師注意實驗細節處的指導。用量角器如何精確把控擺幅；用凹槽嵌入擺繩時，如何有效調節擺繩的長度；擺錘重量如何改變等。這些需要在教師講解的同時，出示具體的操作方法。教師可以借助事先錄制好的小視頻以及拍攝的照片，或者課堂上直接利用實物展臺等這些信息化設備，現場講解，從而直觀地解決問題。

3.巧用記錄單

實驗記錄單是記錄數據的載體，教師要充分利用好記錄單，為學生搭建探究腳手架。本課的實驗探究遵循由扶到放的規律，在后面兩個自主探究實驗時，讓學生在記錄單上填一填實驗步驟。通過手寫的方式，讓學生對控制變量法只能改變一個因素有更加深刻的印象。通過優化實驗記錄單，使雜亂的數據變得有序。本課中修改后的部分實驗記錄單如下：

實驗記錄單中，關鍵字用加粗字體的方式達到提醒的目的。通過統一明確不變的因素具體采用什么數值，有序、規范實驗操作，同時讓全班的數據有可比性。表中擺錘質量和擺幅的選取，都是經過精心選擇的：30克屬于比較重的擺錘，確保擺錘在擺動過程中的穩定性，減少擺在擺動過程中因為擺錘太輕而發生旋轉等干擾現象；擺幅40°是為了提高學生實驗時的可操作性，角度太小，擺容易在15秒測量時間之前就停止擺動。記錄表中刪減了原教材中“中擺繩”這一欄，以及將每次測量時間由30秒改為15秒。這樣，在保證能獲得有效實驗數據的同時，為后續探究實驗增加時間，讓學生經歷完整、充分的探究。

提升學生的數據分析能力，需要優化小學科學課堂的實驗教學，通過重構教學設計、優化實驗器材、規范實驗操作、巧用記錄單等形式，提高科學課堂實驗教學效率，獲得正確的第一手數據，為后續的數據分析作保障，落實科學素養培養。教師更需要牢牢把握住課堂這一主陣地，在細節之處做研究。