提升“持續性測量實驗”數據的準確性

王圓圓

〔摘? ? 要〕? 在3～6年級的科學教材中，“持續性測量”定量實驗需要學生在較長時間內通過規范測量獲得一系列準確數據，并以數據為依據總結規律、做出推論，獲得對某一科學原理的認識。但在教學中，持續性測量對學生來說是難點。數據收集時的毫厘之差，讓學生在分析數據時無從下手，還可能導致結論謬以千里，更讓有限的時間捉襟見肘。筆者基于三節典型課例，透過學生收集的數據和課堂觀察，分析異常數據的原因，在實踐中研究如何提升持續性測量數據的準確性，培養學生的實證精神和嚴謹的科學態度。

〔關鍵詞〕? 小學科學；持續性測量；數據準確性；策略研究

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 01? ? 061-063

蘇教版科學教材四下“冷和熱”單元、“像科學家那樣”單元，五下“簡單機械”等單元的學習都依賴持續性測量實驗。其以一系列的數據為證據，總結科學規律、做出推論。但從學生呈現的數據來看，普遍存在問題。綜合考慮數據收集異常的前因后果，教師必須對此進行深入細致的分析，并在實踐中不斷解決問題。

一、課例1：四年級下冊《水受熱以后》課教學

探究“水在沸騰前后溫度變化的規律”。學生需在15分鐘內合作收集連續性數據。這類實驗耗時長、材料繁復、過程吵嚷、異常數據較多、結尾匆忙。

（一）數據與課堂觀察分析

學生收集數據的主要問題：數據異常，且15分鐘水溫都未達到100℃。同時，數據與分析兩張皮。學生通過數據無法得出科學的結論：水沸騰前溫度持續上升，沸騰時保持在100℃。要解決數據異常的問題，需要回顧和反思學生的實驗過程和易被忽略的細節。

課堂觀察發現：1.材料工具方面，有的酒精燈外焰未達到鐵架臺高度，導致加熱不足；燒杯口敞開造成熱量丟失，15分鐘水都未能沸騰；有的溫度計甚至顯示超過100℃，但水未沸騰。2.合作操作方面，由于手持溫度計，有的小組沒有人監控液泡是否觸底或超出水面；讀數時溫度計液泡有時也會離開水面。3.時間方面，時間長，有的學生間歇性游離于任務之外，形成組內或組間干擾；數據分析時間被擠壓。

（二）調整策略

材料和工具替換：用電子溫度計替代老舊的煤油溫度計，提高準確性，避免超過100℃，造成錯誤認知。同時，溫度計用雙頭夾固定在燒杯壁上，減少手持負擔。明確分工：每個人都對數據的準確性負責，尤其要設置規范操作監督員，每組至少2人同步讀取數值并記錄。縮短水沸騰時間：提供初始溫度更高的水，控制水量，調整酒精燈外焰高度，杯口用錫紙遮擋，減少熱量散發，為數據分析保證足夠的時間。

（三）策略實施后成效

與之前相比，水溫變化曲線圖的數據更加穩定準確，沒有異常數據。在分析時，學生能夠對這一系列數據進行分析，總結規律，得出合理的結論。

二、課例2：四年級下冊《像科學家那樣》課教學

研究“擺的快慢與什么因素有關”。學生需通過合作，使用擺、鐵架臺、量角器、卷尺等工具測出10秒擺擺動的次數。

（一）數據與課堂觀察分析

學生在研究“擺的快慢與擺線長短關系”時，實驗數據問題不大。但是多個小組在研究“擺的快慢與擺角大小關系”時，各組出現矛盾的結論或無法得出結論：“擺的快慢與擺角有關”和“擺的快慢與擺角無關”。每組結論都有數據做支撐，互相無法說服。

由于學生無法判定擺動次數的變化是因變量改變引起實驗數據產生微小變化（每個擺角平均結果相差1次），還是合理范圍的誤差（1次算誤差），失之毫厘，謬以千里，學生無法達成共識。

根據對學生數據收集過程的觀察，導致異常數據、分析困難的原因集中在：學生從拿到實驗材料到開始協作，在摸索中分工，有的小組快速進入數據收集狀態，有的小組卻對具體怎么操作仍然模糊（如使用秒表計時、用卷尺確定擺線長度、固定擺不晃動、用量角器對準擺角度數、保證擺動時不撞桿不繞圈），尤其是量角器不方便使用，對操作帶來干擾，反而影響擺動狀態。同時，本組缺乏對規范操作的自我監控。同一個組內，對擺動次數的計數不夠嚴謹。數據分析的時間短，且學生在數據分析策略方面存在困難，需要指導。

（二）調整策略

示范合作：小組演示如何分工量擺線長度、找準擺角、正常擺動、計時、數擺動次數（至少2人）。且每個成員都要對數據負責。改良工具：用木質試管夾穩定固定點，防止擺動時晃動繞圈，且方便調節擺線長度；用雙頭夾調整量角器，方便確認角度，降低操作難度，減少失誤。利用大數據，減少誤差：研究擺角的小組，統一擺長和擺錘，明確對比三個角度，方便大數據比對分析。

（三）策略實施后成效

研究擺角的小組：統一擺線長度20cm，金屬擺球，擺動角度為10°，20°，30°。

從小組的數據來看，小組結論包括幾種：擺的快慢與擺角大小無關；擺的快慢與擺角有關，擺角越大，擺動越快；擺動快慢與擺角大小沒有規律性。

調整策略后發現，誤差不可避免，但學生并不都能接受誤差的解釋。因每組實驗控制變量條件是一致的，教師指導學生再使用“擺動時間疊加法”進一步分析數據。

從班級大數據來看，擺的快慢與擺角大小的關系呈現出來，減少了誤差帶來的誤判，學生能夠得出合理的結論。

三、課例3：五年級下冊《升旗的方法》課教學

研究“動滑輪與定滑輪的作用”。各組需要用彈簧測力計測量動滑輪、定滑輪在拉起重物的過程中所用的力與“直接提升重物的力”做比較。

（一）課堂觀察分析

情況1：有的小組多次測量的數據無法得出一致的結論。數據顯示動滑輪有時省力，有時不省力也不費力；定滑輪有時省力，有時比直接提升用的力大。

情況2：動滑輪省力，定滑輪是不怎么省力的。

情況3：相同的重物，組間數據差距卻較大。

課堂倉促結尾，教師給出準確數據，得出結論：定滑輪不省力，動滑輪省力接近一半。

（二）調整策略

工具材料選用：1.采用力傳感器和數字實驗儀器，更準確測力；2.通過數字實驗儀器采集和分析數據，提高數據的準確性；3.用力與機械實驗套裝替代鐵架臺，實驗盒既輕便又方便整理實驗材料。

小組合作：如果合作出現職責不清，分工不明，會導致數據收集出錯。教師要在學生動手前，讓學生充分思考如何協作互助，以及可能出現的問題。這樣可提高數據的可信度，并高效利用時間。

數據反饋：將幾組分開展示的數據，改為在Excel表格上整體呈現，形成全班大數據，同時比較分析各組的數據和圖表，利于得出科學的結論。

（三）策略實施后成效

從大數據看，各組數據都較為穩定，沒有出現異常數據。通過將定、動滑輪的平均值與直接拉起重物相比，學生能通過數據歸納出合理的結論：動滑輪省力，定滑輪不省力不費力。

四、提升持續性測量數據的準確性

（一）慎選材料和工具，避免“毫厘之差”

持續性測量的時間長，材料選擇是否恰當、工具是否便捷直接影響數據的準確性。三個課例中都涉及材料、工具的調整與改進。例如在《水受熱以后》一課中，教師一開始忽略了對水量、水溫的預估以及每組酒精燈外焰的高度等細節，導致水到沸騰所耗時長過久，匆匆結尾。改良之后實驗效率提高。再例如在研究“動滑輪與定滑輪作用”的實驗中，數據問題的主要原因在于老舊的彈簧測力計。改為力傳感器之后，數據準確度提高。但需注意的是，數字化儀器的運用一定要兼顧學生已有能力，不增加其額外負擔。在“探究擺的快慢與什么因素有關”的實驗中，雙頭夾的360°旋轉關節給調整和固定量角器提供了便利，減少了難度和誤差。創新性地組合工具需要教師有足夠的細心和智慧。

（二）加強“指導合作與課堂管理”，提高實驗效率

在保證工具操作沒有問題的前提下，指導小組如何進行合作同等重要。到四五年級時，教師對合作的指導逐漸減弱。但這要視不同班級甚至不同的小組而定。發揮合作能力強的小組在實驗前示范如何合作是不錯的方法。學生在互動中，明確應該怎么做以及注意事項。另外，需加強對“游離”學生的持續性關注與評價。教師需促使“游離”學生回歸到活動中，對數據負責，提高個人的效能感。在良好的課堂管理下，學生的有效合作大大提高了課堂效度，節約了時間，為數據分析與反思預留了足夠的時間。

（三）運用大數據，解“數據分析之困”

在實際教學中，“重展示、輕交流”“重預設、輕生成”的現象依然存在。組間缺乏充分的互動交流，缺乏集體的相互論證。當組間數據和結論沖突時，往往以“數據測量的時候有問題”等個人經驗感受來回避，最后只好以教師的小結為結論而結束。當缺乏分析與解釋時，學生難以在數據和結論之間建立關聯，無法使概念真正內化于心。學生科學邏輯思維的培養和用事實說話、用證據解釋、培養實證精神也難以實現。教師需引導學生經歷從自我分析、個體論證到全班互動、集體論證的過程。

利用Excel收集大數據進行全班分析是不錯的策略。例如用大數據呈現和分析“動定滑輪提升重物的力”以及“擺動次數”，能幫助學生識別和反思異常數據。同時，由于小學生數據處理經驗少且認知能力有限，所以面對誤差時，學生會認為是因變量改變引起實驗數據產生微小變化，由此可能得出錯誤的結論。教師應對已經產生的誤差不回避，在大數據中減少誤差的影響，例如用疊加法判誤差。

總體來說，“持續性測量”實驗一直是教學中的難點。從認知負荷理論來看，在持續性測量獲取數據的過程中，學生所需的內部認知負荷并不高，但因分工合作的不協調性、材料工具的選擇失誤、無關干擾導致的外部認知負荷增加，才影響了數據的收集。因此，對外部認知負荷應該采取適當措施消除，如材料工具的進一步改良篩選、小組明確的分工責任制以及對實驗過程的監控等。但分析數據時，學生就需有較高的內部認知負荷，需要教師引導學生有層次地分析數據，總結出科學規律、做出合理推論，獲得對某一科學原理的認知，培養學生的實證精神和嚴謹的科學態度。

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