初中物理課堂實驗數(shù)據(jù)處理失當(dāng)?shù)臍w因及應(yīng)對

現(xiàn)實課堂上教師處理實驗數(shù)據(jù)的方式、方法著實令人擔(dān)憂，究其根源不外乎這幾個方面：誤差分析意識不強(qiáng)、實驗設(shè)計挖掘不深、數(shù)據(jù)處理能力不足、課堂時間掌控不力。這就需要教師更新教育理念，整體把握課標(biāo)要求，強(qiáng)化誤差理論學(xué)習(xí)，尊重學(xué)生獲取的每一個數(shù)據(jù)，善用教學(xué)機(jī)智變“意外數(shù)據(jù)”為生成性資源，以“嚴(yán)謹(jǐn)求實”育“嚴(yán)謹(jǐn)求實”，以“核心素養(yǎng)”育“核心素養(yǎng)”。

初中物理；實驗探究；實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理；誤差分析

崔鳳華.初中物理課堂實驗數(shù)據(jù)處理失當(dāng)?shù)臍w因及應(yīng)對[J].教學(xué)與管理，2024（28）：56-59.

實驗數(shù)據(jù)是實驗探究活動中必不可少的關(guān)鍵證據(jù)之一。在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）一級主題“實驗探究”的21個必做實驗中，有19個實驗需要測量一個或多個物理量，即便是教材里的一些非必做實驗也離不開測量工具。哪里有測量，哪里就得有數(shù)據(jù)。怎樣正確選用儀器讀取數(shù)據(jù)？需要測量哪幾個、哪幾組數(shù)據(jù)？如何真實、全面地記錄和收集數(shù)據(jù)？如何判斷實驗數(shù)據(jù)的可靠性、有效性？若出現(xiàn)“意外數(shù)據(jù)”（與預(yù)期相差較大的數(shù)據(jù)），該不該作為異常值將其剔除或是進(jìn)行重新測量？如何利用列表、圖像等描述數(shù)據(jù)？怎樣根據(jù)數(shù)據(jù)通過整理、比較和歸納推理獲得結(jié)論并作出解釋？如此等等，都是教師達(dá)成課標(biāo)提出的“培養(yǎng)學(xué)生收集數(shù)據(jù)的能力、分析和處理數(shù)據(jù)的能力、解釋數(shù)據(jù)的能力”[1]這一目標(biāo)所必須解決的問題，也是體現(xiàn)教師實驗數(shù)據(jù)處理能力的三個維度。

然而教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實課堂上教師處理實驗數(shù)據(jù)的方式往往過于草率、過于“功利化”，個別教師只求快速得出結(jié)論，“生怕節(jié)外生枝，不好收場”。對待數(shù)據(jù)處理，他們似乎有一種潛在的套路：“利我者用，礙我者棄”，誤差再大也在“誤差允許范圍內(nèi)”，數(shù)據(jù)再少也有“大量實驗表明”。可想而知，教師對數(shù)據(jù)處理的失當(dāng)行為勢必引發(fā)學(xué)生對數(shù)據(jù)、對實驗的敷衍，使得實驗失去它應(yīng)有的育人價值，“培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度”“發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)”也無法落到實處。

事出必有因，尋因思對策。為此，筆者全面梳理聽評課活動中積累的大量課例，對教師處理實驗數(shù)據(jù)的失當(dāng)行為進(jìn)行歸因分析，以期廣大教育同仁共商對策，從而改進(jìn)實驗教學(xué)。

一、初中物理課堂實驗數(shù)據(jù)處理失當(dāng)?shù)脑?/p>

1.誤差分析意識不強(qiáng)

在“探究并聯(lián)電路中電壓的規(guī)律”的實驗中，教師提供了兩種不同規(guī)格的小燈泡，引導(dǎo)學(xué)生正確連接電路，并將實驗數(shù)據(jù)填入表格中。在引導(dǎo)小組分享各自的實驗數(shù)據(jù)后，教師從中挑選出少數(shù)幾組“理想數(shù)據(jù)”（符合預(yù)期，比較中意的數(shù)據(jù)），分析得出教材上的結(jié)論，并重申：“測量總有誤差，在誤差允許范圍內(nèi)，我們可以認(rèn)為在并聯(lián)電路中，各支路兩端電壓相等，都等于電源兩端總電壓。”但直到鈴響下課，第六實驗小組展示出來的測量數(shù)據(jù)（見表1）也沒有被提及，莫非早已被教師當(dāng)作異常值回避掉了？

事實上，初中物理實驗室配備的直流電壓表的精度等級一般為2.5級。按照誤差分析理論可知，使用“3V”量程時，電壓表最大允許誤差為3V×2.5%=0.075V。顯然表1中有的測量誤差已經(jīng)超出了由測量儀器——電壓表所導(dǎo)致的示值誤差范圍，所以教師不能簡單地用“在誤差允許范圍內(nèi)”搪塞過去[2]。雖然誤差分析過程不需要學(xué)生了解，但其結(jié)果應(yīng)當(dāng)如實展示給學(xué)生。無緣無故地撇開表1數(shù)據(jù)，拿少部分?jǐn)?shù)據(jù)“說事兒”，只會使學(xué)生對“誤差允許范圍”感到費解，對實驗的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性產(chǎn)生懷疑，從而對課堂實驗失去興趣。如果教師選中的“理想數(shù)據(jù)”碰巧是某小組偽造或“摻了水分”的數(shù)據(jù)，那么還可能助長學(xué)生的“數(shù)據(jù)造假風(fēng)”。

值得一提的是，本實驗的特殊性在于：其測量結(jié)果受器材、儀表的干擾很大。當(dāng)不同燈泡接入電路工作時，測量的路端電壓、電源電壓會有差別，導(dǎo)線本身電阻、開關(guān)電阻以及接觸電阻[3]帶來的誤差也不可忽視。很明顯，在備課時教師沒有對該實驗進(jìn)行誤差分析。假如能了解系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差等對該實驗的影響，教師一般會提前干預(yù)，將系統(tǒng)誤差降到最小。

2.實驗設(shè)計挖掘不深

在探究物體的質(zhì)量與其所處的空間位置是否有關(guān)時，教師首先播放一段視頻，展示了他在家鄉(xiāng)用電子天平稱得某紙杯的質(zhì)量是4.9g的結(jié)果。然后，他把該紙杯再次放到電子天平上，重新測量其質(zhì)量的大小，當(dāng)近旁的學(xué)生讀出5.0g后，教師指出：電子天平的感量是0.2g，在誤差允許范圍內(nèi)可以認(rèn)為紙杯的質(zhì)量沒有變化。隨后教師援引一段CCTV新聞臺播放的王亞平在太空測量聶海勝質(zhì)量的實驗視頻，強(qiáng)調(diào)出征前他質(zhì)量大約是74kg，在太空測得的質(zhì)量還是74kg，由此引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論，最后教師總結(jié)道：“大量實驗表明，物體的質(zhì)量不隨位置的改變而改變。”

可以看出，該項實驗雖是特別增設(shè)的，也有它的創(chuàng)新性，但由于實驗設(shè)計很不充分，實驗過程過于簡化，推導(dǎo)出的結(jié)論過于草率，才使得“新發(fā)現(xiàn)”難以讓學(xué)生所信服。實際上，中國航天員科研訓(xùn)練中心主任鄧一兵在當(dāng)天的新聞發(fā)布會上也表示：“在太空授課的過程中，聶海勝用質(zhì)測儀測量質(zhì)量的時候，他當(dāng)時穿著艙內(nèi)的工作服、內(nèi)衣、艙內(nèi)工作襪，還有艙內(nèi)用鞋，這些重量統(tǒng)計起來大約是1.89公斤[4]。”也就是說，剛剛有5.0g被認(rèn)定為與4.9g相等，現(xiàn)在又來了個“74kg與72kg+1.89kg約等”，學(xué)生難免會心生疑惑：這兩個差值“0.1g”“0.11kg”到底是允許范圍內(nèi)的測量誤差呢，還是研究對象因其位置發(fā)生改變而引起的質(zhì)量改變呢？

毋庸置疑，該實驗有三大硬傷：一是電子天平精密度選擇的問題。兩地距離約400km、緯度有2°左右的位置改變，對可能引起的紙杯的質(zhì)量變化，用電子天平能否測得出來？需要選用怎樣的電子天平精密度等級，使得測量5g左右的紙杯時允許的最大誤差為0.1g？要知道，19 世紀(jì)末英國物理學(xué)家瑞利通過兩種不同方式制取氮氣的密度分別是1.2505kg/m3[5] 、1.2572 kg/m3，正是他執(zhí)著于兩個實驗數(shù)據(jù)的細(xì)微差別不放，才最終發(fā)現(xiàn)了氬元素，因而榮獲 1904 年諾貝爾物理學(xué)獎。二是電子天平的正確使用問題。電子天平是集壓力傳感器技術(shù)、微計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)為一體的電子衡器。它實際上是測量物體重力G，再通過m=G/g換算出物體的質(zhì)量m[6]，所以在不同的地方測量同一個紙杯的質(zhì)量，如果使用前沒有對天平進(jìn)行異地差值標(biāo)定，或用標(biāo)準(zhǔn)砝碼校驗，其測量值就會有偏差，從而產(chǎn)生錯誤的數(shù)據(jù)。另外，在使用前電子天平還應(yīng)擺放在水平穩(wěn)固的臺面上，需要輕拿輕放，將紙杯放在中心點或中心點附近位置進(jìn)行重復(fù)測量以減小壓力感應(yīng)點帶來的影響。教師為節(jié)省時間，只是象征性地測得一個質(zhì)量值，必然存在很大的偶然性。三是多次測量收集數(shù)據(jù)的問題。既然已經(jīng)向?qū)W生拋出“探究物體的質(zhì)量與其所處的空間位置是否有關(guān)”，那就應(yīng)該本著嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度，選取多個研究對象，多次改變“位置”（盡管位置改變受限很大），分別測量物體的質(zhì)量，然后推得結(jié)論。教師對比了家鄉(xiāng)和授課地僅有的一組數(shù)據(jù)，得到“5.0≈4.9”；對比了聶海勝在地面和太空的質(zhì)量，得到“74≈72+1.89”。僅憑這兩組數(shù)據(jù)，就以歸納推理的方式得出結(jié)論，確實有點兒“以偏概全”的味道，即使推而廣之被冠以“大量實驗表明”也避免不了“強(qiáng)拉硬拽”之嫌。若是利用反證思維發(fā)動學(xué)生討論“假如物體的質(zhì)量可隨位置的改變而改變，會發(fā)生什么”，或許是一種有益的嘗試。

3.數(shù)據(jù)處理能力不足

在“探究電流與電壓的關(guān)系”時，面對黑板上展示出來的兩個小組的實驗數(shù)據(jù)（見表2、表3），教師先瀏覽了表2數(shù)據(jù)，停頓片刻后說道：“實驗時最好按照大小順次、成倍地改變電壓值，這幾組數(shù)據(jù)不好分析，咱看下一個小組的數(shù)據(jù)……”然后教師重點分析表3的第1、2組的正比關(guān)系，最后指出：“第3組數(shù)據(jù)也表明電壓越大、電流就越大，在誤差允許范圍內(nèi)，我們可以得出，電阻一定時，通過導(dǎo)體的電流跟它兩端的電壓成正比”。

乍一聽，也許大家覺得這個案例很離譜，但它確實發(fā)生在現(xiàn)實課堂中。顯然這樣簡單粗暴地處理學(xué)生真實記錄的數(shù)據(jù)是不恰當(dāng)?shù)模湟唬?數(shù)據(jù)已然成倍數(shù)關(guān)系，只是5∶3∶4不太符合教師以為的1∶2∶3的倍數(shù)關(guān)系，但這絕對不影響實驗數(shù)據(jù)的可靠性。課后，問及學(xué)生為什么沒有按照教師要求選擇用1V、2V、3V的次序進(jìn)行實驗，小組長回答說，他們測量發(fā)現(xiàn)電源電壓最大也不到2.8V。由此看來學(xué)生的實驗探究是認(rèn)真的，只不過是記錄數(shù)據(jù)的次序有點瑕疵而已，這些真實數(shù)據(jù)被無情地否定勢必會打擊學(xué)生實驗探究的積極性。其二，沒有理由相信，表3的第3組數(shù)據(jù)是在“誤差允許范圍內(nèi)”。我們知道電流表的分度值為0.02A，用人眼估讀誤差可以放大到分度值的一半[7]，也就是0.01A，而0.22A與0.3A的“理論值”相差0.08A，相對誤差達(dá)到26.7%，就算是考慮到系統(tǒng)誤差影響，該值基本屬于異常值。教師應(yīng)引導(dǎo)小組分析原因，或重新進(jìn)行測量，或建議學(xué)生直接將其剔除。

通常情況下，在初中物理階段，對實驗應(yīng)達(dá)到的準(zhǔn)確度要求比較低，即對“誤差允許范圍”要求比較寬，加上實驗室設(shè)備條件、儀器精密度等級不夠等限制，一般實驗的相對百分誤差不大于5%，最多不超過10%[8]。從課堂表現(xiàn)看，教師不僅對誤差理論一知半解，而且對實驗數(shù)據(jù)的敏感度偏弱，最關(guān)鍵的是缺乏教學(xué)機(jī)智和處理數(shù)據(jù)的能力。

4.課堂時間掌控不力

在“探究凸透鏡成像的規(guī)律”時，教師給定凸透鏡的焦距為10cm，然后引導(dǎo)學(xué)生將凸透鏡固定到光具座40cm處，讓F光源從遠(yuǎn)處逐漸向凸透鏡靠近，要求每個小組找到兩個倒立、縮小的像和兩個倒立、放大的像并記錄數(shù)據(jù)。

教師本想利用電腦將各小組隨機(jī)填報的數(shù)據(jù)排序后，再與學(xué)生一起分析規(guī)律，但由于軟件故障原因，電腦排序不成，她情急之下，還沒等學(xué)生梳理完數(shù)據(jù)就草草呈現(xiàn)出了像距、物距的關(guān)系和成像條件，隨后就是“一倍焦距分虛實，兩倍焦距分大小；物近像遠(yuǎn)像變大，物遠(yuǎn)像近像變小……”

據(jù)統(tǒng)計，本節(jié)課共錄得38組實驗數(shù)據(jù)，像距測量值跟理論值（根據(jù)成像公式計算出的對應(yīng)值）相差小于1cm的只占到34%，這表明大部分同學(xué)并沒有學(xué)會找到清晰像的方法，或是沒有按要求認(rèn)真動手操作，實屬遺憾。

課后與教師談心了解到，之所以急急忙忙總結(jié)成像規(guī)律，主要是擔(dān)心完不成預(yù)設(shè)的課堂教學(xué)任務(wù)。由于個別數(shù)據(jù)的“相互打架”，無法引導(dǎo)學(xué)生“由遠(yuǎn)及近”地找出數(shù)據(jù)的特點和規(guī)律，所以教師才不得不挑選“理想數(shù)據(jù)”依次歸納出三個“有用”的結(jié)論。正是由于對課堂時間的擔(dān)憂，教師限制了學(xué)生操作程序和對凸透鏡的選擇，簡化了指導(dǎo)學(xué)生找“清晰像”的操作要領(lǐng)和步驟，略去了驗證實驗數(shù)據(jù)可靠性、合理性的環(huán)節(jié)，被迫忽略了一些有價值的“意外數(shù)據(jù)”，從而失去了課堂生成的絕佳機(jī)會。假如教師能因勢利導(dǎo)，抓住這幾組“意外數(shù)據(jù)”激勵學(xué)生暢所欲言的話，可以想象，這該會是多么生動、民主、高效的課堂。

二、初中物理課堂實驗數(shù)據(jù)處理失當(dāng)?shù)膽?yīng)對策略

長期以來，“功利化”地處理實驗數(shù)據(jù)確實有它存在的現(xiàn)實基礎(chǔ)。如上所述，從業(yè)務(wù)、技術(shù)的層面考慮，教師對數(shù)據(jù)處理的失當(dāng)行為有能力上、心理上、時限上的原因，但某教師在座談中卻也道出了他的內(nèi)心思想：“與其在學(xué)生數(shù)據(jù)上費工夫，還不如省點時間及早得出結(jié)論，順便再剖析一下實驗細(xì)節(jié)或考點什么的。這么做更直接、更有利于提高教學(xué)成績。”鑒于此，我們不僅要從上述四個案例的介紹及分析中細(xì)細(xì)回味其中蘊(yùn)含的一些應(yīng)對策略，還要切切實實從思想入手，改革評價方式，強(qiáng)化專項培訓(xùn)，營造實驗教學(xué)文化氛圍，以引導(dǎo)教師轉(zhuǎn)變教學(xué)行為，進(jìn)一步改善我們的實驗教學(xué)。

1.思想先導(dǎo)，更新教育理念

思想是行動的先導(dǎo)。思想認(rèn)識到位了，行動才會有動力和方向。這就需要各級教研部門會同學(xué)校定期開展思想教育和通識培訓(xùn)，并做好專項跟蹤和督導(dǎo)工作。同時，評價是教育專業(yè)化最后的堡壘。物理學(xué)習(xí)評價應(yīng)全面落實新時代教育評價改革要求，著力推進(jìn)評價觀念、評價方式和評價方法的改革，始終堅持素養(yǎng)立意命制中考試題，讓“講實驗”“背實驗”不再有任何機(jī)會，借以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的改進(jìn)。

2.整體把握，領(lǐng)會課標(biāo)要求

“數(shù)據(jù)”一詞在課標(biāo)中共出現(xiàn)25次，絕大部分集中在一級主題“實驗探究”的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)業(yè)要求上。從中可梳理出數(shù)據(jù)處理的大致流程是：讀取—記錄—收集，整理—判斷有效性（分析個別問題數(shù)據(jù)原因）—描述—比較—分析，歸納推理—形成結(jié)論—解釋。只有明白了這些，教師才會有的放矢，分階段、分層次、有針對性地按照計劃培養(yǎng)學(xué)生收集數(shù)據(jù)的能力、分析和處理數(shù)據(jù)的能力、解釋數(shù)據(jù)的能力。針對“探究杠桿的平衡條件”實驗，課標(biāo)指出：應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要通過表格記錄杠桿平衡時不同的動力、動力臂與阻力、阻力臂數(shù)值，通過分析數(shù)據(jù)尋找定量關(guān)系——動力與阻力不同時，動力臂與阻力臂也不同，但動力與動力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積；組織學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)歸納出杠桿的平衡條件，討論分析個別數(shù)據(jù)存在問題的原因，分享更多數(shù)據(jù)，找到普遍規(guī)律。這在提示我們，不同階段、不同實驗對學(xué)生能力的培養(yǎng)是各有側(cè)重的。

3.學(xué)會分析，掌握誤差理論

實驗教學(xué)要關(guān)注實驗原理的科學(xué)性、方案的可行性、實驗器材的合理性、操作的安全性和規(guī)范性。盡管課標(biāo)沒有提及誤差，但是任何物理量的測量必定存在誤差。掌握一定的誤差理論能幫助教師優(yōu)化實驗設(shè)計，在器材選擇、測量方法、數(shù)據(jù)處理上做到心中有數(shù)；懂得“在允許誤差范圍內(nèi)”和“大量實驗表明”的確切內(nèi)涵能強(qiáng)化教師盡量減小實驗誤差的意識，在引導(dǎo)學(xué)生歸納、總結(jié)時更加嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真；會分析系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差及測量的不確定度能提高教師處理數(shù)據(jù)的能力，在預(yù)估數(shù)據(jù)的可靠性、判斷數(shù)據(jù)有無異常值時得心應(yīng)手。

4.注重生成，善用數(shù)據(jù)說話

重預(yù)設(shè)輕生成的物理課堂注定是低效的，學(xué)生在實驗探究活動中獲取的“意外數(shù)據(jù)”恰恰就是促進(jìn)課堂生成的有利資源之一。這就需要教師精心預(yù)設(shè)實驗方案，在親手做一遍的基礎(chǔ)上預(yù)判學(xué)生探究過程中的各種可能或意外。課堂上應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生真實、全面記錄實驗數(shù)據(jù)，關(guān)注與預(yù)設(shè)結(jié)果相矛盾的信息。開放、靈動、有生成的實驗探究活動對培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任具有重要意義。所以，尊重學(xué)生獲取的每一個實驗數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理、高效互動中使學(xué)生感受到實驗作為“揭開物理奧秘的神秘面紗”的魅力所在，是教師的必然選擇。

總之，實驗探究是課標(biāo)的五大“一級主題”之一，實驗數(shù)據(jù)是實驗探究的第一手證據(jù)，而基于證據(jù)的科學(xué)推理和論證應(yīng)該是探究過程中最核心的部分，它對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)具有獨特價值。因此，教師應(yīng)身體力行，在收集數(shù)據(jù)、分析和處理數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)的過程中馬虎不得。面對動態(tài)變化的課堂，教師要善用教學(xué)機(jī)智，變“意外數(shù)據(jù)”為生成性資源，將探究“認(rèn)真”到底，并在把控好課堂節(jié)奏的基礎(chǔ)上，將課堂效率和效益最大化。如今，數(shù)字時代悄然而至，應(yīng)課標(biāo)要求，電子天平等數(shù)字化儀器已經(jīng)進(jìn)入課堂，一些數(shù)字化實驗設(shè)備已經(jīng)大量用于物理實驗，這意味著教師在數(shù)據(jù)處理等方面會面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。作為教師，我們責(zé)無旁貸，務(wù)必以“嚴(yán)謹(jǐn)求實”育“嚴(yán)謹(jǐn)求實”，以“核心素養(yǎng)”育“核心素養(yǎng)”。

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【責(zé)任編輯 孫曉雯】