“查—比—論—探”：應對小學科學實驗誤差的教學策略

【編者按】在小學科學實驗中，由于測量者、儀器、實驗條件等多方面因素的限制，測量值與真實值之間總會存在著一定的誤差。但是，誤差有可能也是一個有意義的教學點。正確認識實驗誤差并在教學中科學應對，對培養學生嚴謹細致的科學態度具有重要的意義。那么，我們應該如何對待實驗誤差？教學中遇到實驗誤差時，應如何應對？本專輯的兩篇文章對此進行了探索，有助于加深我們對這個話題的認識。

【摘 要】實驗誤差是實驗教學中的難點。面對小學科學實驗中存在的各種誤差，教師在教學中不能回避，應予以重視，讓其成為提升學生科學素養的重要資源。本文剖析了小學科學實驗誤差產生的原因及其教學誤區，提出了“查—比—論—探”的誤差教學應對策略，為學生正確認識、分析、處理實驗誤差提供了一些經驗。

【關鍵詞】小學科學 實驗誤差 教學策略

在小學科學教學中，動手實驗是培養學生科學素養的重要途徑。然而，由于實驗儀器、測量方法及學生操作技能等因素，實驗誤差在所難免，這些誤差可能導致學生得出與科學事實相悖的結論，影響他們對科學知識的正確理解，甚至使學生對科學探究的可靠性產生懷疑。面對教學中的實驗誤差，部分教師往往以一句“這是實驗誤差”，便輕輕帶過，或者是想辦法規避實驗誤差對教學的干擾，甚至對實驗過程中產生的誤差不予理會。這些處理方法，不僅沒有加深學生對科學原理的理解，反而造成了困惑，也與培養學生的探究實踐能力和科學態度背道而馳。如何正確認識、分析和處理實驗誤差？教師有哪些教學應對策略呢？這是提升實驗教學質量應當重視并加以解決的問題。

一、小學科學實驗誤差的原因剖析

實驗誤差是指在實驗過程中，由于各種因素的影響，導致實驗結果與真實值或理論值之間的偏差。實驗誤差是科學實驗中不可避免的現象，它不僅影響了實驗結果的準確性，還可能對實驗的后續分析和結論產生重大影響。在小學科學實驗中，考慮到實驗材料、實驗方法、環境因素、人為因素等影響，我們認為產生誤差的原因主要有以下幾方面。

第一，實驗材料引起的誤差。相對于專業的儀器設備和材料而言，小學科學教學中使用的實驗材料和工具較為廉價簡陋，大多是為了適應學生的年齡特點和教學需求而設計的，這會引發實驗誤差。

第二，實驗方法引起的誤差。實驗方法的科學性與合理性直接關系到實驗誤差的大小。在小學科學的實驗中，為了降低學生操作的難度，一些教師往往采用簡單的實驗方法，這也會產生誤差。

第三，實驗環境引起的誤差。小學科學實驗涵蓋了多個領域，其中一些實驗對環境條件較為敏感。例如，在探究植物生長的實驗中，溫度、光照、濕度等環境因素的變化會直接干擾植物的生長速率與形態發育，進而影響實驗數據的準確性。

第四，操作不規范引起的誤差。小學生由于年齡尚小，專注力相對不足，以及操作水平參差不齊、對實驗的流程有疏漏等原因，在實驗過程中容易出現各種操作誤差。因學生操作不規范引發的誤差，在小學科學實驗中屢見不鮮。

合肥工業大學的費業泰教授在《誤差理論與數據處理》一書中將誤差分為三種類型：系統誤差、隨機誤差和粗大誤差。小學科學實驗的誤差歸因也可以指向這幾類，其中實驗材料和實驗方法造成的誤差可以歸結為系統誤差，這類誤差在多個實驗中反復出現且具有一定的方向性；實驗環境引起的誤差可以歸結為隨機誤差，這類誤差源于實驗過程中的不確定性，如空氣流動、溫度變化等，是不可避免的；而學生操作不規范引起的誤差可以歸結為粗大誤差，這是由于操作失誤、測錯、讀錯、記錯、算錯等造成顯著誤差。

在實際教學中，還存在一種情況：將結果差異誤判為誤差。小學科學涵蓋多種實驗類型，其中一些實驗不存在統一標準和標準結果，其實驗結果當然就無法進行比較，也就不能被簡單定義為誤差。以模擬火山噴發實驗為例，其最終結果是否噴發受到眾多因素影響，而這些因素缺乏確切的衡量標準，所以對此類實驗結果無需開展大量誤差研討分析。再如，低年級學生通過聞氣味判斷物品的活動，這類實驗同樣沒有唯一確定的標準，學生判斷的對錯也不必從誤差角度去看待。由此可見，實驗誤差的判定主要適用于理化類及測試類等具有統一標準的實驗，但是即便在這類實驗中，標準化程度的不同也會導致實驗誤差大小的差異，這也是分析實驗誤差時需要考慮的重要因素。

二、對實驗誤差的教學策略的研究

近年來，國內外有不少學者也研究了實驗誤差教學。美國的科學教育中，教師會引導學生對實驗誤差進行深入分析，鼓勵學生通過重復實驗、改進方法等手段減小誤差，培養學生嚴謹的科學態度。德國的科學教育強調學生在實驗過程中對誤差的感知與控制，通過小組合作的方式讓學生共同探討誤差來源，提高學生解決實際問題的能力。普利里曼（Prilliman S.G）指出，實驗誤差的概念對于學生理解科學實驗的本質至關重要，他通過探究式學習來引導學生面對實驗誤差，增強學生的科學思維能力和解決問題的能力。安德森（Anderson L.V）和麥克萊恩（McLean A.R）探討了在實驗統計教學中，限制性誤差對結果的影響，他們提出應重視學生在實驗過程中對誤差來源的認識，提高學生對實驗數據的敏感性和分析能力。這一觀點為誤差教學提供了新的視角，強調了在教學中融入統計思維的重要性。

國內一些學者提出了許多應對誤差的教學策略。梁正等探討了在教學中如何有效地引導學生識別和處理實驗誤差。劉桂林等強調誤差理論與數據處理在實驗教學中的應用，利用引導式、啟發式的教學方法進行課堂教學，提出教師需通過系統的教學設計，引導學生在實驗中自我發現并修正誤差，以增強學生的問題解決能力。羅振國和王金釵討論了基于實驗素養提升的誤差分析與修正方法，提出以探究性實驗為基礎，引導學生在實驗過程中進行自我反思和調整。針對小學科學的實驗誤差教學，王繼偉根據實驗誤差教學的現狀提出了放手、反思、感悟的教學建議。李錫珍以《擺的研究》一課為例闡述了疊加、趨勢圖、再現、對比四種方法，幫助學生判斷誤差。

可見，小學科學實驗中材料、方法、環境、人為等誤差因素多重疊加、相互交織，產生誤差的情況比較復雜，針對小學科學實驗誤差還沒有形成體系化的應對策略。

三、應對科學實驗誤差的“查—比—論—探”教學策略

如何建構一套比較全面、易操作且普適性高的教學策略體系，確保學生在后續學習與生活中能夠獨立、科學地處理實驗誤差問題，同時又能培養學生嚴謹的科學態度與實驗技能，這對實驗教學而言意義重大。結合長期的教學實踐和觀察思考，我們提出了“查—比—論—探”的科學實驗誤差應對教學策略。

“查—比—論—探”是指自查、比較、論證、探查。這套策略包括：為學生提供詳細的勘誤表，引導學生從自身實驗操作、數據記錄、儀器使用等方面進行自查自糾；通過多種比較方式，包括自己不同次實驗數據比較、與同伴實驗數據比較、與真實值比較，讓學生全方位感知誤差；組織班級集體論證，激發學生思維碰撞，深入探討誤差成因；依據誤差類型判別，引導學生有針對性地調整實驗方案或方法探明原因。

1.查——培養勘誤能力。

自查勘誤是進行實驗誤差教學的第一步，也是科學家嚴謹地對待實驗誤差的重要方法。引導學生自查勘誤，對科學探究有重要意義。

教學中，教師在實驗開展前往往會為學生提供實驗記錄表，讓學生記錄現象，通過實驗視頻指引、溫馨提示等方式強調注意事項，引導學生規范操作，讓實驗數據盡可能接近真實值。然而，在實驗的過程中仍然會發生各種各樣因為學生操作不當而造成的人為誤差。因此，教師不能只想辦法規避實驗誤差的發生，還要想辦法讓學生意識到自身操作行為對實驗結果造成的影響，從而對自己的實驗行為進行自我監控。教師可在提供探究指導的同時提供勘誤表，讓學生自查每一步是否操作規范，從實驗的方法、操作的細節等不同的方面進行查證。待學生完成實驗后，教師引導學生依據勘誤表進行自查，讓學生回顧實驗過程，對照勘誤表的各項內容，在腦海中重現自己的操作畫面，標記出可能存在問題的環節。如，我們在教學《食物中的營養》一課時，就設計了這樣的實驗操作及勘誤表（見表1）。

勘誤表不僅能夠幫助學生總結經驗教訓，避免在后續實驗中犯同樣的錯誤，還能幫助學生更精準地找出可能存在的誤差，促使學生反思實驗過程，培養嚴謹的科學態度和實驗操作習慣，逐漸幫助學生建立起主動自查實驗誤差的良好習慣。

2.比——深化誤差認知。

比較是學生認識實驗誤差的重要途徑之一。教師可以引導學生進行不同維度的比較，深化學生對誤差的認知。

自組實驗結果的縱向比較：教師引導學生對自己不同次實驗數據進行縱向對比，讓學生能夠直觀地發現數據的波動情況，進而感知誤差的存在。在《擺的快慢》研究擺繩長度和擺錘重量的教學中，學生重復三次實驗的結果也往往不盡相同。通過重復實驗的數據的差異，學生能夠感知到存在誤差。

不同組間實驗結果的橫向比較：教師引導學生將自己的實驗結果與他組的實驗結果進行比較，即進行小組間的比較，能夠讓學生從不同視角審視實驗結果，發現自身可能忽略的誤差因素。教學中，教師需要采集不同小組的實驗數據并集中呈現，然后引導學生對比不同小組的實驗情況，通過多組實驗現象的比較，判斷是否出現了誤差或錯誤。表2就是學生探索食物營養成分的實驗結果匯總表，圖中含有淀粉的食物（實驗材料變藍紫色）貼▲磁鐵，含有脂肪的食物（實驗現象有油跡）貼●磁鐵，其余情況不貼。通過實驗結果的匯總，學生可以很好地比較出實驗結果的差異。

班級結果與真實值的比較：與真實值比較是幫助學生準確判斷實驗誤差的關鍵環節，能讓學生深刻認識到實驗結果與客觀事實的差距。例如，在比較銅、鋁、鐵三種金屬的導熱性能的實驗中，教師引導學生用酒精燈加熱連接三根金屬棒的金屬接口，通過觀察不同金屬棒中感溫油墨的顏色變化來判斷導熱性能。但是在實際中，有部分學生觀察的結果是鋁棒的變色速度要比銅棒的變色速度快。此時，教師通過視頻的方式將“金屬的導熱性能：銅gt;鋁gt;鐵”的結論告知給學生，讓學生對比自己的實驗結果與理論的結果是有差異的，引導學生去做深入的分析。通過與真實值比較，學生不僅能夠發現差異，還能在思考產生差異原因的過程中，深入理解實驗原理、儀器使用方法及操作規范的重要性，建立起嚴謹的科學實驗標準意識，為今后進行更復雜的科學探究奠定堅實基礎。

3.論——碰撞思維火花。

“論”指的是集體論證，進行誤差分析，是對實驗過程進行審視、反思的重要環節，是基于實驗勘誤表的自查和實驗結果的多維比較后，對誤差的原因的分析和論證。學生在經歷自查和比較活動后，他們對實驗誤差的了解有可能仍然是雜亂無序的，這時候通過論證活動去引導學生進行實驗整體性的分析顯得尤為重要，讓學生將無序的原因進行梳理和規整，通過集體研討，針對具體的實驗現象或數據，分析哪些因素沒有影響，哪些是造成誤差的真實原因。

在《食物中的營養》分析哪些食物含有淀粉時，有小組出現了蘿卜變藍的情況，教師通過對比確實發現該組蘿卜上出現了少量藍色。這是與理論情況不一樣的結果，很有集體研討分析的價值。有的學生認為是操作不規范造成的，或是環境中某種因素導致實驗結果有偏差；也有的學生認為可能是食物本來就被污染了。經過思維碰撞，大多數學生更認可實驗誤差來源于食物樣本在實驗過程中被污染了。可見，通過討論、辯證，甚至質疑實驗的方法和設備，鍛煉了學生的批判性思維能力，培養其嚴謹的科學思維和態度。

4.探——分類處理后探究誤差。

實驗的誤差要用實驗來解決，但不是簡單地重復前次的實驗，這樣有可能誤差越積越多，越來越大。“探”是引導學生對誤差進行分類判別，進而調整實驗和探明原因。

實驗誤差的類型是多種的。根據誤差類型的不同，教師引導處理的方式也應當不同。

針對粗大誤差，教師可以結合勘誤表的情況，引導學生細致操作，避免誤差。例如，在檢驗食物中的脂肪實驗中，有的學生將水跡誤認為是油跡。此時，教師通過引導學生重新操作，對比水跡和油跡，可以快速修正結果。

針對隨機誤差，教師可以引導學生關注更多因素對實驗造成的影響，并盡可能地減少誤差。但是，隨機誤差是不可避免的，因此教師可以引導學生采用多次測量、求平均值的方法來盡可能降低隨機誤差對實驗的影響。

針對系統誤差，教師可以引導學生思考如何優化實驗方法或材料，如何改進測量方法以應對系統誤差，使得實驗結果更準確。針對小學生的身心發展水平，系統誤差的處理引導是最復雜的。教師可以根據學生的情況，適當地引導他們進行實驗材料或實驗方法的優化。例如，在檢驗食物中的淀粉的實驗中，可以采用在被檢測物上滴一滴水，再滴碘液，使反應更充分，通過優化實驗方法，來降低實驗現象難以分辨造成的誤差。又如，在比較不同金屬導熱性能的實驗中，教師可以采用更換純銅棒進行實驗，通過優化實驗材料來降低金屬純度對結果造成的誤差；還可以采用溫度傳感器，通過優化實驗裝置，更加精確地測出溫度的變化，減小系統誤差。

綜上所述，小學科學實驗的誤差是客觀存在的。對實驗誤差教學，教師要積極將誤差轉化成重要的教學資源，和學生一起勘誤、比較、論證、探查，在這個過程中，培養學生嚴謹的科學態度和良好的科學思維，有效提升學生的探究實踐能力。

［作者單位：廣東省深圳市教育科學研究院 香港中文大學（深圳）附屬知新學校］

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