提升“持续性测量实验”数据的准确性

王圆圆

〔摘    要〕  在3～6年级的科学教材中，“持续性测量”定量实验需要学生在较长时间内通过规范测量获得一系列准确数据，并以数据为依据总结规律、做出推论，获得对某一科学原理的认识。但在教学中，持续性测量对学生来说是难点。数据收集时的毫厘之差，让学生在分析数据时无从下手，还可能导致结论谬以千里，更让有限的时间捉襟见肘。笔者基于三节典型课例，透过学生收集的数据和课堂观察，分析异常数据的原因，在实践中研究如何提升持续性测量数据的准确性，培养学生的实证精神和严谨的科学态度。

〔关键词〕  小学科学；持续性测量；数据准确性；策略研究

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  01    061-063

苏教版科学教材四下“冷和热”单元、“像科学家那样”单元，五下“简单机械”等单元的学习都依赖持续性测量实验。其以一系列的数据为证据，总结科学规律、做出推论。但从学生呈现的数据来看，普遍存在问题。综合考虑数据收集异常的前因后果，教师必须对此进行深入细致的分析，并在实践中不断解决问题。

一、课例1：四年级下册《水受热以后》课教学

探究“水在沸腾前后温度变化的规律”。学生需在15分钟内合作收集连续性数据。这类实验耗时长、材料繁复、过程吵嚷、异常数据较多、结尾匆忙。

（一）数据与课堂观察分析

学生收集数据的主要问题：数据异常，且15分钟水温都未达到100℃。同时，数据与分析两张皮。学生通过数据无法得出科学的结论：水沸腾前温度持续上升，沸腾时保持在100℃。要解决数据异常的问题，需要回顾和反思学生的实验过程和易被忽略的细节。

课堂观察发现：1.材料工具方面，有的酒精灯外焰未达到铁架台高度，导致加热不足；烧杯口敞开造成热量丢失，15分钟水都未能沸腾；有的温度计甚至显示超过100℃，但水未沸腾。2.合作操作方面，由于手持温度计，有的小组没有人监控液泡是否触底或超出水面；读数时温度计液泡有时也会离开水面。3.时间方面，时间长，有的学生间歇性游离于任務之外，形成组内或组间干扰；数据分析时间被挤压。

（二）调整策略

材料和工具替换：用电子温度计替代老旧的煤油温度计，提高准确性，避免超过100℃，造成错误认知。同时，温度计用双头夹固定在烧杯壁上，减少手持负担。明确分工：每个人都对数据的准确性负责，尤其要设置规范操作监督员，每组至少2人同步读取数值并记录。缩短水沸腾时间：提供初始温度更高的水，控制水量，调整酒精灯外焰高度，杯口用锡纸遮挡，减少热量散发，为数据分析保证足够的时间。

（三）策略实施后成效

与之前相比，水温变化曲线图的数据更加稳定准确，没有异常数据。在分析时，学生能够对这一系列数据进行分析，总结规律，得出合理的结论。

二、课例2：四年级下册《像科学家那样》课教学

研究“摆的快慢与什么因素有关”。学生需通过合作，使用摆、铁架台、量角器、卷尺等工具测出10秒摆摆动的次数。

（一）数据与课堂观察分析

学生在研究“摆的快慢与摆线长短关系”时，实验数据问题不大。但是多个小组在研究“摆的快慢与摆角大小关系”时，各组出现矛盾的结论或无法得出结论：“摆的快慢与摆角有关”和“摆的快慢与摆角无关”。每组结论都有数据做支撑，互相无法说服。

由于学生无法判定摆动次数的变化是因变量改变引起实验数据产生微小变化（每个摆角平均结果相差1次），还是合理范围的误差（1次算误差），失之毫厘，谬以千里，学生无法达成共识。

根据对学生数据收集过程的观察，导致异常数据、分析困难的原因集中在：学生从拿到实验材料到开始协作，在摸索中分工，有的小组快速进入数据收集状态，有的小组却对具体怎么操作仍然模糊（如使用秒表计时、用卷尺确定摆线长度、固定摆不晃动、用量角器对准摆角度数、保证摆动时不撞杆不绕圈），尤其是量角器不方便使用，对操作带来干扰，反而影响摆动状态。同时，本组缺乏对规范操作的自我监控。同一个组内，对摆动次数的计数不够严谨。数据分析的时间短，且学生在数据分析策略方面存在困难，需要指导。

（二）调整策略

示范合作：小组演示如何分工量摆线长度、找准摆角、正常摆动、计时、数摆动次数（至少2人）。且每个成员都要对数据负责。改良工具：用木质试管夹稳定固定点，防止摆动时晃动绕圈，且方便调节摆线长度；用双头夹调整量角器，方便确认角度，降低操作难度，减少失误。利用大数据，减少误差：研究摆角的小组，统一摆长和摆锤，明确对比三个角度，方便大数据比对分析。

（三）策略实施后成效

研究摆角的小组：统一摆线长度20cm，金属摆球，摆动角度为10°，20°，30°。

从小组的数据来看，小组结论包括几种：摆的快慢与摆角大小无关；摆的快慢与摆角有关，摆角越大，摆动越快；摆动快慢与摆角大小没有规律性。

调整策略后发现，误差不可避免，但学生并不都能接受误差的解释。因每组实验控制变量条件是一致的，教师指导学生再使用“摆动时间叠加法”进一步分析数据。

从班级大数据来看，摆的快慢与摆角大小的关系呈现出来，减少了误差带来的误判，学生能够得出合理的结论。

三、课例3：五年级下册《升旗的方法》课教学

研究“动滑轮与定滑轮的作用”。各组需要用弹簧测力计测量动滑轮、定滑轮在拉起重物的过程中所用的力与“直接提升重物的力”做比较。

（一）课堂观察分析

情况1：有的小组多次测量的数据无法得出一致的结论。数据显示动滑轮有时省力，有时不省力也不费力；定滑轮有时省力，有时比直接提升用的力大。

情况2：动滑轮省力，定滑轮是不怎么省力的。

情况3：相同的重物，组间数据差距卻较大。

课堂仓促结尾，教师给出准确数据，得出结论：定滑轮不省力，动滑轮省力接近一半。

（二）调整策略

工具材料选用：1.采用力传感器和数字实验仪器，更准确测力；2.通过数字实验仪器采集和分析数据，提高数据的准确性；3.用力与机械实验套装替代铁架台，实验盒既轻便又方便整理实验材料。

小组合作：如果合作出现职责不清，分工不明，会导致数据收集出错。教师要在学生动手前，让学生充分思考如何协作互助，以及可能出现的问题。这样可提高数据的可信度，并高效利用时间。

数据反馈：将几组分开展示的数据，改为在Excel表格上整体呈现，形成全班大数据，同时比较分析各组的数据和图表，利于得出科学的结论。

（三）策略实施后成效

从大数据看，各组数据都较为稳定，没有出现异常数据。通过将定、动滑轮的平均值与直接拉起重物相比，学生能通过数据归纳出合理的结论：动滑轮省力，定滑轮不省力不费力。

四、提升持续性测量数据的准确性

（一）慎选材料和工具，避免“毫厘之差”

持续性测量的时间长，材料选择是否恰当、工具是否便捷直接影响数据的准确性。三个课例中都涉及材料、工具的调整与改进。例如在《水受热以后》一课中，教师一开始忽略了对水量、水温的预估以及每组酒精灯外焰的高度等细节，导致水到沸腾所耗时长过久，匆匆结尾。改良之后实验效率提高。再例如在研究“动滑轮与定滑轮作用”的实验中，数据问题的主要原因在于老旧的弹簧测力计。改为力传感器之后，数据准确度提高。但需注意的是，数字化仪器的运用一定要兼顾学生已有能力，不增加其额外负担。在“探究摆的快慢与什么因素有关”的实验中，双头夹的360°旋转关节给调整和固定量角器提供了便利，减少了难度和误差。创新性地组合工具需要教师有足够的细心和智慧。

（二）加强“指导合作与课堂管理”，提高实验效率

在保证工具操作没有问题的前提下，指导小组如何进行合作同等重要。到四五年级时，教师对合作的指导逐渐减弱。但这要视不同班级甚至不同的小组而定。发挥合作能力强的小组在实验前示范如何合作是不错的方法。学生在互动中，明确应该怎么做以及注意事项。另外，需加强对“游离”学生的持续性关注与评价。教师需促使“游离”学生回归到活动中，对数据负责，提高个人的效能感。在良好的课堂管理下，学生的有效合作大大提高了课堂效度，节约了时间，为数据分析与反思预留了足够的时间。

（三）运用大数据，解“数据分析之困”

在实际教学中，“重展示、轻交流”“重预设、轻生成”的现象依然存在。组间缺乏充分的互动交流，缺乏集体的相互论证。当组间数据和结论冲突时，往往以“数据测量的时候有问题”等个人经验感受来回避，最后只好以教师的小结为结论而结束。当缺乏分析与解释时，学生难以在数据和结论之间建立关联，无法使概念真正内化于心。学生科学逻辑思维的培养和用事实说话、用证据解释、培养实证精神也难以实现。教师需引导学生经历从自我分析、个体论证到全班互动、集体论证的过程。

利用Excel收集大数据进行全班分析是不错的策略。例如用大数据呈现和分析“动定滑轮提升重物的力”以及“摆动次数”，能帮助学生识别和反思异常数据。同时，由于小学生数据处理经验少且认知能力有限，所以面对误差时，学生会认为是因变量改变引起实验数据产生微小变化，由此可能得出错误的结论。教师应对已经产生的误差不回避，在大数据中减少误差的影响，例如用叠加法判误差。

总体来说，“持续性测量”实验一直是教学中的难点。从认知负荷理论来看，在持续性测量获取数据的过程中，学生所需的内部认知负荷并不高，但因分工合作的不协调性、材料工具的选择失误、无关干扰导致的外部认知负荷增加，才影响了数据的收集。因此，对外部认知负荷应该采取适当措施消除，如材料工具的进一步改良筛选、小组明确的分工责任制以及对实验过程的监控等。但分析数据时，学生就需有较高的内部认知负荷，需要教师引导学生有层次地分析数据，总结出科学规律、做出合理推论，获得对某一科学原理的认知，培养学生的实证精神和严谨的科学态度。

参考文献

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