试析科学探究中的“意外数据”

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  科学课的核心目标之一是引领学生懂得什么是证据、怎样获得可靠的证据去解释世界。科学探究活动中,数据是得出科学概念的重要依据。在实际教学中,常常会出现一组或者几组不同于师生的预测、不符合“正确结论”的数据。应该怎样正确看待这些数據并实施有效的教学呢?
  一、“意外数据”的概念界定
  有位教师执教《土电话》一课,探究的问题是:线的长短影响传声效果吗?各小组均预测线长了声音会减弱,并通过实验活动,得出以下数据(如表1)。
  很明显,6个小组的数据,只有2个组支持假设,有4个组不支持假设。
  再如,在《我们的小缆车》一课的教学中,孩子们研究悬挂数量不同的垫圈拉动小车行驶相同的距离分别需要的时间时,产生了以下数据(如表2)。
  4个小组中有3个小组的研究结果为垫圈数量越多,小车行驶的速度越快,所需时间也越短,但第3小组的小车悬挂10个垫圈反而比悬挂8个垫圈行驶的时间更长。
  以上两个案例在实验过程中都出现了不同于师生的预测、不符合“正确结论”的数据,我们把这样的数据称为“意外数据”。
  对于探究活动中产生的“意外数据”,有些教师往往把它当作是一种错误,认为出现了“意外数据”就意味着学生的实验失败了,常常把 “意外数据”当作教学过程中不应该出现的干扰因素,是教学活动中的“问题”,影响了教学目标的顺利达成,因而在教学过程中千方百计地防止、避免出现这样的“意外数据”。
  二、“意外数据”产生的原因
  1.实验变量的控制
  控制实验中的变量,是保证数据准确的必要条件。从《我们的小缆车》一课的探究实验中我们可以发现,垫圈的递增个数,两个组等差1,两个组等差2。其实,3次实验的垫圈数量完全可以更大一些,比如选取5个、10个、15个进行实验,这样,实验数据的差异会更加明显。
  2.实验材料的选择
  在《土电话》一课的教学中,受教学场地的限制,教师提供的短线的长度为2米,长线的长度不到5米。可以改进实验材料,让长线更长些,这样,声音的减弱应该会更加明显。《我们的小缆车》一课,小车行驶的距离也影响着研究结果。实验中小车行驶的距离太近(在不大的实验桌上行驶),时间很短,差距甚至只有零点几秒,计时准确性的要求就十分高,产生“意外数据”的可能性就增加了。可以为儿童提供一块较长的木板,使小车行驶的距离更远,时间的差距就会大些。
  3.探究环境的影响
  《土电话》一课在教学过程中,不断从隔壁音乐教室传来孩子们的歌声,窗外操场上一个班的学生正在打篮球,会场里近300位听课教师也不时相互讨论。毫无疑问,这样的环境直接影响了实验结果的准确性。一位现场听课的老师说:“如果能够把孩子们带到安静的田野里去完成这个探究活动,该有多好!”
  总之,科学探究过程不是一帆风顺的,并不是按照计划就能顺利达成的,往往有新的情况出现,存在着很多不确定的因素,出现“意外数据”其实也不意外。
  三、应对“意外数据”的教学策略
  科学探究是对客观世界中人类未知领域的研究活动,是无法完全预知结果的。把小学生当成小学生,把科学探究活动当成科学探究活动,就会明白探究过程中 “意外数据”的出现不仅是正常的,更是对儿童进行尊重事实、尊重数据、体悟科学本质教育的良好契机,有着特殊的教学意义。出现“意外数据”时,教师不应惊慌和排斥,而应用健康的心态、积极的态度、合理的教学策略来应对。
  1.抓住教学生成,不放过契机
  当教学中出现“意外数据”时,教师可以鼓励学生针对“意外数据”提出疑问,发表想法,看看是否有新的发现。教师可以提醒:老师发现了一组十分重要的数据,你们发现了吗?为什么会不一样呢?这里面一定有文章,要知道科学家在研究的时候,不一样的数据往往可能是一个重大发现的开始。
  《土电话》一课的教学中,教师认为“意外数据”是实验产生了错误,为了能够得出想要的数据,使实现教学“成功”,于是就否定“意外数据”并要求学生重做一遍实验,结果拖堂了十几分钟。其实,数据本身没有问题,是教师对待数据、处理数据的态度出了问题,放弃了很好的科学教育契机。比较好的做法是,先引导学生达成这一节课的研究共识:2个小组的数据支持假设,线长了,声音会减弱;另外4个小组的数据并不支持假设。可以在第二节课让学生继续探究这一问题,要引领学生在动手操作前多考虑实验细节,控制课堂噪音,操作时每组设置实验监督员,以保证实验按方案进行,让儿童在探究活动中主动修正原来的数据,并达成新的共识。这样,对全班学生来说,以后就不会轻易放过每个特别的数据了,还知道了这种情况下该怎么办。对那些出现“意外数据”的学生来说,自己的研究受到重视,后来自己反复实验、找出原因,又受到表扬,探究积极性也更高了。
  可见,看似没有规律的“意外数据”,无法得出“科学结论”,恰恰是让学生体悟科学本质、培养理性态度的好机会。科学教师要勇于直面“意外数据”,引领孩子去思考、去发现,重视事实根据,合理怀疑;倾听和考虑他人的不同观念或解释;注意考察任一数据来源的可靠性及重现性;多次实验,根据新的证据,补充、修改自己的意见。这样,学生在探究过程中就会获得面对问题要积极寻求解决的科学教育的陶冶。
  2.反思查找原因,不模糊搪塞
  许多科学发现、发明都是从“意外数据”中获得灵感的,科学家在进行科学实验的过程中,如果发现了一组“意外数据”, 会把它当作一个重要的信息,甚至认为它的重要性大于其他数据。在科学课教学中,我们要引导学生像科学家那样,高度敏感地留意“意外数据”,把它也当作一个十分重要的信息,进行认真分析。
  有些教师为了顺利完成既定的教学任务,在让学生汇报实验结果时,常常一听到正确的结论,就让交流戛然而止,不再展开。很多教师在教学中明明发现有个别小组存在“意外数据”,但是为了追求课堂教学的“成功”,敷衍、搪塞甚至刻意回避“意外数据”的现象时有发生。   在《磁铁的磁性》一课的教学中,孩子们在研究“磁铁各部分磁性的强弱”时发现:他们在条形磁铁上等距取了A、B、C、D、E5个点,在各点上首尾相连挂回形针,根据所挂回形针的数目来判断磁铁各部分磁性的强弱。研究后,孩子们的数据统计如下(如表3):
  仔细分析这张表,可以发现: 8个小组中只有5个小组的数据的确是A、E两点吸的回形针最多,有些组的A、B点或C、D点吸的回形针数一样多,有两个小组甚至是B、D点吸的回形针最多。教师跳过这些数据,得出“磁铁两端磁性最强”的结论,是不符合尊重事实、尊重数据的科学精神的。
  这个实验学生的确难以控制,如果改进实验的材料和形式,将有助于学生更好地探究。比如,每个点的第一个回形针不是“听话”地停留在我们选定的位置,而是往磁极方向偏移,我们可以用绕在磁铁上的橡皮筋协助;一个接着一个挂回形针时,会因为回形针间接触面的大小而影响结果,我们也可以更改实验形式,改为在与磁铁A、B、C、D、E点等距的地方放置铁类物体,平移磁铁,根据磁铁能吸引铁的距离长短来判断磁性的强弱;A、B两点的磁性强弱相差较小,吸的回形针数一样多,我们可以为学生提供有结构的学具——准备一些比回形针更轻的整根大头针、1/2根大头针、1/4根大头针……
  3.合理确定概念,不以偏概全
  如《我们的小缆车》一课的教学中,由于出现了“意外数据”,我们不能馬上下结论:拉动小车的垫圈数量多,小车的运动速度快;拉动小车的垫圈数量少,小车的运动速度慢。必须尊重事实,避免在证据不充分的情况下作出判断,避免以偏概全地得出概念。可以引导学生这样表述:“我们这节课研究的共识是,3个小组的实验数据认为拉动小车的垫圈数量多,小车的运动速度快;拉动小车的垫圈数量少,小车的运动速度慢。1个小组的实验数据不支持这个说法。到底是不是这样,还需要继续研究。”让学生课外研究后再把结论重新拿回班上公布分析,达成新的共识。
  再如,《摆的研究》一课教学中,学生研究摆锤的轻重与摆的快慢有没有关系。实验时分别测摆锤是1个螺帽和2个螺帽的摆15秒摆动的次数,实验活动后汇报,有一小组汇报如下(如表4):
  学生得出结论:摆锤的轻重与摆的快慢无关,教师忽略了“16”这个数据。
  面对“意外数据”,要引导学生仔细梳理一下自己探究的全过程:实验的设计有没有问题,实验过程是否严格按照设计进行,实验的材料有没有异样,实验过程中变量的控制是否到位。如果找到问题的症结所在,就应该调整失误之处,重复实验,看看实验的结果有没有变化。如果在反思中没有找出问题,说明自己的数据是正确的,仍应进行重复实验,强调实验结论的可验证性。最后,实事求是地根据全班各组的研究数据,形成研究共识。
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