小學科學課堂實驗異常數據的處理策略與成因分析

◎韓曉艷

小學科學是體現科學本質且十分嚴謹的綜合性基礎課程。在科學課程教學中，經常需要進行探究性的實驗活動，學習活動的開展則依賴于從實驗操作中得來的確切數據。但從目前很多小學科學課堂實驗的現狀看，很多時候，學生得到的往往是與實際科學規律或生活經驗不相符合的異常數據。

例如在一次隨堂課中，教師帶領學生做“比較水和油的吸熱和散熱性能”的實驗。正常情況下，油溫上升速度比水溫上升速度快，可是溫度計顯示的結果卻和設想的結果截然相反。如果讓學生再做一遍實驗，時間上來不及，于是教師只能告知學生書上的結果然后宣布下課。這種和設想不一樣甚至截然相反的實驗數據就是異常數據。出現異常數據并不可怕，關鍵是我們對待異常數據的態度。面對這樣的情況，如何做到既尊重科學，又兼顧學生學習的信心和成就感，這也是很多科學教師面臨的難題。

一、常用的異常數據處理策略

(一)尊重異常數據

一次在進行“彈簧拉力”的實驗時，彈簧長度為6cm，學生在彈簧下端分別掛上1～5個鉤碼來測量彈簧伸長的長度。各小組通過實驗操作獲得了相關實驗數據。

教師將各小組分別掛1～5個鉤碼的實驗數據列表呈現后提問：“同學們發現了什么規律？”學生回答：“掛的鉤碼越多，彈簧拉得越長?！苯處煟骸班?，很好！”一名學生提出異議：“老師，我們組發現掛四個鉤碼和掛五個鉤碼彈簧的長度差不多。掛四個是10.8cm，掛五個是11cm?！苯處焼枺骸笆菃?？其他小組也是這樣嗎？”除該組外其余學生都搖搖頭。教師說：“那肯定是你們弄錯了?！?/p>

真的是學生弄錯了嗎？有這個可能，但也不排除這根彈簧已經到了它的測量極限。教師沒有經過實際驗證就斷言學生錯了，這說明教師對待異常數據的態度有誤?？茖W課堂注重培養學生的實證意識，具體的表現就是用數據說話。真實的數據是學生探尋規律、總結規律、敢于質疑的事實依據，教師不僅要教會學生尊重數據，還需以身作則?，F實課堂中，不少學生在完成自己組的實驗后還愛去打聽其他小組的實驗數據，一旦發現自己小組的數據和別組差距較大就會自行更改數據，甚至根據需要編一個數據，這和科學課程求真的宗旨相背離。

(二)反推實驗過程

在本文開頭的實驗案例中出現水升溫比油升溫快的結果是出乎大家意料的，下課后筆者仔細檢查實驗環節，在確定溫度計準確、實驗環節無誤后，又重做了實驗，發現還是這樣的結果。到底是哪里出了問題呢？最后發現是因為石棉網使用時間太久了，放在裝水燒杯下面的石棉網上的石棉掉了很多，變成鏤空的了；而裝油的燒杯下的石棉網則正常，所以出現了這樣的實驗結果。在更換了兩塊幾乎一樣的石棉網后，實驗過程中加熱后油溫明顯升得快了。

若實驗中產生了異常數據，教師要和學生反推實驗過程，尋找原因，而不是直接否定學生的數據，打擊學生的積極性。反推實驗的過程一般包括以下幾個方面：重新檢查實驗的設計是否合理；變量與不變量的控制是否正確；實驗過程是否與設計一致；實驗器材有沒有問題；有沒有環境因素的干擾……這些方面逐一排查之后一般都能找到出現異常數據的原因所在。

一次在研究“磁鐵不同位置的磁性強度”時，教師讓學生在磁鐵上等距離標注了ABCDE五個點，然后在各點上首尾相連懸掛回形針，再根據懸掛的回形針數量來判別磁鐵不同位置的磁性強弱。

從學生的實驗數據中發現某組在ABCDE每個點的回形針個數基本上是其他組對應點回形針個數的雙倍還多，雖然實驗揭示的磁鐵磁性強弱情況沒有問題，但這個數值明顯有些異常。教師從這組數據出發引導該組學生反思其實驗過程并在全班展示，其他組學生很快發現了問題：該組的回形針是橫著放的，因為和磁鐵的接觸面積大了，所以磁力也大了，吸附的回形針也多了許多。再讓他們按照與其他組一樣的掛法操作，得到的數據就基本與其他組一致了。

(三)重復實驗驗證

找到了問題的癥結所在，重復實驗進行驗證是檢驗問題的有效方法。重復實驗驗證一般可以通過如下兩種方式來進行。

1.當眾演示

當眾演示的實驗能夠放大實驗中出現的問題，有利于學生順利找出并改正錯誤，同時也有利于培育師生良好的實驗習慣、嚴謹的科學態度。

在研究“擺的快慢與擺錘重量的關系”的實驗中，教師讓學生將擺繩統一設置成10cm，然后分別掛一個、兩個、三個鉤碼逐一增加擺錘重量進行實驗。其中有一個小組的實驗數據出現異常，在一定的時間內，每次實驗擺的次數均不相同，似乎印證擺的快慢與擺錘質量相關，但實際上我們都知道，擺的快慢與擺錘重量無關。那么這組學生為什么會得到異常的數據呢？于是教師讓這組學生到講臺上演示，通過演示操作，大家都發現了問題：他們掛鉤碼的方法與其他小組不同，該組將鉤碼垂直掛成一長條，而別的組都是將鉤碼平行掛成一長排。掛法的不同導致了實際擺長的增加，當然在一定時間內擺的次數也不同。

當眾演示的方法能夠很好地解決學生們的困惑，同時對全班學生有良好的啟示意義。異常數據很有可能是錯誤數據，但不是所有的異常數據都是錯誤數據，讓發生異常數據的小組上臺演示，首先應該肯定他們所做的努力，而不能打擊他們的自尊心。

2.重復實驗

在研究“橡皮筋纏繞的圈數與小車運動距離的關系”時，教師根據學生的統計匯報，將各組數據記錄下來，表1是其中兩個小組的實驗數據。

表1 有關“橡皮筋纏繞的圈數與小車運動距離的關系”實驗數據統計表

教師問：“發現了什么規律？”學生回答：“纏繞的圈數越多小車運動的距離越遠?！庇袑W生站起來說：“不一定，我們組纏繞6圈時小車運動的距離比4圈時更近?！睘槭裁磿霈F這樣的問題呢？這組數據是偶然發生的還是普遍現象？通常我們會將一些容易出現不確定因素的實驗至少重復進行三次，以取得平均值，而這個實驗教師只安排學生做了一次，當然不容易準確了。重復實驗的作用：一是因為有誤差，需要經過多次實驗校正；二是說明此實驗可以重復進行，以表明結果是經得起檢驗的。[1]這項實驗中，如果排除了其他影響實驗數據的原因，最需要進行的驗證方式就是重復實驗。

二、異常數據的成因及教學改進

(一)學生方面：興趣雖濃，習慣不良，方法欠妥

據調查統計，學生對科學實驗課的興趣比較濃厚，喜歡和非常喜歡科學實驗課的學生占97.5%。學生喜歡上科學課的原因主要是認為可以提高自身的實踐操作能力，也有少部分學生只是覺得實驗課輕松好玩。

學生對科學實驗課的科學性認識不足，部分學生實驗態度不夠端正，實驗目的不太明確，基本實驗操作技能不夠規范。例如，有15.8%的學生在實驗之前未注意傾聽實驗要求，有12.3%的學生在實驗時不能夠按實驗步驟規范操作。有學生在使用酒精燈給物體加熱時并非用外焰，使用天平時不用鑷子夾取砝碼而是直接用手拿，使用測力計前沒有進行調零，另外在使用溫度計、顯微鏡等工具時也會發生一些操作錯誤。能夠做到小組合理分工合作的只有66.9%，還有一些小組是由組長一人操作實驗，其他學生當看客；有32.7%的學生認為實驗只需動手操作，無需填寫實驗記錄單。如在“模擬晝夜變化”的實驗中，部分學生沒有認真聆聽教師的講解，沒有搞清楚地球儀轉動方向要與地球實際自轉方向一致，導致實驗結果出現錯誤。

教師應改變學生隨意散漫的不良實驗態度和操作習慣，讓學生重視實驗數據，并建立統一的標準作為參照，確保數據的準確性。教師通過規范實驗紀律，講解實驗方法，觀看科學家的實驗視頻，認識實驗是一項特殊的學習過程。[2]這讓學生認識到，科學家成千上萬次的實驗操作就是為了得到一個準確的數據，只有有了準確數據的支撐，才能進行下一步的科學探究。同時，教師要指導學生養成邊實驗邊記錄的好習慣，對待所有的數據都要客觀公正，不能只挑選符合自身實驗想法的數據而忽略甚至直接舍棄其他的數據。

(二)教師方面

1.實驗指導不夠充分

教師不僅是實驗的組織者，還應是實驗的指導者、合作者，學生實驗正確與否很大程度上取決于教師的指導。教師需在實驗之前講明實驗內容、目標、步驟和注意事項，在實驗中巡視指導，這樣才能使實驗朝著有效探究的方向發展。教師在對學生進行實驗指導時要考慮學生的認知水平和動手能力，按照從扶著走到逐步放開的過程進行。同時教師要考慮不同班級學生存在的整體性差異，充分了解學生已有的知識基礎和經驗，預判實驗中學生可能會遇到的困難和障礙，既要避免盲目追求教學開放性、浪費時間的無效探究，也要避免指導過度的機械式探究。

2.沒有足夠的實驗時間

據調查統計，有36.6%的學生認為課堂上實驗時間不夠充足，主要是科學教師過多的講述支配和占據著大部分的課堂教學時間和空間，未能真正做到以生為本，還有少數教師為了趕超教學進度，縮減學生分組實驗時間，導致學生操作倉促，以致出錯。親身經歷以探究為主的學習活動是學生學習科學課程的主要途徑，科學課程應向學生提供充足的器材和時間，保證學生獲得充分的科學探究機會。在探究式課堂教學中，分配給學生的自主學習時間至少應有20分鐘，要讓學生真正成為學習的主人。

3.對實驗原理的認識欠準確

少數教師對所設計實驗的原理理解不透徹，導致設計不嚴密，學生操作易出錯。教材上的觀察、實驗活動，教師在上課前都要親自演練一遍。比如在“制取二氧化碳”的實驗中，教師沒有對裝置的氣密性進行認真檢查，導致實驗無法完成。又如在氣體收集階段，對于制取的氧氣或是二氧化碳，集氣瓶該正立還是倒立？采用哪種方法收集？這里所涉及的大氣壓原理、氣體的密度及水溶性等物理性質，都是教師必須深刻理解和掌握的基本知識。假若教師自己沒有做下水實驗，僅憑理論上的設想，到現實課堂上就容易出現意料不到的情況，浪費學生寶貴的學習時間，有時甚至會造成嚴重的實驗事故。因此，在每一堂科學實驗課之前，教師一定要理論聯系實踐，做到胸有成竹。

4.課前準備工作不夠充分

在實驗活動教學過程中，難免會發生一些偶發性的事件。作為科學教師，我們必須明確，偶發性事件和實驗活動本身有著密切的關系。因此，科學教師在實驗前需做大量相關的準備工作，尤其是在實驗器材的選擇與準備方面要精心細致，否則會影響學生實驗的效果。實驗之前，教師要認真選擇檢查實驗器材，以保證實驗的正常開展和有效操作。實驗研究的材料要具有多樣性和結構性。比如研究“我們周圍的土壤”時，教師要力求從不同的地方采集不同的土壤，通過觀察，分析不同類型土壤的差異，進而認識到不同的土壤適合種植不同的植物。如果教師只是進行單一的樣本采集，由數據得到的實驗結論往往是有悖于科學常識的。

科學探究是一個理性的過程，科學結論的形成是一個不斷修正的過程，它需要真實數據作支撐。異常數據的產生是課堂中的一段小插曲，更是一次難得的探究契機[3]，而對異常數據的處理方式則凸顯了教師的教學機智。當我們面對異常數據時，需要尊重事實，切勿妄下結論；傾聽不同見解，理性分析；引導學生深入探究，不隨意否定學生；重復實驗驗證，根據新的數據不斷修正、完善自己的結論，創造和諧、積極的學習氛圍。