实验数据分析的策略

司徒敏

数据分析是科学探究活动中的一个重要环节，数据分析有助于学生寻找规律、得出结论。科学地分析数据能使课堂探究变得更真实、准确，能提高科学探究的效率，对于培养学生的实证意识以及科学概念的形成具有重要的意义。下面以《形状与抗弯曲能力》一课为例，谈谈如何引导学生进行数据分析。

本课主要通过实验来探究纸的形状与其抗弯曲能力的关系，实验的方法是把纸折成不同的形状，然后在纸上放螺母，直到纸弯曲接触到桌面。这是一个变量控制实验，实验除了纸的形状外，其他条件需要保持不变，如“桥墩”两边距离、纸梁的架空高度、纸的长度、纸的厚度等。学生在实验后得到以下实验数据：

在引导学生进行数据分析时，我采取了三看实验数据的策略。

一看可疑数据

学生在实验过程中往往会出现偏差或者错误，对错误的、不具有科学性的数据进行分析，有可能会得出南辕北辙的结论，甚至使学生形成不科学的概念。因此，在对数据进行分析前，要引导学生对数据进行辨别，思考这些数据是否有效，排除可疑数据。

对全班学生收集到的8组数据，我先让学生思考，哪些数据是可以供我们作下一步分析的，哪些数据可能存在问题？学生经过观察，提出第8组形状的数据有问题，因为这组的纸平均能承受6.7个螺母，与其他组的数据相差比较大。究竟是怎么一回事呢？我请这组学生把纸拿出来，在实物投影仪上重新做一次给全班同学看。当他们演示完，同学们都举起了手，大家发现他们组把纸朝横向折了，这样纸的架空距离就变窄了，和没有折过的纸相比，架空距离就不一样了，就没有可比性了。学生一致认为第8组的数据不可信，需要重新实验以获得可靠的数据。

是不是平均值接近，就说明都是可信的数据呢？这方面学生往往会忽视，我引导学生再分析各组3次的数据，有个别认真观察数据的学生对第6组、形的数据提出了质疑。虽然这组的平均数和其他组的平均数相比差别不大，但这组在同样条件下的3次实验数据差别还是比较大的，第一次形能承受7个，第二次10个，第三次15个。我让这组同学说说为什么3次的数据会相差那么大？他们说是因为在实验时不小心会推动桥墩，从而改变了纸的架空距离。我提出质疑：这样的数据我们还能采纳吗？学生都认为只有在纸的架空距离一样、纸的架高距离一样的前提下得出的数据才是可信的数据，才能采纳，所以这组也要重新实验以获得可靠的数据。

学生实验得出的数据我们都需要去关注，不能仅关注部分数据。如果实验数据本身有问题，我们依靠数据得出的结论就可能不正确。所以，在让学生分析数据前先要让他们思考“我们得出来的数据都能使用吗？”在排除可疑数据的过程中培养学生思维的严谨性，让学生对实验有更充分的认识。

怎样知道哪些是可疑数据呢？要先引导学生对数据进行分类，把相近和差别较大的的数据分成两类，然后分析差别大的数据。这时可以先让学生对得出数据的实验设计、实验材料的选择、实验过程的操作等方面进行反思。如果学生还是不清楚问题所在，可以采用实验重现的方法，让学生在全班重新做一次，由其他学生帮助他们找出问题。在这个过程中，除了这个小组能正确认识到自己问题外，其他同学也会反思自己实验有没有按要求操作，为什么要按要求操作。

在让学生展示数据、分析数据的过程中，有老师只是让他们把实验的平均数展示出来，然后对平均数进行分析，其实有些操作不当产生的数据也会混在其中，就像上面的第6组形的数据，如果只看平均数，不看3次的数据就发现不了他们的问题，这组学生可能也不会意识到自己组在实验中没有控制好变量这个问题，这对他们以后进行变量控制实验是不利的。所以，除了分析平均数以外，还要引导学生分析3次实验的数据，分析后再排除可疑数据。

二看过滤后的数据

在排除了可疑数据后，可以先对其余数据进行分析。面对复杂的数据，我让学生先对数据进行分类，把每一类数据看成一个小的整体。学生归纳出：——形纸能承受O个螺母，形纸能承受2-3.7个螺母，、形纸能承受8~ 11个螺母。我通过层层深入的问题“不同形状的纸承受的螺母数相同吗？”“螺母数的多少与抗弯曲能力有怎样的关系？”“纸的抗弯曲能力与什么有关？”引导学生用数据来说明问题，最终学生能得出“不同形状的纸抗弯曲能力不同”“改变形状能增强抗弯曲能力”等结论。

很多老师在学生得出结论后就会结束对数据的分析，学生得出这么多的数据就只为得出结论吗？在课上，我继续让学生对数据进行思考：你还有进一步的发现吗？你有什么疑问？在短暂的思考后，学生提出形纸的抗弯曲能力比形纸的要强，这是为什么呢？为什么改变纸的形状能增强纸的抗弯曲能力？学生的发现和问题都是很有价值的，我引导学生先回顾实验过程中把螺母放在没有折的纸、形纸和形纸上纸的变化是怎样的，再引导学生分析螺母的力在不同形状的纸上是怎样作用的。

当我们把全班的数据展示出来时，往往有几十个数据，分析时就显得很复杂。为了把数据化繁为简，可以把数据分类归纳，然后做纵向比较，也可以让学生把每类数据输入excel表，计算出这么多个小组这类数据的平均数再作比较，这样就能把数据从复杂变简单，学生分析起来就轻松多了，更容易发现规律，建构科学概念。

很多老师在让学生分析数据时通常会问“通过这些数据，你有什么发现？”这个问题太空泛了，学生要么不知道怎么回答，要么简单复述数据。所以，老师要把问题分解，通过有逻辑的问题串来引导学生分析数据，在引导学生分析数据时不能只是为了得到正确结论而匆匆作出分析。深挖数据的内涵，学生的思考就会更深，收获也会更多。

在分析过滤后的数据时，为了更直观地看出数据的分布，可以让学生把数据制成柱状图、折线图等，这样更有利于学生发现数据的变化规律。在引导学生做数据分析时，应根据不同的数据来选择不同的数据呈现方式。

三看特殊数据和误差数据

除了纵看数据，还应该引导学生对数据进行横向分析。横向分析自己组的3次数据，自己组的数据和别人的数据，以此分析自己的实验过程有没有出现问题。

横向比较数据后，学生发现形的纸抗弯曲能力最多的组能承受11个螺母，最少的组能承受8个，相差有3个螺母的重量，大家都很好奇，为什么第4小组的、形纸能承受那么多？我让第4组和第3组的同学把他们的形纸拿上来展示，学生发现虽然都是形，但是第4组折的波浪比第3组要多。是不是波浪数越多纸的抗弯曲能力越强呢？学生提出这个问题后，我鼓励他们课后自己做实验来解决新的问题。

除此以外，学生发现很少有一组3次的数据都是一致的，为什么在同样条件下进行实验，数据还是会有误差呢？我让学生围绕误差的产生开展讨论，学生说有可能是放螺母的时候用力没有做到一样，有时放螺母用的力大些，纸的抗弯曲能力就会受到影响。也有些小组提到可能是放螺母的时候有些集中放在中间，有些螺母散开放，得出的数据就不一样了。怎样才能减少误差呢？我继续让学生思考，学生提出可以用镊子夹着螺母轻轻放在纸上，这样就可以避免用手放用力过大的问题，还有学生提出可以用小杯子装着螺母，这样螺母就不会散开。学生提出的这些建议非常好，在下一个班上课时，我让学生用改进的方法进行实验，数据误差就小很多了。

学生在动手之前对实验要控制的变量有了一定的认识，但实际中还是会出现这样或那样的问题，导致数据出现误差，及时引导学生对自己的探究活动进行反思就显得尤为重要。比如，可以这样引导学生反思：我们组3次的实验数据一样吗？我们组的实验数据和其他组的数据一样吗？问题可能出在哪里？实验怎样才能做得更好？通过这样的反思、交流，学生就会有新的发现、新的问题，对实验的操作和误差的产生也会有新的认识。虽然分析数据误差花了时间，但这些时间花得是很有价值的，学生在这个过程中能认识到实验操作不规范、不严谨就会影响实验的数据，他们以后做实验就会更认真。

通过三看实验数据，学生经历了对自己探究过程的整理、分析和反思过程，深刻地感受到科学研究应该持严谨的态度。这样的数据分析过程，不但能促进学生的思考，还可以让学生对探究活动有更深刻的认识，帮助学生建构科学概念，让学生意识到实验操作严谨的重要性。

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