实验数据的收集与处理

编者按：韦钰院士在她的《探究式科学教育教学指导》一书中指出：小学科学的本质是模拟科学知识的发现过程，是在实验之后实事求是地收集科学数据，对数据进行深入的思考分析，运用理性的思维形成科学概念，建立模型，并对假设作出解释。科学课教学要重视探究过程的科学性，要注重收集、整理数据，实事求是。数据是验证假说的依据，数据的正确程度决定探究的有效程度。实验数据要经过多次实验得出，要求具有准确性，不能随意修改。要实事求是地分析数据，在各种可能的解释中选择最合理的数据，并把数据转化为证据。可见，收集有效数据、理性分析数据对于实证性的科学探究是至关重要的。

学生在科学探究活动中利用各种方法得到的大量数据，还需要通过整理和分析，才能发现彼此之间的联系与蕴含其中的规律。有时数据可能不可靠，还需要不断地进行重复研究，以期得到可靠的且具有一定可信度的数据，不断提升数据的应用价值。良好的数据意识，能使学生努力通过实验寻求有利的数据来证明自己的观点，自觉运用数据来解释相关的问题或现象。

对于科学教师来说，不懂得数据在科学教学中的重要性，就不能充分理解科学的本质，就不能引领学生理解什么是证据，怎样获得可靠的证据去解释世界，就不可能在课堂上引领孩子们开展真实的科学探究活动。教师数据意识的高低直接影响着学生数据意识和科学素养的培养。本期专题策划，我们围绕“数据的收集、整理与分析”这个话题组织了一组文章，希望能给老师们一些启示。

姜红方

一、磨刀不误砍柴工——为收集有效数据做准备

1．材料科学——收集有效数据的前提

“巧妇难为无米之炊”，若没有科学的材料，学生就无法进行有效的科学探究，收集有效数据更无从谈起。因此，我们在上课前要充分研究教学中需要的实验材料，想方设法寻找最科学、最适于学生探究的材料。只有在材料上做足了功夫，学生实验时才有可能收集到有效的数据。

如《橡皮泥在水中的沉浮》一课，实验重点是测量不同形状的橡皮泥排开的水量。实验难度不大，可实验材料的准备却不容易：选用烧杯做实验，仪器室烧杯的刻度不够精细（两刻度之间相差25毫升甚至50毫升），小小的橡皮泥排开水量的变化根本无法用烧杯来测量。用量杯做实验，虽然解决了刻度问题，却因为操作不方便，学生的手很难伸进去。怎么办？只能自己制作教具试一试，用量杯、水、笔、小纸条、双面胶、圆桶形大杯子制作一个有精细刻度的测量排水量的杯子。办法可行，但是太花时间，全班14个小组，工作量太大，在有限的时间内根本来不及完成教具的制作，只有放弃了。最后，决定用小量杯和无刻度的大杯子一起来做实验：取一定量的水于大杯中，在水位处做记号1，放入沉的橡皮泥，水位上升后在水位处做记号2，把记号1到记号2这一段水位的水倒入量杯测量，测得的数据即为橡皮泥的排水量。办法虽然简单，学生也能理解，但是在操作上相对复杂，水倒进倒出，反复测量，加上倒水过程中水的损耗，五年级学生在有限的时间内来不及完成教材中规定的5次不同形状物体排水量的准确测量。直到下课，全班能收集到完整数据的组只有一两个。由于时间的限制，教师只能匆匆地用一两个组的数据来代替全班的数据进行分析，得出结论。如此贫乏的数据怎能推理出让人信服的结论？更重要的是，这会给学生造成错觉：实验数据不重要，缺乏数据照样能得出结论。假如教师在课前充分认识到材料的重要性，为本课的材料早做准备：到其他学校去借有比较精细刻度的烧杯或适合做实验的量筒，或及早在课外用足够的时间自制教具，学生在课堂上就能用科学的材料进行实验，收集有效的数据，就不会出现上述情况了。

2．下水实验——收集有效数据的保证

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”对于教材中的每个实验，我们都要站在学生的角度做一遍，及时发现实验中的问题和注意点，以便在课中给学生以有效的指导。

如《橡皮泥在水中的沉浮》一课要测橡皮泥的排水量。学生用学具袋里大小差不多的橡皮泥做实验，有些组测得的实验数据明显不符合科学规律，且与其他组测得的排水量差别很大。其中有个小组的实验数据如下：

沉的形状排水量为零，显然不可能。浮的形状和沉的形状排水量差不多也不符合客观事实。为什么会出现如此大的误差呢？

原来，学生在实验一开始就把200毫升填进了表格里“量杯里的水量”这一列。刚开始实验时量杯里的水量确实是200毫升，但是在测了实心团的排水量后，学生将沉在量杯底的橡皮泥捞出，这个过程损耗了大约5毫升的水，学生却没发现。他们既没往量杯里加水，也没有重测水量修改数据，而是想当然地把量杯里的水量看做200毫升。在测浮的形状时，量杯里的初始水量差不多只剩190毫升了，可学生依旧把它看作200毫升来算排水量。同样的操作失误也导致了后面的实验数据不准确。

如果教师课前做过下水实验，就能发现橡皮泥从量杯里拿出来时会导致水量损耗，这样的损耗是不能忽略不计的。这样，就能在实验前给学生必要的指导，提醒学生注意补充水量或重测初始水量，避免学生在实验操作中出现失误。

3．到位的实验指导——收集有效数据的助手

前苏联教育家维果茨基认为：有引导的探究比单纯的发现式教学要有效得多，有引导的探究会更有效地促进学生的学习和迁移。小学生由于受到知识、能力、心智的局限，他们的科学探究活动应当在教师有效指导下进行。

如《空气占据空间》一课有一个探究压缩空气的成因及性质的活动，学生要用针筒做实验来研究压缩空气，可课堂中教师实验示范的针筒太小了（5毫升），学生根本看不出实验的具体步骤和注意点，而教师没又有用语言来强调实验时的操作要点，所以，绝大部分学生对实验方法和注意事项并不清楚。等学生拿到针筒后，做法便五花八门：有的不停地推拉活塞却没有把针筒口堵上；有的先堵针筒口后拉活塞，发现活塞会被吸回去而兴奋地大叫，引起边上的小组纷纷效仿；有的把水槽里的水吸进针筒打起水枪，继而引发“水战”……只有一小部分同学在规范地做压缩空气实验。实验后，教师请学生交流针筒的活塞从哪个刻度推到哪个刻度时推不动了，放手后活塞从哪个刻度退回到哪个刻度，大多数学生一脸茫然。

试想，如果教师在示范时用个足够大的针筒来保证示范的可见度，如果教师在实验前给学生明确到位的语言指导，并板书操作要点提醒学生注意，实验效果肯定会完全不一样。只有教师对学生进行有效到位的指导，学生才能顺利地进行实验，才能收集到有效的数据。

二、该出手时就出手——课堂中收集有效的数据

为收集有效数据做好各方面的准备后，在课堂中就要引导学生实事求是地把数据记录下来。始终实事求是地记录数据并不是每个学生都能做到。况且，有时由于实验器材使用不规范，会引起记录的数据误差偏大，或因实验操作中的失误导致数据出现错误。如何引导学生养成良好的记录习惯？如何训练学生规范地使用器材收集准确的数据？怎样检查数据正确与否？

1．培养学生科学的记录习惯

探究活动应该是严谨的、实事求是的。在平时的教学过程中，教师要引导学生认识“实事求是”在科学学习中的重要性，随时渗透一些科学家尊重事实、尊重证据的事例，引导学生认识到学习科学必须求实、求真，来不得半点虚假，促使学生形成如实记录实验数据的习惯。另外，教师还可以充分运用教学评价来强调严谨求实的重要性。对学生实事求是的科学态度进行评价要掌握好“度”，要引导学生认识到应该在规范操作、认真观察的基础上实事求是地记录，否则可能让学生认为只要实事求是地记录数据就行，不重视实验的过程与操作，不重视数据的准确性。

同时，教师要培养学生边实验边记录的习惯。只有及时地把发现记录下来，才不会导致实验结束后再来补数据，编数据，才能保证实验数据的有效、完整。更何况，边实验边记录也是一种科学、规范的研究方法。

2．提高学生规范操作的能力

在小学科学课中，许多实验需要规范操作、准确测量、仔细观察，比如使用量筒、温度计、弹簧秤、显微镜等。课堂中，教师不仅要对材料的使用做规范的演示、细致的讲解，还要给学生提供充分的练习机会，在实践操作中提高学生规范使用器材的能力。学生熟练掌握了这些器材的使用方法和注意事项后，再开始实验、测量数据、收集信息。只有这样，才能保证实验的严谨与科学，才能收集到有效的数据。比如，日本的科学课训练学生的操作技能是非常细致、到位的，就连划根火柴也要教师做演示，学生用手一遍遍在空中模仿划的动作，然后才拿起火柴划。正是因为有这样细致的要求和规范操练的精神，才会有日本学生手工作品的精致完美，才会有整个日本民族如此关注细节、追求细节的完美。所以，科学教学无小事，更何况规范使用材料、科学地进行实验、收集有效数据是事关科学探究成效的大事，更需要每位科学教师重视并认真落实。

3．培养学生检查数据的能力

在学生实验结束后，教师要引导学生仔细地梳理一下自己探究的全过程：实验的设计是否科学合理？实验的过程是否严格按照设计进行？实验的材料是否充分有结构？实验过程中变量的控制是否到位？如果找到问题，就应该重复实验。若没有发现问题，最好也要重复进行多次实验，看看实验的数据变化是否超出误差范围。这样，我们才可以认为获得的数据是科学的。有些时候，学生对研究的内容具备了一些相应的前概念，教师就可以引导学生对自己收集的实验数据进行分析、检查。比如：在对实验进行反思的基础上，可依据常理或已有知识，检查自己的数据是否正确，必要时重复实验，强调实验结论的可验证性。如果学生发现的问题自己解决不了，教师应鼓励学生勇敢地把问题实事求是地讲出来，师生一起进行交流分析，找到数据出现异常的原因，研讨改进实验的方法，以重新收集有效数据，实现有效探究。

三、观千剑而后识器——对数据进行科学分析

对观察到的信息和实验中获得的数据加以分析，归纳出现象背后存在的规律，是科学研究中很重要的步骤。在这个过程中要用到理性的思维，要运用一些模型来帮助分析。对小学生来说，进行数据处理这一步是“动脑”的时候，应该引导他们进行数据的显示和分析。

1．分析数据与规律的相关性

实验后，教师要引导学生对数据展开充分的交流分析，分析本节课实验研究的规律是什么，分析数据与规律之间有什么联系，即数据与结论之间有什么相关性。进行相关性分析是将“数据”转变成“证据”，从现象中得出规律的重要步骤。在这个过程中，教师不仅要收集全班各小组的数据，还要将数据放大（用幻灯片展示或将全班各组数据都记在一个大的综合表格中），引导学生仔细观察数据，横向、纵向比较数据，充分挖掘数据中蕴含的信息。要鼓励学生在分析数据时说出自己的思维过程，其他学生在倾听的基础上，理性地提出自己的意见，这样能训练学生对数据进行思考分析的能力和对分析结果进行科学表达的能力。

2．教给学生分析数据的方法

学生收集到充分的数据后，首先要引导学生将收集到的数据转化成表格，或在实验前设计好表格，边实验边填写。利用表格可以将数据进行初步梳理，使学生更容易发现数据中蕴含的规律。如《怎样得到更多的光和热》一课，测量各种颜色的纸袋在阳光下随时间变化出现的升温情况，如果不用表格进行初步整理，学生面对庞杂的数据很难理出头绪。把数据记录在表格中，每种颜色的纸袋温度升了多少就很容易看出来了。

把数据转化成表格后，有时还要根据具体情况，把表格中的数据转化成统计图表。比如柱状图、折线图等。如上述的各色纸袋的升温数据在表格中填好后，就可以时间为横坐标，以温度为纵坐标，画出各种颜色纸袋的升温折线图。从图中可以一目了然地看出不同颜色纸袋的升温情况，分析交流图中蕴含的信息也就轻而易举了。

3．关注普遍规律也关注个别现象

实验结束后，教师都会引导学生对全班的实验数据进行整体分析，得出普遍性的科学规律。而具体到每个组的不同数据所包含的其他信息，往往很少关注。笔者认为，在进行数据分析时，教师不仅要关注普遍规律，也要关注个别现象，不能顾此失彼。

《电磁铁》一课，教师引导学生设计对比实验，研究电磁铁的磁性强弱与铁芯上所绕导线圈数之间的关系，之后进行实验，记录数据。全班6个小组（小班化教学）所收集的不同导线圈数的电磁铁吸引的大头针数量（个）如下：

教师在黑板上统计了全班的数据，和学生一起把数据转化成折线图，引导学生对折线图进行分析，形成统一的认识：铁芯上绕的导线圈数越多，电磁铁的磁力越大。有了充分的数据，教师也组织学生对数据进行了整理、分析，顺利得出了具有普遍规律性的结论。数据分析到此为“止”了吗？

从上表中，除了能看出导线绕的圈数和电磁铁磁力大小之间的关系，也能发现组与组之间的实验数据存在很大差异。为什么教师给每个组准备的实验材料基本相同，各小组之间的实验数据差异却如此之大？对表中实验数据所显示的个别差异要不要进行分析？答案是肯定的。面对一份数据，科学的分析应当是对数据进行充分的观察与思考，进行横向、纵向的疏理对比，从中寻找数据背后蕴涵的道理，这才更接近科学研究的本质。此案例中，如果教师组织学生对各组数据的差异性进行分析，引导学生认识电磁铁的磁力大小受很多因素的影响，比如电池的电量、操作上的规范性、材料上的科学性等，不仅可以为下节课研究电磁铁的磁力大小与电池电量之间的关系做铺垫，还可以让学生认识到科学地选择实验材料、严密地控制实验变量的重要性，促进学生养成科学严谨的实验态度。

浙江省衢州市实验学校( 324000)