小學科學實驗誤差的教學應對

王繼偉

在實驗和觀察中，由于測量者、儀器、實驗條件、環(huán)境等因素的限制，對任何一個量進行測量都不可能無限精確，測量值與客觀存在的真實值之間總會存在著一定的差異，這種差異就是誤差。在科學課的學生實驗中經(jīng)常會出現(xiàn)實驗誤差。正確認識實驗誤差并在教學中科學應對，對培養(yǎng)學生嚴謹細致的科學態(tài)度具有十分重要的意義。

一、 實驗誤差的產(chǎn)生原因

從實驗誤差的來源看，小學科學實驗中的誤差大多為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

1.系統(tǒng)誤差

在相同條件下多次測量同一物理量時測量誤差的大小和符號都不變，而在改變測量條件時它又按照某一確定規(guī)律而變化的測量誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差和偶然誤差不同，它不具有抵償性，即在相同條件下重復多次測量，系統(tǒng)誤差無法相互抵消。在小學科學實驗中，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素一般有：

（1） 儀器構(gòu)造不完善。例如小學科學課中常常出現(xiàn)因溫度計刻度不夠準確導致實驗中測得的水溫與實際水溫有誤差。又如使用彈簧秤測力，因彈簧具有彈性滯后的特性，且易受溫度等外界條件變化的影響，故其準確度、靈敏度較低，此外其稱重結(jié)果還因重力加速度的不同而有所差異。

（2） 測量方法本身的影響。例如研究空氣成分的實驗，由于實際實驗中蠟燭燃燒消耗的氧氣不足21%，同時燃燒又生成了一些二氧化碳，所以依據(jù)該實驗并不能正確地得出氧氣在空氣中所占的比例。再如研究電磁鐵磁力大小與線圈匝數(shù)有關(guān)的實驗，為了節(jié)約實驗成本，實驗中所用電池經(jīng)常會重復使用，這就導致該對比實驗會因電池的供電量難以保持不變而產(chǎn)生誤差。

（3） 測量者個人操作習慣的影響。例如測氣溫一課的實驗，由于小學生習慣盯著氣溫表觀察溫度變化而導致測得的氣溫常常高于實際氣溫。

此外，實驗中所用化學試劑純度不夠和實驗環(huán)境等因素也會導致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。

2.偶然誤差

在實驗時即使采用了最完善的儀器、選擇了最恰當?shù)姆椒?、?jīng)過了十分精細的觀測，但依然難以避免誤差的產(chǎn)生。例如測量小車的運動，有些學校應用了傳感器技術(shù)以提高測量的精確性，但實際實驗時所測得的數(shù)據(jù)在末尾的一或兩位上仍會有差別，即存在著一定的誤差，這是由于小車運動時需要克服的摩擦力的大小會有變化等偶然因素所造成的。

所以說，偶然誤差的存在是不可避免的，它是由于相互制約、相互作用的一些偶然因素所造成的，它有時大、有時小、有時正、有時負，方向不一定，大小和符號一般服從正態(tài)分布規(guī)律。偶然誤差可采取多次測量、取平均值的辦法來消除，而且測量次數(shù)越多（在沒有系統(tǒng)誤差存在的情況下），平均值就越接近于真值。

二、 實驗誤差的教學應對

1.實驗誤差的教學現(xiàn)狀

在現(xiàn)實的科學課堂中，對學生分組實驗中存在的或可能出現(xiàn)的誤差，教師大多采用以下兩種方法加以應對。

（1）想辦法規(guī)避實驗誤差對教學的干擾。教師會在學生實驗操作前給予細致的指導，除了精心引導實驗方案的設計，還會組織討論如何控制實驗的條件，在動手實驗前再以“溫馨提示”把學生實驗中可能出錯的路徑一條條地堵死，從而確保實驗數(shù)據(jù)盡可能接近真值。這種做法保證了實驗的成功，但同時又生成了新的問題，即由于教師指導太多太細，把學生思維牢牢地束縛在教師的預設當中，使得學生的自主探究難以落到實處。

（2）對實驗過程中產(chǎn)生的誤差不予理會。當測量結(jié)果與標準答案有差異時，或有數(shù)據(jù)與大多數(shù)數(shù)據(jù)不一致時，教師就直接告訴學生“你這個數(shù)據(jù)不準確”而直接刪除，然后直接帶著學生奔著“歸納結(jié)論”去了，至于為什么不準確往往不予理會。這種做法帶來的問題顯而易見：一是忽視了誤差的客觀存在，讓學生以為實驗得出的都應該是標準答案，否則就是錯的；二是對實驗過程不加反思，不利于發(fā)展學生的實驗能力和培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒炞黠L。在教學中，教師應盡量避免采用這種方法去應對學生實驗中出現(xiàn)的誤差。

分析上述兩種方法，都是把實驗誤差作為實驗教學的不利因素來看待，為了實驗成功，所以想方設法地回避。其實，實驗教學和科學實驗是有區(qū)別的：科學實驗必須盡可能回避誤差，確保實驗成功；實驗教學則不同，其實驗可以成功，讓學生通過實驗獲得知識，也可以失敗，讓學生在失敗的實驗中獲得教育。所以，教師在組織實驗教學時不妨膽大些，盡可能多地放手讓學生親歷自主探究，雖然這樣的教學過程略顯粗糙，實驗誤差更為明顯。但是，其好處也是不言而喻的，不單單是這種自主探究對培養(yǎng)學生探究能力有作用，更重要的是因為只有重視誤差，我們才有可能培養(yǎng)學生嚴格控制實驗變量的意識，使他們想辦法盡可能減小誤差。懂得這點對于學生更好地理解什么是科學實驗，進而理解科學的本質(zhì)是大有裨益的。

2.實驗誤差的教學建議

實驗誤差出現(xiàn)時，在教學中如何應對才能做到有的放矢，化不利為有利呢？

（1）放手——讓學生自主選擇分析數(shù)據(jù)的方法。在實驗數(shù)據(jù)得出后，我們的教師習慣指導學生用計算平均數(shù)的方法分析數(shù)據(jù)。應該說，當所測得的一組實驗數(shù)據(jù)都比較接近客觀存在的真值時，用計算平均數(shù)的方法分析數(shù)據(jù)是合理的。然而不能忽視的是，在科學課堂中，由于實驗者實驗水平、實驗條件和環(huán)境等因素的限制，所獲得的實驗數(shù)據(jù)往往會與客觀存在的真值存在一定距離。還會出現(xiàn)一種情況，學生所獲得的一組數(shù)據(jù)中大多都比較接近客觀存在的真值，但其中卻有個別數(shù)據(jù)由于測量者未關(guān)注的某個原因而與客觀存在的真實值相距較大，這時，再用計算平均數(shù)的方法來分析數(shù)據(jù)就不見得科學了。因此，我們要指導學生學會多種分析數(shù)據(jù)的方法，在實驗數(shù)據(jù)得出后，放手讓學生自主選擇分析數(shù)據(jù)的方法。

案例：一位教師執(zhí)教的《測試載重車的運動》教學片斷。

學生分組實驗，在車上先后放2個、1個和不放木塊，測試小車在相同拉力的作用下跑完相同距離所需的時間，并用涂色的方法在記錄紙上記下實驗結(jié)果。教師展示一組學生的實驗記錄。（如圖1）

師：科學實驗需要重復多次，會有多個結(jié)果，例如第1次用2個木塊時的實驗結(jié)果。這時要找一個數(shù)據(jù)來代表這一組數(shù)。

生：選4秒。

師：為什么選4秒？

生：因為它在中間。

師：第2次用1個木塊時的實驗結(jié)果應該怎么辦？

生：選3秒。

師：為什么？

生：因為3秒的次數(shù)多于2秒。

師：其他組也可以像他們這樣做。

（2）反思——讓學生尋找實驗誤差產(chǎn)生的原因。當實驗數(shù)據(jù)存在誤差時，不能急著直奔結(jié)論而去，而應教會學生對實驗過程進行反思，及時尋找實驗誤差產(chǎn)生的原因，這是培養(yǎng)學生實驗分析能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度的重要途徑。

例如《折形狀》一課，學生用同樣的紙做成不同形狀的紙筒，粘好后豎直放，用書本做重物，比較它們的承受力，得到如下實驗數(shù)據(jù)。

面對這一數(shù)據(jù)，許多教師只是讓學生簡單得出結(jié)論了事。其實，如果引導學生反思實驗數(shù)據(jù)，他們能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問題：用同樣的紙做成同樣形狀的紙筒，為什么不同小組的承受力會不一樣呢？這樣的反思，能夠讓學生意識到實驗過程中嚴謹細致的重要性。

（3） 感悟——讓學生在失敗的實驗中獲得啟示。一味追求實驗結(jié)果展現(xiàn)，以得出實驗結(jié)論為唯一目的，當然會使學生畏實驗失敗如“虎”而避之不及。但換個角度來看問題，我們會發(fā)現(xiàn)失敗的實驗并沒有那么糟糕：對于實驗結(jié)論的順利得出，它可能是一個攔路虎；但對于學生的科學學習，它卻未嘗不能是一種教學資源，通過對實驗失敗原因的追問和反思，學生就能在這種真實的經(jīng)歷中獲得更多對科學本質(zhì)的感悟。

例如，我們在幾年前開發(fā)的一個做中學案例《測量呼吸和心跳》。

最初的設想是：教師創(chuàng)設問題情境，引導學生猜想心跳與脈搏之間的聯(lián)系，然后，學生通過實驗證實自己的猜想。然而現(xiàn)實卻是：因為種種原因，學生在實驗中獲得的數(shù)據(jù)達不到驗證猜想的要求。

按照傳統(tǒng)課堂評價理念，學生的實驗毫無疑問是失敗的。但如果把評價的視野從實驗的結(jié)果擴展到學生實驗的參與狀態(tài)、交往狀態(tài)和情感狀態(tài)等領域，做到知、情、意、行綜合評價，這一實驗誤差就可以作為有效教學資源來開發(fā)。因此，我們設計了這樣幾個問題來引導學生感悟，讓學生在失敗的實驗中獲得一些啟示：

第一，實驗數(shù)據(jù)能證明我們的假設嗎？怎么辦？這是讓學生自主選擇——是堅持自己的假設還是放棄自己的假設。

第二，那么心跳和脈搏之間到底有沒有聯(lián)系呢？教師結(jié)合多媒體動畫講解二者的關(guān)系，這是讓學生知道自己的假設是正確的。

第三，實驗為什么會失敗呢？這是引導學生反思實驗失敗的原因——是實驗態(tài)度不夠嚴謹？是實驗技術(shù)過于原始？還是其他原因。

第四，在這次失敗的實驗中能獲得哪些啟示？這是讓學生在感悟中成長——通過感悟，學生懂得了實驗態(tài)度決定實驗的精度，當實驗失敗時，不能輕言放棄，知道了技術(shù)水平?jīng)Q定實驗的精度與效率……

上述案例中的學生實驗，作為一次探究實驗可以說是失敗的，因為實驗數(shù)據(jù)不能支持學生得出正確的結(jié)論，但作為一次探究實驗的教學過程，卻無疑是成功的，因為學生在這一次失敗的實驗中得到了很多啟示，而這種收獲比單純的得到實驗結(jié)論更有價值。

【責任編輯：陳國慶】