鈕穎瑩
小學科學雖然課程內(nèi)容淺顯,但是涉及面廣泛,有較多的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與測量活動。在科學實驗中,凡有觀察與測量的環(huán)節(jié),則實驗誤差必然存在。中學生對實驗誤差已有認識體會,而在小學階段,有關(guān)誤差的問題沒有明確提出。這在教學過程中,給老師和小學生們帶來了一些問題,甚至阻礙著學生對科學本質(zhì)的理解。
一、何為實驗誤差
在實驗開展的過程中,由于儀器、實驗條件、環(huán)境、測量者等因素的限制,我們無法使測量絕對精確,測量值與客觀存在的真實值之間總會存在一定的差異,這種差異就是實驗誤差。
根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因及性質(zhì),可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類。
由于儀器結(jié)構(gòu)上不夠完善或儀器未經(jīng)很好校準等原因會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,例如:各種刻度尺的熱脹冷縮,溫度計、表盤的刻度不準確等。此外,由于對實驗條件、測量方法的考慮不周也會造成誤差,而測量者本身的生理特點,例如反應(yīng)速度、分辨能力等同樣會在測量中造成誤差。
偶然誤差是指在相同條件下,對同一物理量進行多次測量,會出現(xiàn)測量值時而偏大、時而偏小的誤差現(xiàn)象。產(chǎn)生偶然誤差的原因很多:例如溫度計讀數(shù)時,視線的位置不正確;實驗儀器由于環(huán)境溫度、濕度等因素的影響而產(chǎn)生微小變化;等等。偶然誤差很難找出原因加以排除,只有通過多次測量獲得平均值盡量逼近真實值。
二、關(guān)注誤差的重要性
在聽課教研過程中,我常常關(guān)注老師對學生實驗誤差的處理。分組實驗過程中,老師一般在巡視時已找到自己想要的數(shù)據(jù),選取明顯符合結(jié)論的結(jié)果公之于眾,帶領(lǐng)學生“歸納結(jié)論”,對不一致的數(shù)據(jù)采取“冷處理”不加理會。
為了得出結(jié)論而“趨利避害”,在科學實驗中是不可取的。這種武斷的做法會帶來不少問題。
1.忽視了誤差的客觀存在,誤導(dǎo)小學生認為實驗得出的數(shù)據(jù)都應(yīng)該是符合現(xiàn)有結(jié)論的;
2.對實驗缺乏反思精神,不利于培養(yǎng)學生探究實驗的動手和觀察能力;
3.長此以往,學生的質(zhì)疑精神會受壓抑,僅剩對已有科學結(jié)論的崇拜,這種“信奉權(quán)威”的意識對探究科學并不有利。甚至會因為結(jié)論而篡改數(shù)據(jù),嚴重違背了科學精神。
只有重視實驗誤差,培養(yǎng)學生嚴格控制實驗變量,養(yǎng)成正確操作的習慣,培養(yǎng)學生盡可能減少誤差的思維意識,才能幫助學生更好地理解什么是科學實驗和科學觀察。
三、引導(dǎo)學生正確對待實驗誤差
教師應(yīng)該在每一次實驗的測量和觀察中貫徹培養(yǎng)學生的誤差意識和正確對待誤差的方法。
1.規(guī)范測量方法,減少系統(tǒng)誤差
一般而言,測量方法是造成系統(tǒng)誤差的主要原因。因而選取正確的測量方法,是減少誤差的首要環(huán)節(jié)。
例如,曾經(jīng)聽過《運動與摩擦力》這一節(jié)課,教師讓學生測量木塊在光滑表面和粗糙表面的摩擦力,沒有強調(diào)“彈簧秤使用前需要調(diào)零”,雖然在該實驗中,是否調(diào)零對于實驗結(jié)論影響不大,但從嚴謹性上來講,大打折扣,且增加了誤差。
而我自己曾在教授《抵抗彎曲》課上,讓學生進行“寬度對橫梁抗彎曲能力的影響”實驗,過分追求由學生自主設(shè)計實驗,導(dǎo)致學生的實驗數(shù)據(jù)五花八門。課后反省,主要是我沒有讓學生規(guī)定好“彎曲”的標準,隨心所欲,結(jié)果則是對科學實驗的褻瀆。而后的課上,我立即糾正這一環(huán)節(jié)的不足,引導(dǎo)學生規(guī)范該實驗的操作要領(lǐng),如此實驗數(shù)據(jù)就比較理想,顯而易見地得出結(jié)論。
2.嚴格控制實驗條件,減少隨機誤差
嚴格控制實驗條件才能保證實驗結(jié)果的準確性。
同樣是《運動與摩擦力》這節(jié)課,教師要求學生勻速拉動木塊,觀察讀數(shù)。而如何勻速拉動小木塊,這個操作難度很大。換了做實驗和看讀數(shù)的人,都會造成觀測值的不同。教師必須要做好示范工作,要求學生按照要求實驗。安排組內(nèi)學生監(jiān)督實驗實施者,督促其規(guī)范操作;多次實驗求得平均值,利用數(shù)學方法減少實驗誤差。
再如,測量單擺的擺動次數(shù),這也是一個誤差較多的實驗??膳c學生一起分析,如何減少誤差,提出改進意見,如:(1)計數(shù)時不出聲,避免干擾;(2)每次計數(shù)開始時擺的角度一致;(3)每一次均以擺到起始端為標準,半次則以擺到起始端的另一頭為標準;(4)集中注意力;等等。
通過與學生一起分析、討論,讓學生認識到誤差是無法避免的,只有規(guī)范操作、認真執(zhí)行,才能讓誤差減到最小,才能得出科學的結(jié)論。
3.合理利用誤差,生成課堂資源
曾看到一節(jié)課例《測量呼吸和心跳》,實驗設(shè)計讓學生先測量安靜狀態(tài)下1分鐘的呼吸次數(shù),再測運動后1分鐘的呼吸次數(shù)。而教師因為想節(jié)省課堂時間,將“測運動后1分鐘的呼吸次數(shù)”這一步驟臨時改為了“測運動后30秒的呼吸次數(shù)”,而“運動后1分鐘的呼吸次數(shù)”則由上述測得數(shù)據(jù)乘以2得出。怎料有調(diào)皮學生測量發(fā)現(xiàn),真正的“運動后1分鐘的呼吸次數(shù)”與測得的“運動后30秒的呼吸次數(shù)”數(shù)據(jù)乘以2并不相等。此時教師方才頓悟,意識到考慮不周,后悔不迭,自己的臨時起意改變了原有的方法,造成了實驗誤差,影響了實驗結(jié)構(gòu)。于是他毅然選擇尊重學生,正視錯誤,讓學生由此展開討論,合理利用這一誤差,讓學生探討為何“運動后1分鐘內(nèi)的前后30秒呼吸次數(shù)不一致”,原本尷尬的課堂,被教師巧妙的化解,并拓展了教學內(nèi)容。
類似的還有《電磁鐵》這節(jié)內(nèi)容,在電磁鐵的線圈數(shù)、鐵芯、電池型號、吸起的大頭針等一致的條件下,學生測出的大頭針數(shù)目卻各不相同。原則上而言,大頭針數(shù)目應(yīng)基本一致,為何存在較大誤差?教師醒悟到是由于電池的使用時間不同。電磁鐵的線圈中是短路電流,電池電量消耗極大,因而使用時間稍有長短,磁力即會引起很大改變。此時教師順水推舟,改變課題,要求學生由此來檢測比較所使用的電池的電量大小情況,從另一個角度完成了本節(jié)課的教學內(nèi)容,合理利用了實驗中的誤差。
4.學會觀察與辨別異常數(shù)據(jù)
學生在實驗后,獲得并記錄數(shù)據(jù),教師要引導(dǎo)學生對實驗數(shù)據(jù)進行觀察與分析。注意查看是否存在異常數(shù)據(jù),如果有,則需要重新回顧實驗,看是由什么原因造成的,以便改進后重新實驗。
例如,下表1是一個小組的水溫測量記錄表,要求學生觀察記錄表,看是否存在異常數(shù)據(jù)。
在第2位同學的數(shù)據(jù)中。第二次實驗結(jié)果相比于其他數(shù)據(jù)要高出不少,且趨勢相反,屬于異常數(shù)據(jù),表明在實驗操作過程中可能存在一些問題。
在小學科學實驗中,實驗次數(shù)一般需要3次,所以,這樣的直接觀察是比較方便的,能夠較容易地發(fā)現(xiàn)實驗誤差。當然,觀察異常數(shù)據(jù)的目的是為了幫助學生發(fā)現(xiàn)實驗中的問題,通過改正或改進實驗操作來減小是按誤差,而絕不僅僅是為了摒棄數(shù)據(jù),直奔正確結(jié)論。