基于实验教学中收集证据的若干思考

基于实验教学中收集证据的若干思考　　

                                  舟山市岱山实验学校      任存宝　　

内容摘要：学生的实验研究也是一个收集证据和利用证据对科学现象做出解释的活动过程。收集证据是科学探究过程中一个极为重要的环节。实验材料、实验仪器等的择用、实验变量的控制和学生对实验现象的观测及对观测结果的记录等因素都会影响到实验证据的收集与可信度。教师要关注这些因素，结合小学生年龄特征、认知规律及实验要求，精心设计实验，让学生能顺利地收集到所期望的事实证据，收集的证据应力求真实、客观、准确、可信。从中培养学生收集证据的能力和实事求是、尊重证据的科学态度。　　

关键词：材料  证据   收集   实验   变量   描述　　

科学实验是一个收集证据，从证据中发现规律的过程。对实验的现象的描述和解释，实验结论的得出皆依赖于所收集的证据及对证据的整理与分析。因些，采集到的证据要力求真实、客观、准确、可信。在小学科学实验中，事实证据主要有两大类。一是实验中运用人的眼睛和其它感觉器官及仪器所获取的信息和现象，记录时一般采用定性的文字描述。二是实验中主要借助于测量工具所获得的数据资料，记录时一般采用定量的描述。实验材料、实验仪器以及学生的观测技能、对观测结果的记录、实验中对变量的有效控制等因素直接影响到科学证据的收集工作。笔者认为，在收集证据时，要着重关注以下几个方面的因素。　　

一、实验材料的合理选择　　

实验材料在一定程度上决定了实验的质量和成功与否。科学实验要借助于一定的材料（在下面的叙述中，材料姑且泛指实验材料、实验仪器。），证据的获取与材料的择用有着直接的关系，在小学科学实验中一般是通过实验获取我们所期望的一些事实证据，以支撑实验假设或否定实验假设。学校实验室中常用的测量仪器主要有温度计、弹簧秤、天平、量筒等，这些仪器往往规格有限，有些只有一种规格或型号，它们的精度是确定的，我们的选择余地是有限的。这时就要在操作材料的择用及实验装置的改进上下功夫。在选择材料时，着重关注以下几个方面。　　

1、材料的可操作性　　

在设计、选择材料时既要根据实验的要求和侧重点，又要充分考虑到材料的可操作性，合理降低操作难度，保证实验数据的顺利获取。课前，教师要事先做一做预先实验，以便更好地了解实验的操作要领、操作难度及耗时情况等，合理选择实验材料，提高材料的可操性。五下《浮力》一课，测量一块泡沫塑料块在水中受到的浮力实验，我选用的是沉浮实验盒中的泡沫塑料块。我在做预先实验时发现了一些问题。拉动时，泡沫塑料块容易发生偏转，且因厚度不够，对小部分浸入、大部分浸入难以把握。于是我就自制泡沫塑料块，规格为　4CM　×　4CM　×　4CM　。每隔　1厘米　做上记号，在中心处固定棉线，这些皆由教师事先做好。学生实验操作时，统一标准，小部分浸入——浸入　1厘米　；大部分浸入——浸入　3厘米　。尝试后，发现效果好多了，避免了一些不必要的麻烦，便于数据的测量，测得的数据比较一致，也利于在下一环节中对数据的整理与分析。　　

2、材料的有效性　　

在设计、选择实验材料时，既要符合教材要求，又要充分考虑到所选材料的有效性，保证实验现象明显，实验数据有足够的区分度。若实验中所收集到的信息、数据不足以得出实验结论，未达到我们所期待的预望值，在排除操作层面上的问题后，一般来说就要改进实验材料。五下《做一个钟摆》，实验一：两根木条的长度按教材要求分别为　20CM　、　30CM　，这时着重要考虑木条的宽度（因为我选用的是三夹板木条，它的厚度是固定的。）试验后木条的宽度选用　0.7CM　即可。15秒内摆动次数记录：　30CM　长木条的摆和　20CM　长木条的摆，各测三次均为16次和20次。实验二和实验三：当木条（三夹板木条：　30CM　×　0.7CM　，重：　3克　）的规格确定后，螺帽多重合适？我分别试验了三种不同重量的螺帽作为摆锤。通过试验，重量为　4.5克　的螺帽比较合适。实验二，15秒内摆动次数记录：没有螺帽的摆和加上螺帽的摆，各测三次均为16次和14次。实验三，15秒内摆动次数记录：螺帽在木条　10厘米　处的摆、螺帽在木条　20厘米　处的摆和螺帽在木条　30厘米　处的摆，各测三次均为18次、16次和14次。从数据上反映，所设计的材料是可行的、有效的，实验所获取的数据具有足够的的区分度，足以得出结论。

六上《抵抗弯曲》，纸的宽度（厚度）与抗弯曲能力的实验，选择合适的纸也相当重要，选用的纸不能太薄，太薄的纸连自身重量都不能承受或只能承受自身重量，加一点点外力就弯曲了，无法进行对比实验。但纸也不能太厚，太厚没有弹性，或者压不弯，或者压弯时已经压坏了。课前必须对所选的纸先行试验，看看合不合用。一般来说，选用　0.5毫米　左右厚的卡纸，比较合适。

3、材料的代表性　　

在选择材料时，要考虑到所择用的材料是否具有一定的代表性，数量是否足够，种类是否多样，以确保获得丰富的实验信息。五下《物体在水中是沉还是浮》一课，活动二：观察更多物体在水中的沉浮。　　

小石块　　

泡沫塑料块　　

回形针　　

蜡烛　　

带盖的空瓶　　

白萝卜　　

橡皮　　

预测　　

理由　　

结果　　

以上七种材料皆是学生身边的熟悉的材料，具有一定的代表性。有学生极易做出沉浮判断的材料，如石头、泡沫塑料块等，也有他们较难判断沉浮的材料，如白萝卜、蜡烛头等。学生的预测，展示的是他们对沉浮判断的初始概念，当实验结果与学生的初始概念产生冲突时，更容易引起学生的思考，从而发现并提出问题。并为学生讨论得出影响物体沉浮的因素（如体积大小、轻重、形状、材料、是否空心等）打下基础，同时激发学生进行后续的探究活动。四上《水能溶解一些物质》一课实验，选用食盐、沙和面粉这三种极具代表性的物体。从观察食盐在水中的变化开始，引导学生进入到对溶解现象观察描述的一系列活动中去。通过观察、比较几种物质在水中的变化，形成关于“溶解”的描述性概念，通过观察、比较食盐、沙、面粉在水中变化的不同，发现溶解和不溶解的主要区别和特征。并期望通过过滤发展对溶解和不溶解本质特征的理解和认识。　　

4、材料的可测性　　

观测数据时，要事先了解所用仪器的精度和对数据的要求，合理选择实验材料，以获得理想中的数据。五下《探索马铃薯沉浮的原因》，同体积的马铃薯、清水和浓盐水的轻重比较实验。对数据测量的要求比较高，要求测出马铃薯比同体积的清水重，而比同体积的浓盐水轻。实验所采用的仪器是：50ml的量筒和J-EQTP-0105型　500克　托盘天平。很显然，关键是先要精确地测出马铃薯的体积，如果这一数据不精确，会直接影响到对清水和浓盐水的重量测定，导致实验数据的不可信。一开绐的时候，我只考虑到测定马铃薯体积的方便，选择体积为5ml左右的马铃薯，刚好能直接放入量筒。结果只有一组数据达到预期的数据要求，其余各组数据均告失败。相对较好的一组数据：同体积的马铃薯、清水和浓盐水的轻重比较(马铃薯的体积是4.3ml)　　

马铃薯　　

清水　　

浓盐水　　

重量　　

　4.6g　　　

　4.4g　　　

　5.1g　　　

课后，自己也动手测量了一下。确实感到太难了，尝试了多次，才得到了一组比较“理想”的数据。于是反思，认识到：在体积相同情况下，这三种物体的重量本来相差就不多，若选用体积很小的马铃薯，用以上规格的仪器要精确地测出它们的重量且要有所区分，对学生来说实在太难了，同时也是不科学的。因为导致实验数据的误差的原因很多，如操作不当、读数时的人为误差等因素，也因不同规格的仪器的精度不同，导致数据的精确度有所差异。学生的数据误差在正常的误差范围内，问题并不在于学生，而在于教师在选择材料时犯了“错误”。其实选用体积大一点的马铃薯没有关系，可以把马铃薯切分成若干个小块，分别放入量筒中就可以测出它的体积。后来改用大一点的马铃薯，体积为50ml左右，量筒改用250ml规格的量筒。学生基本上都能顺利地测得预期的实验数据。其中一组数据为：(马铃薯的体积是50.0ml)　　

马铃薯　　

清水　　

浓盐水　　

重量　　

　60.0g　　　

　50.0g　　　

　64.5g　　　

此外，还要关注实验现象的可见度。实验的过程和现象要能让学生都能看到，仪器要能清楚地显示出需要观察的现象，实验仪器的大小选择要合适，并设法突出被观测的对象，有时对实验装置还要作适当的改进。如五下《液体的热胀冷缩》，为了能清楚地观察到水在受热或受冷后体积的变化，对实验装置作了改进，采用一个平底烧瓶和红水的新装置，学生就能清楚地观察到水在受热或受冷后细管中水面的高度变化。实验教学中，在仪器的重要部件上涂上醒目的颜色，以突出观察对象；在水中加入一点红墨水，以便能看清水的流动情况和液面的高低；利用多媒体课件、投影仪投影放大等手段，以增加观测效果等，皆是为提高实验现象的可见度及可测性，确保学生清晰地观察到实验的过程和现象，以获得可靠、准确的信息。　　

二、实验现象的观察描述　　

科学探究始于细微的观察。“科学性的“记述”是将事实做精确的描述，使不同的人均能由它解读到相同的事实”。“描述是解释的基础；描述是证据，解释是观点”。小学科学教材中，有大量的观察实验现象需要用定性的文字描述方法进行记录，要求学生得出的科学结论也往往是一些描述性概念。因此，要重视对实验的过程及现象的仔细观察及对被观察对象进行客观的、准确的描述。加强教师的指导作用，可通过实验提示、操作方法的设计及实验记录单等来实现。　　

五下《沉浮与什么因素有关》一课中的两组变量控制实验，两组实验材料具有很强的结构性，从浮到沉呈现一定的层次性，实验现象明显、清晰。实验前要先预测。预测和结果用沉或浮记录，并要求学生用图文结合的形式来描述实验现象。操作时建议学生：一个一个地放，放一个观察一个，然后集中观察五个小球或五个立方体的沉浮状况。学生不只是看到物体的沉或浮，更重要的是让学生能从中感受到随着重量或体积的变化，物体的沉浮相应地发生变化，感受沉浮变化的过程。这样，就有助于学生对实验现象作出准确的描述与解释。　　

又如六下《物质发生了什么变化》，实验一：观察沙和豆子混合后的变化。要求学生从多方面寻找证据，根据观察到的事实，确认物体没有发生变化或者变化很不明显。这时就要发挥实验记录单的引导作用，观察并描述混合前后的沙和豆子在颜色、形状、大小等方面的变化。　　

混合前　　

混合后　　

颜色　　

形状　　

大小　　

颜色　　

形状　　

大小　　

沙　　

豆子　　

我们的发现　　

实验二：白糖加热实验，书上的表格过于简单，应作相应调整。原表：　　

加热前　　

预测　　

加热后的变化　　

白糖　　

调整为：　　

颜色　　

形状　　

形态　　

气味　　

白糖　　

加热前　　

预测　　

加热后　　

我们的发现　　

同样运用实验记录单引导学生在加热的过程中，仔细观察、记录现象，从现象的变化中，分析、比较白糖发生的两种变化，体会两种变化的区别。一是白糖的熔化：白糖从固态变液态，颜色从白色变黄褐色，并闻到一股香味等。二是白糖的炭化：颜色加深，最后变成黑色的炭，并闻到焦味等。如果继续加热，黑色的炭还会燃烧。最后引导学生整理出物理变化和化学变化这两个描述性的概念，并得出这两种变化的本质区别。　　

三、实验变量的严格控制　　

小学科学教材中有大量的对比实验，对变量的控制尤为重要，它直接影响到实验的公平性与实验证据的可信度。在教学中，要明确实验中要保持不变的条件是什么？要改变的条件是什么？要让学生感受并理解控制实验变量的重要性。首先要梳理影响实验的因素（变量），其次是控制变量，并在实验过程中始终要关注实验变量的有效控制。五上《种子发芽实验》，影响种子发芽的因素可能有水分、温度、空气、阳光、种子本身等等。如果研究的问题是绿豆种子发芽必须要有水吗？那么，相同的条件应是：温度、空气、阳光、相同的种子等。不但要讨论采用适当的方法，保证这些条件相同。还要关注在实验过程中始终保持相同。不同的条件是：水。同样要考虑到如何控制，如给实验组的种子，定时定量浇水，始终保持湿润。而对照组的种子得不到水，始终保持干燥。通过对实验变量的有效控制，以求实验的公平性和科学性。这样，我们所观察到的现象、采集的数据就更加真实、客观、可信。　　

又如：六上《电磁铁的磁力（二）》中的电磁铁磁力与电池数量关系的实验。除了有效控制不变的条件外，还要着重对三节电池的电流强度作有效控制。在每一个实验小组中，尽量保持三节电池的电流强度相同。否则，测得的实验数据就不准确，可信度大大降低。还是六上《抵抗弯曲》一课中的实验，除了有效控制不变的条件外，另外还有一个容易被我们忽视的问题，即纸的性能。由于科学教师往往执教多个平行班，对纸条多次使用，纸的性能受到一定程度的破坏，应视情及时更换。　　

收集证据，是科学实验中极为重要的一个环节。我们要关注影响证据收集的诸多因素，精心设计实验，合理择用材料。仔细观察实验现象，如实记录、准确描述。观测数据，力求真实、客观、精确。教师要切实做好课前预先实验，发现问题，及时调整。以确保学生顺利获取证据，让学生能基于事实证据形成客观的解释，得出科学的结论。从中培养学生收集证据的能力和实事求是、尊重证据的科学态度。　　

参考文献：　　

1、《小学科学课程标准修订草稿》，http://nsse.handsbrain.com/index.php　　

2、《从活动材料中谈教学的有效性》，范彬。http://www.jxjy.com.cn:888/Article_Show.asp?ArticleID=1756　　

3、《科学究竟是什么》，张红霞。　　

4、《谈科学实验与小学科学实验教学》，曾宝骏。　　

5、《实验误差分析和数据处理》，http://oe.hust.edu.cn　　

6、《科学·教师教学用书》，（四上、五上、五下、六下、六下）科学教育出版社。　　

7、《小学自然教学法》，林有禹等主编，人民教育出版社。