警惕教学中的“伪探究”现象

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  不久前,笔者参加了一场名师培养对象观摩课活动。在“匀速直线运动”教学中,执教者整体构思精巧,师生双边互动踊跃。然而对“数据处理”这一环节的处理却欠妥。现谈谈我的一孔之见。
  初中物理教学中的“数据处理”是在观察现象的基础上进行定量研究、发现规律的重要环节。它不仅能体现知识生成过程,有时还孕育着新发现。这就是新课程所倡导的探究式学习。然而许多教师常常不愿沉下心来,引导学生做“去伪存真”的仔细探究,而当发现实验数据与预设有差异时,往往笼统地、轻易地归结为“由于误差”等原因,久而久之,会导致学生逐步养成不良的数据处理习惯,也会损害学生科学素养的养成。这就是新课程学习中的“伪探究”现象。
  一、“伪探究”归因
  归根究底,造成“伪探究”这一现象主要有两个深层原因:
  1.主观预设的思维惯性忽略了对数据的科学处理
  本课的教学重点是研究气泡的运动规律。执教老师的思路是先让学生观察气泡的运动,由于课前老师是精心准备的,气泡的运动给学生的最初直观印象是近似“快慢如一”,然而仅凭感觉是不可靠的,要准确研究它的运动,必须进行测量。然后便进入到学生分组对管中气泡动手测量探究的环节。老师对学生测量的结果是有心理预设的:“气泡相同路程运动时间是近似相等的”,从而理所当然地推出:若不计实验误差,气泡的运动应该是匀速直线运动,于是教程过渡到研究匀速直线运动的特点。以上老师对学生测量结果的心理预设,由此而带来的思维惯性,往往会导致师生对实验数据处理的失当。
  当时课堂的实况是学生测出来的数据五花八门,出入较大,这本属于正常现象,但是老师却以“由于误差”为由避谈了很多问题,回避了许多数据处理的分析过程。不仅如此,课堂实况中,该老师从众多的数据中,挑出一组她认为比较满意的数据进行了讲解,数据如下表:
  在分析数据时,老师启发:后面3个数据差异不大,为什么0~10cm通过的时间是8.9s,与后面3组数据差别那么大呢?
  该组同学答:可能是0刻度线太靠近底端了,气泡仍在启动加速期。老师对这一说法给予了充分肯定。我以为,这可能是执教老师一个精彩的预设,至少在选择这组数据时有自己即兴的预期。其实细一思量:如若是气泡仍在启动加速初期,那么0~10cm这段通过的时间应该要稍长一些才对啊,但这里的时间明显是最短的。这是一个极其简单的教学失误,暴露了老师的心理预设带来的思维惯性而忽略了对数据的科学分析。老师教学时往往极想往自己的预设答案上靠拢。其实,这位同学操作时是等气泡过了0刻度线才启动了计时秒表,是动作迟缓造成的。这一数据是人为操作不当造成的。
  2.探究流于形式,掩盖了诸多因素的探究
  的确,简单化的数据处理的好处很多,能节省很多时间,以便顺利地朝自己预设的教学目标推进。但是本堂课学生实验探究的数据参差不齐。掩盖掉了哪些内容的探究呢?我大致归纳为这么几种:
  (1)由于涉及到距离的测量、时间的测量两个物理量,在距离测量时,学生用的是记号笔,在刻画时笔迹太粗,有的同学还会把刚涂上去的记号失手涂抹掉,不太清晰。在进行时间测量时,由于采用双排10道电子记忆秒表,记录气泡运动到各点的时间,有的同学对左、中、右三个键的功能使用不太熟练,气泡到了记号点时,手忙脚乱。
  (2)由于“0”刻度的选取太靠近底端。
  (3)气泡有一定的大小,以哪个点为参照点开始计时也是个问题。
  (4)每隔10cm测一次时间,间隔太短,学生来不及反应。
  (5)操作时,有的学生拿玻璃管的手在晃动。
  (6)学生实验动手的能力也差异颇大,人为因素也较多。
  以上仅属于测量问题,还有一个更严肃的追问:实验中气泡进行的是匀速直线运动吗?笔者观察到执教老师玻璃管中用的是机油和汽油的混合液,似乎也不太均匀;气泡运动时,时而还与管壁摩擦;随着深度的变化,气泡的形状与体积也有些微的变化,这会导致浮力的大小发生改变。所以,撇开测量这一环节不谈,气泡本身就不是严格意义上的匀速直线运动,因此,学生测量的数据出入较大也就在所难免。而老师却一概说成是“由于误差”所致,这掩盖了诸多问题的发现与研究,妨害的是学生动手实验能力的培养。
  二、去“伪”的路径
  既然气泡的运动规律是那么不确定,导致测量差异的成因又很多,那么,本节课的教学目标怎么实现呢?
  1.认识误差的性质和成因
  误差一般分为三类:系统误差、偶然误差、过失误差。系统误差指在测量和实验中,未发现或未确定的因素引起的误差。这些因素影响的结果永远朝一个方向偏移,当实验条件一经确定,系统误差就获得一个宏观上的恒定值。比如,弹簧测力计若未校零,指针在零刻度线之下,则测量结果会一直偏大。本节中气泡的体积会随深度的减小而增大,导致浮力变大,这个因素会使气泡的运动变快。偶然因素又叫随机误差,是指在对已消除系统误差的一切量值的观测中,所测数据仍会时大时小,没有确定的规律,且无法控制和补偿。但是,倘若对某一量值做足够多次的等精度测量后,就会发现,偶然误差完全服从于统计规律,误差的大小或正负的出现完全由概率决定。因此,随着测量次数的增加,随机误差的算术平均值趋近于零。所以多次测量的平均值更接近于真值。过失误差指由于粗心大意、过度疲劳或操作不正确等引起的误差。由于心智水平发展不均衡,培养学生的实验能力,显得尤为重要。
  在本节教学中,老师首先要精心准备,力求让气泡的运动接近匀速直线运动。气泡的体积随深度减小而增大,会导致浮力变大,但是,受到的阻力也同时变大。系统误差可以通过反复试验,相互抵偿。比如,浮力大小,粘滞阻力,均与液体的密度有关,可以用汽油和机油的混合,改变混合比例,达成所需。气泡运动时,玻璃管的晃动会影响运动路线,可以把玻璃板竖直安装在铁架台上,既避免了人为的晃动,又因为竖直,能避免气泡与试管壁的碰撞产生摩擦。另外,秒表的使用,一定要熟练;开始计时的零刻度线也可在老师实验的基础上提出大致参考值。
  2.培养学生的科学品质
  在实验中,研究气泡的运动可以多次研究,反复优化,找出能逼近气泡真实运动的规律,这才是真实的探究过程,从中才能培养严谨的探究态度。有了这样的科学素养,一生才能有所创造,有所创新。这也是我们教学的重点所在。培养学生严谨的科学态度,形成良好的科研习惯,远比多教几个知识点要受用得多。
  事实上,许多科学发现就是源于能敏锐地发现数据的微小差异。19世纪末。英国物理学家瑞利发现:由氨制得的氮气密度是1.2505kg/m3,由空气制得的氮气密度是1.2572kg/m3,前者比后者略小。拉姆赛在听了瑞利的报告后提出:“空气中可能还含有未知的、密度更大的成分。”瑞利和拉姆赛一起反复实验,终于从空气中制得的氮气里分离出另一种当时还不为人知的气体——氩。可见,科学的数据处理态度是获得新发现的重要前提之一。如遇有差异就回避问题,常会丢失科学发现的良机。如若学生因此还学会了凑数据应付,甚至倒过来修改实验数据,我们的教学则“罪莫大焉”,与素质教育的宗旨完全相悖。
  (顾明华,南通市启秀中学,226000)
  责任编辑:赵赟
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