对“探究摆的等时性”教学的思考

编者按：“单摆的等时性研究”作为小学自然（科学）课程的一个教学内容，最早出现在20年前人教版《自然》教材第六册《摆的秘密》一课中，它以选学课形式编入教材，并被列入“实验能力”和“归纳概括能力”的培训系列。该课主要活动是指导学生从两个层次探讨摆的秘密：一是认识同一个摆摆动的快慢是一定的（即摆的周期是一定的）；二是从摆长、摆重入手，研究摆的快慢与什么因素有关。

在新课程中，教科版《科学》五年级下学期《时间的测量》单元中安排了四课时的活动，对“摆”展开了更宽泛的研究，涉及摆的观察、摆的研究、摆的制作及一分钟计时器的制作调试。“摆的研究”这一主题以其对比实验的操作特点被教师们青睐，在历年的各种研讨课、观摩课、赛课等活动中被广泛选用。

随着研究的深入，教学中的一些具体问题尤其是这一主题“与新的教学理念如何更好地接轨”这类更高层面的话题也逐渐暴露出来，例如：如何对待孩子们实验数据中的“误差”问题？如何更科学地对数据进行分析？学生通过实验得到的不支持结论的数据是否是真实的数据？如何对待不支持结论的数据？如何帮助学生理解重复实验的意义？如何选择结构性、科学性更强的材料……

《对“探究摆的等时性”教学的思考》一文，从历史、实践和观念三个维度为我们了解“摆的研究”这一主题提供了许多信息，文章最后提到的六个问题，也需要我们进行更深刻的思考。所有这些问题都将成为这个研究专题展开讨论的话题，对这些问题展开深入研究，将有助于我们对科学本质有一个更清晰的认识。

在这个研究专题的讨论中，每位老师的文章都只是侧重于某一角度发表其个人的看法，未必全面，但可供我们借鉴、思考。只要我们正确看待文中的观点，而不仅仅是为了寻找所谓的唯一正确的某一种说法，我们就会更逼近于对科学本质的认识。

《机械钟摆》一课主要引导学生研究摆的等时性问题，本课经常被老师选作上公开课、研究课，甚至用来参加优质课竞赛。这节课的常规“套路”是：老师一般会先让学生认识什么是摆，接着提供摆线、作摆锤用的重物、铁架台、秒表等材料，让学生制作一个摆，并利用这个摆来探究摆的等时性，主体探究活动的教学目标设计指向性非常明确。可是，我们经常看到的结果是，学生经过多次、分段的实验、记录，所获得的数据比较凌乱，并不能说明摆的摆动具有等时性。也就是说，学生所获得的数据，并不支持结论，没有达成教师预设的探究目标。

导致数据凌乱的原因很多，比如：材料问题（摆线和摆锤的选择是否合适），教室里有风无风的问题，摆线与悬挂的轴如何连接以及之间的摩擦力问题，学生的操作是否合适的问题，学生是否能够熟练使用秒表的问题，学生的合作问题（操作员、观察员、记录员之间的配合是否默契），教师的指导训练是否到位的问题，等等。也就是说，一个看似简单的实验，其实需要控制的因素很多，小学生很难把这些因素控制好，只要有一个因素控制不好，就可能导致实验数据的不准确。

20年前，小学《自然》教材里就有这样的内容，我们就被这些问题困扰，反复研究也没有找到好的解决办法。执教老师曾经把学生带到教室外，从教学楼的5楼吊一根可伸缩的长绳子到楼下，绳子下端系一个水桶，桶内可增减重物以改变摆锤重量，用这种办法实验，效果要好些，但仍不尽人意。

如今，许多老师上这节课时，当出现数据不支持结论时，仍然会按照教学设计的流程，组织学生对数据进行分析，常见的处理方法有：

1.引导学生关注支持结论的数据，忽略不支持结论的数据。

老师往往会说明那些不支持结论的数据不准确，指出学生的实验是有误差的，然后依据支持结论的数据得出摆的摆动具有等时性的结论。

这样处理带来的问题有：

一是老师凭什么说学生的实验是有误差的？学生是按老师的要求，用老师提供的材料很认真地做了实验，很认真地做了记录，实事求是地汇报了数据的，老师只是巡回指导，并没有做实验，却说学生的实验是有误差的。当我们要求学生说话要有根据，要有证据意识时，老师的证据意识在哪里？

二是为什么说有误差？学生在探究前，并不知道摆的摆动具有等时性（如果知道还需要“探究”吗？），而老师是知道的。这里的所谓的“误差”，其实就是真实的数据与老师所期望的不一致，而非真正意义上的科学实验中的误差。

2.有些老师发现第一种处理数据的方法有问题时，会采取让学生计算各组数据的平均数、中位数或众数的方法，以使数据趋于一致，以便得出结论。

这样的处理，实质上是让一组数据“少数服从多数”，是把一种“组织原则”移植到特定实验的数据处理上。在这个实验中，任何一个组的数据，只要有一个数据与其他数据不同，就不能说明摆的摆动具有等时性。教师这样处理，实际上是在做一件“拨乱反正”的事情，目的十分明确，就是要把不支持结论的“乱”数据，通过一种数学方法让数据“统一”起来，使“数据”支持老师心中很清楚、学生不清楚的结论。这种处理方法，表面上看，是在用数学的方法处理数据，貌似科学，实则虚假。

3.有些老师认识到数据不支持结论而要强行得出结论显然不是实事求是的，是违背科学精神的。但课还要继续上，许多老师就转而引导学生分析讨论为什么会出现数据不一致的问题，讨论可能有哪些原因造成了误差。

于是，课堂热闹起来，学生纷纷提出“可能是这样”“可能是那样”，列举出一大堆可能造成误差的原因。最后，老师一般会表扬学生“很聪明”“都像科学家”，然后告诉学生，实验的确是有误差的，并告知“正确的结论”。这样处理，貌似比前面几种方法有所进步，但依然存在很大的问题：

一是和第一种方法一样，老师凭什么说学生的实验是有误差的，而且变相地让学生认可是有误差的？就学生而言，既然老师说有误差，那就是有误差了，老师说的还有错吗？也就是说，学生讨论的逻辑起点是先得认可实验是有误差的，不然怎么会有那么多“可能”呢？如果这个说法成立，那我们就不得不思考：这样的教学是在进行科学教育吗？

二是偏离了既定的探究目标。之所以要设计这个探究活动，其目标是引导学生通过实验认识摆的等时性，可学生的数据不支持结论，老师被逼无奈地改为引导学生去分析误差。

三是分析误差时，学生充其量只是提出一些“可能性”，这些“可能性”没有一个能在课堂上得到证实，是不是真的存在误差，并不确定。表面上看，学生的思维有所发散，但这样做的意义有多大呢？既然要这样做，那何必把这个探究活动定位在“探究摆的等时性”呢？要想让学生认识科学实验的误差问题，完全可以专门设计活动，在专门的时间来引导学生探究，何必这样“犹抱琵琶半遮面”呢？

比上述处理方法更令人担忧的是，在组织学生开展这个探究活动前，许多老师是了解他所提供的材料、学生的操作能力、学生的实验方法、学生的合作能力等许多因素都会对实验产生影响，有一个因素控制不好，都可能导致得出的数据不支持教师想得到的结论，何况有那么多因素需要控制好。也就是说，出现数据不支持结论的情况是预料之中的事情。但老师依然坚持组织学生开展这个探究活动，并为了得出他心中的那个结论，想各种办法来曲解数据，或不好意思曲解数据而煞有介事地引导学生去分析误差。

上述处理方法有一个共同点：为了老师心中的那个结论能“顺利”得出。当我们和老师就上述问题探讨时，他们也感觉到有问题，但许多老师的解释是：教材就是这么编的，我们要尊重教材，我们实在找不到合适的探究材料。而且进一步解释：这样教还是有一定价值的，学生毕竟开展了探究活动，思维也很活跃，探究能力也得到了一定的培养。

分析这些问题，是“就事论事”，并不是说这节课就一无是处。我们看待一节课，应当尽可能避免以偏概全，不能把某个优点或缺点过度放大后，以此来对一节课作出定性评价。但是，在评价一节课时，必须考虑一些核心要素，比如：教学目标的设计是否合适、是否达成？学生的探究式学习是否是真实的、积极的、主动的？学生是否真实地经历了科学概念的转变、建构和应用过程？“探究摆的等时性”教学中，上述老师们常见的处理方法，在这些核心要素方面，似乎都存在比较严重的问题。

对“探究摆的等时性”教学中的问题讨论，显然不能仅限于“术”的问题，我们还应当有更深层次的思考，比如：

在科学课教学中，我们心中有学生吗？我们的教学是要顺应学生的认识特点和认识需要，还是顺应教师“教”的需要？

科学家们如果明知自己的实验方案和实验条件有问题，不能得到真实的数据时，还会强行去做实验吗？

我们对科学课程和科学课教学应该有怎样的辩证认识？

学生亦步亦趋地经历被老师严格控制的实验进程，是在开展真实的科学探究活动吗？

如果科学课教学没有体现出实事求是的科学精神，还是真实的科学课吗？

如何站在儿童的立场，上儿童的科学课，上真实的科学课？