利用数学方法开展科学探究

魏庆文

摘 要：科学探究要培养学生的实证意识，即运用数据来解释相关的问题或现象。数据收集与分析能力是科学探究活动中的核心能力，小学中高年级学生已具备一定的数据分析能力，能够将实验获得的数据通过图形的方式直观地表达出来。在小学科学的课堂教学活动中，教师要引导学生充分利用数据，正确收集数据，作出合理分析与解释。运用这些直观的数形结合的方式能使学生更好地理解复杂的数量关系，从而达到事半功倍的效果。

关键词：科学探究；观察自然；定量；数据变化；科学美；分析与解释

中图分类号：G623.6 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2015）23-0074-03

科学探究要培养学生的实证意识，即运用数据来解释相关的问题或现象。数据收集与分析能力是科学探究活动中的核心能力，能培养学生实事求是、用事实说话的科学态度，也是培养学生科学精神的重要途径。在小学科学教学中，很多探究活动需要学生收集数据，但不少老师不善于引导学生运用数学工具和思维方法分析数据，学生缺乏思维的思辨过程。因此，作为科学课教师，要培养学生科学探究中的数学意识，数学方法运用要循序渐进，在诸多方面进行研究。

一、生活中常见现象用数学方法定量观察

科学学习要从学生周围的生活入手，培养他们观察自然、应用科学知识的能力。小学低年级段学生刚接触科学课，对深奥的科学知识往往一知半解，可以通过从引导他们观察校园里的动植物开始，慢慢培养他们的科学兴趣和科学素养，为以后的科学探究打下良好基础。

对于生命世界，儿童充满了浓厚的兴趣，他们喜欢与动植物交朋友，喜欢大自然中的一草一木，对有趣的动物、奇特的植物充满了好奇。在学习《学校里的动植物》一课时，我要求学生用持续一周的时间在学校生物观察区观察动植物的变化情况，学生分组观察一平方草地的动植物，记录下这片区域的动植物种类以及数量等，学生对这种观察活动特别感兴趣，很多学生都认真地写下了观察日记，记录下所观察到的动植物种类、个数等等。指导他们运用科学的方法更简单明了的记录数据，启发他们用表格的形式进行记录。另外，学生还主动运用课上学到的方法观察生活中常见植物的花瓣个数、橘子、蒜瓣的瓣数等。这些活动极大地调动了学生的积极性，使他们很自然地进行科学活动。

二、定量观察中的数据分析及数形结合应用

小学中高年级学生已具备一定的数据分析能力，学生可以把实验获得的数据通过图形的方式直观地表达出来。例如水温下降的曲线图、水凝固成冰的过程、物体的运动速度等。

在学习《吸热和散热》一课时，学生对物体何时吸热何时散热总是混淆，我让学生仔细观察水在结冰过程中的现象，引导他们画出温度变化曲线图，学生很容易接受了在温度下降时是散热现象，温度上升是吸热过程，学生还分析出：水在零摄氏度的时候开始变为冰，在此过程中水的温度不变。（可以渗透晶体的共同特征：有固定的凝固点）。

学习《运动的快慢》一课，我让同学们试着描述学生上学途中速度变化的情况。同时引导他们计算速度的方法：比较物体运动的快慢，可以计算出相同路程所用的时间，时间短运动快，时间长运动慢；也可以计算出相同时间运动的路程，路程长的运动快，路程短的运动慢。试着画出小车运动速度的曲线图，有些同学是运用的时间-路程之间的关系，而有的同学是利用时间-速度之间的关系。

学生分析上图中斜线部分为匀速直线运动，水平方向为静止不动。

分析上图中斜线部分为加速运动，水平方向为匀速运动。阴影部分面积为所行进路程。

有位同学把父亲从家到学校的路上的加速减速都具体形象地画出来，很有创意。

三、数据变化规律的定量分析

小学高年级要求学生具有一定的归纳整理数据的能力，如在学习《我在成长》一课时，我在墙上贴出测身高的尺子，尝试让学生测量班级内学生的身高，通过书籍、网络等搜集整理青少年学生身高增长规律，学生绘制了下表。

通过上图可以清楚看出青少年时期身高发育的一些特征，比如女生发育时间比男生早，结束也早；男生平均身高比女生高等。

四、学生拓展实验中的数学方法分析

好奇是孩子的天性，很多孩子经常问：一个磁铁摔成两半，会只有一个磁极吗？两个磁铁合起来会不会变得更强，会是原来的倍数关系吗？磁铁不同部位吸大头针的多少一样吗？遇到这些问题，我总是让学生亲自试一试，能自主解决的尽量让他们自己找到答案，老师起到引导的作用即可，绝不干扰学生的自主思考过程，学生通过各种方法进行数据测量并把分析的方案与老师进行交流。

教材中，有很多实验搜集的数据是高度明晰的，此时学生很容易从数据上轻而易举解释现象，并从现象中概括结论。但是我们此时往往容易就此满足，未能引导学生进行数据分析方法的提炼，以后再遇到较为复杂的数据时学生仍然为茫然失措，不知从何入手。比如《电磁铁》一课，学生研究的是电磁铁的磁力与线圈圈数有关的实验，通过教师的指导明白了线圈圈数必须间隔较大才能够使实验数据更具有可比性，因此出来的实验数据学生几乎不需要多大的思维参与就能概括核心概念（如下表）。

从表格中学生非常容易得出线圈圈数多则电磁铁磁力强、线圈圈数少则电磁铁磁力弱的结论。假如我们到此为止则学生对于数据分析的能力几乎不能得到任何的提升。而如果抓住机会紧紧追问：“从表格中你发现了线圈圈数对电磁铁磁力有什么影响？从哪些数据中发现的？你是怎样比较出来的？”然后我们稍作提示：数据分析可以采用横向比较、纵向比较、同一类纵向比、不同类横向比等等，学生自然就会对数据分析具有了一定的策略，每次都做点滴积累，时间久了，学生的数据分析能力将会有较大的提高。

五、欣赏生活中有趣的科学美

在学习校园里的动植物时，让学生认真研究一下花菜，他们会惊奇地发现花菜上的小花排列形成了两组螺旋线，再数数螺旋线的数目，两组数字之比是不是也是黄金分割，例如顺时针5条，逆时针8条。掰下一朵小花下来再仔细观察，它实际上是由更小的小花组成的，而且也排列成了两条螺旋线，其数目之比也是黄金分割。在植物中，像牡丹、月季、荷花、菊花等观赏性花卉含苞欲放时，其花蕾呈直的椭圆形，且长短轴的比例大致接近于黄金分割，在有些植物的茎上，两张相邻的叶片的夹角也是黄金分割排列，这种角度对植物通风和采光效果最佳。在植物中还有更多的黄金比例，等待着我们的发现。

我还引导他们继续观察人体的黄金分割：医学与0.618有着千丝万缕的联系，它可解释人为什么在环境22至24℃时感觉最舒适。因为人的体温为37℃与0.618的乘积为22.8℃，而且这一温度中肌体的新陈代谢、生理节奏和生理功能均处于最佳状态。学生通过上网搜索还知道：最完美的人体：肚脐到脚底的距离/头顶到脚底的距离=0.618最漂亮的脸庞：眉毛到脖子的距离/头顶到脖子的距离=0.618

这些俯首皆是的生活现象融入科学教学之中，大大激发了学生学习和研究的热情，原来科学如此之美，美就在我们自己的眼睛中。

总之，在小学科学的课堂教学活动中，教师要充分运用数据的作用，正确收集数据，作出合理分析与解释。运用一些简单的曲线图、表格等能更容易解释用语言难以解释的科学现象，是学生强化思维、提高能力行之有效的方法。利用不同的数据创设情境、提出探究问题，引导学生探究，形成新的科学认识，提高学生探究水平。运用这些直观的数形结合的方式能使学生更好地理解复杂的数量关系，从而达到事半功倍的效果。