如何使学生正确记录数据——大学化学有效数字教学改进

戴　可　　梁　华

（1西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳621010；2西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川绵阳621010）



如何使学生正确记录数据
——大学化学有效数字教学改进

戴可1梁华2，*

（1西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳621010；2西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川绵阳621010）

摘要：科学的数据记录习惯是化学工作者必备的基础素质之一，而大学时期是培养这种习惯的关键阶段。本文从有效数字的重要性出发，针对学生不规范记录数据的现象及原因进行了讨论，提出调动学生的主观能动性使其真正认识到有效数字的重要性是教学改进的入手点，并就此提出相应的改进措施。

关键词：有效数字；数据记录；主观能动性；教学改进

化学是什么？“chemistry”这个单词已经隐含了它的内涵，即化学是一门以实验为基础的学科。而要做实验，必然会面对数据，这些数据的准确性关系到整个实验的精度与准确度，能否正确记录数据就在于能否正确理解“有效数字”的概念及运算规则。有效数字即实际能够测量得到的数字，包括全部可靠数字和一位可疑数字，由测量对象和测量所使用的仪器决定，反映了测量的准确程度。学生对这个概念的接触始于初中阶段，大学是正式学习有效数字知识的最末阶段，但直到大学四年级，学生不规范记录数据的现象仍比比皆是。对于毕业将会正式进入工作和科研岗位并将接触大量数据的大学生来说，这是个不容忽视的问题。实际上有效数字的概念并不局限于化学领域，它是涵盖物理、化学、机械、建筑、金融等专业的计量学知识，因此正确地进行有效数字的记录和运算是每个科学工作者必须具备的基本能力。所谓“失之毫厘，谬以千里”，我们时常感叹德国、美国、日本的技术发达，仪器精密，但是否看到他们对数字的严谨态度呢？在“重科研、轻教学”的国内大环境下，国内科研工作者在投往国际杂志的科研论文中，因为有效数字的保留错误而返修甚至被拒稿的情况并不罕见，这些问题使我们必须对有效数字的基础教育进行反思并做出改进。

目前为止，基于有效数字的概念、运算规则及其修订的情况在大学基础化学类理论和实验教材中均有记载，关于有效数字的教改文献中也有不少报道［1-6］，但到目前为止学生在理论学习和实践中却仍时常出错。究其原因不难发现，目前的改进大多侧重于对有效数字本身的计算和修约方面的改进，而忽视了这个知识的受体——学生的接收和重视情况。有些同仁已经注意到这个问题，但改善不够全面［2］。这就是为什么虽然这个知识本身并不晦涩难懂（多数教材及相关文献已详细记载［1-6］，此处不再详谈），但学生仍“屡教屡犯”。因此问题根源在于学生未意识到有效数字的重要性，如果不引起学生的重视，即便有效数字的概念、规则修订得很完美，那也将是空中楼阁、纸上谈兵。

1　有效数字记录错误的具体体现

掌握有效数字及其计算规则是进行正确记录和计算分析数据的前提条件，因此西南科技大学材料科学与工程学院在大一上学期开设的面向化学及相关专业学生的无机及分析化学课程的第1章中［7］，明确提出有效数字的概念及相关运算规则，其目的是使学生一进入实验室，就能正确记录和运算数据。但实际结果是在大一至大四的学生中，随意记录数据的现象和问题仍普遍存在。考查是发现问题的主要手段，因此笔者随机以本校化学相关专业学生在作业、实验原始记录及实验报告、考试等方面的记录为对象，考查并统计了学生在某题的数据记录中的出错率（出错人数占考查人数的百分比）。统计结果见表1。

表1　有效数字记录出错率统计

不考虑偶然因素，表1中数据反映出这样的趋势：有效数字的错误记录现象在各年级各专业中均存在，并且年级越高、出错率越高——说明年级越高，距离有效数字的学习时间越长，对其重视程度降低，因此印象越浅；考试的出错率均比其他方面低——学生重视考试，因此出错率普遍比其他方面低；实验环节的出错率多数情况下比其他环节高很多——说明学生没有学以致用，没养成科学的数据记录习惯。在实验过程中，正确记录数据中每一个数字都是十分重要的，因为它们不仅表示数量的大小，而且反映测量的精确程度，否则就可能在无形中夸大或缩小误差。例如在面向化学系2012级学生教授的分离技术中有一道作业是考查学生对多次萃取分离方法的掌握程度，题中明确指出萃取率达99%时，需要萃取多少次。学生通过计算得出萃取次数为3.07次，很多学生给出的答案是萃取4次，理由是萃取3次达不到萃取率为99%，只能达到98.9%。应该说学生做题是认真的，考虑问题也很仔细，但是他们忽略了98.9%与99%的精度并不一致。如果在实际工作中采用这种算法和数据保留方法，则可能会造成很多经济损失，因为在已经满足生产要求的情况下，随意扩大精度在工业生产中将有可能造成巨大而不必要的浪费。

2　有效数字记录错误的主要原因

从我国高校发表的与有效数字相关的教育文献来看，这些问题绝不只存在于个别学校。针对这些问题的原因，作者作了如下分析：

（1）教师对有效数字重要性的强调不够。一是源于课时分配有限，二是认识不够。本校无机及分析化学课程中，有效数字的授课内容位于第一章绪论部分，主要包括概念及运算规则，所占篇幅为1.5页（32开）［7］。由于本课教学内容多、课时有限，考虑到有效数字并不是新概念，因此讲授时间不多。认识不够表现在教师本身对此问题重视性不够，讲授其他章节知识时，很少强调数据的正确保留。

（2）不少教材的例题、习题及引用数据中，存在有效数字保留不规范现象，导致学生对有效数字的学习印象模糊。例如某版《无机及分析化学》为21世纪高等院校教材［7］，其中第87页末有道例题是：。这与有效数字的运算中“乘除法的运算以有效数字位数最少的为准”的规则相悖。再如某版高等院校本科化学系列教材之一的《无机及分析化学》中［8］，在669页附录2里列有标准电极电势的数据，而。记录时多写一位或少写一位“0”，从数学角度看关系不大，但记录所反映的精确度无形中被夸大或缩小了10倍。从上述附录引用的数据看，末尾写个0表示编者是留意到有效数字的保留。同系列的数据应该是采用相同的仪器测量，精度理应一致，即小数点后的保留位数应相同，但此处并未对有效数字保留位数的差异作任何说明。这类不规范数字的保留问题在很多教材中或多或少普遍存在［7-10］，不胜枚举。其结果不仅与教材本身记载的有效数字相关知识自相矛盾，还在无形中使学生留下有效数字可以随意保留的印象，严重抹杀学生的学习效果，导致其数据记录的随意性。因此应引起编者和教师的注意。

（3）理论未联系实际，导致两者严重脱节。学生虽然经过了理论学习，在实验时却未学以致用，源于学生对“量”的概念模糊，未真正体会到有效数字的重要性。在目前已知的实验设计中，并没有专门关于有效数字保留的实验设计，学生直观认识不深刻。

（4）学生重视程度不够。考试中虽然也存在有效数字保留不正确的问题，但由上面的统计可知，其比例普遍低于作业、实验环节，原因在于学生更看重考试，复习时更加细心。说明只要重视这个问题，是可以纠正的。

3　教学改进措施

有效数字的正确记录和运算作为数据处理的前提，是学生开展科研工作的基础，因此在教学中必须作为常识使学生真正掌握它。比起其他化学理论知识，这个常识并不难理解，问题的根源在于如何使学生认识到有效数字的重要性。笔者建议在教学中从以下方面做出改进，以引起学生重视。

（1）规范化学课本中有效数字保留不规范的地方。这是首要问题，只有在教材编写和校对工作中重视此问题，才会在潜移默化中不断加深学生的学习印象，如果自相矛盾，则负面影响深远。

（2）在教材中适当增加有效数字的编写篇幅（包括课内练习）。大学生的学习包括听课和自学，授课时教师可以重点突出而不用额外增加课时，篇幅的增加能使学生自学和复习时加深印象，让学生从理论上重视。

（3）设计有效数字保留的不同对实验现象及结果有明显影响的化学实验。实验教学在学生综合素质和科学素养的形成过程中发挥着不可替代的作用，大学化学实验的目的不仅在于加强学生对化学基本概念、基本原理的理解以及掌握基本操作技能，更重要的是要培养学生良好的科研习惯。而正确地记录和处理数据就是良好科研习惯的基本内容之一，是每个科学工作者必须具备的基本能力。这个能力的培养来自于第一次进入实验室便养成正确的数据记录习惯。虽然大学化学实验中经常会进行数据记录，但很少有专门为强调有效数字而设计的实验，学生印象不深刻，导致不规范记录数据的现象在实验中成为普遍问题。因此可设计由于有效数字的差异明显影响实验现象及结果的实验，加深、强化学生的理论学习印象，并且作为实验记录的基础，应该设立于实验初期。例如借鉴滴定实验中的颜色突变现象来设计实验，接近滴定终点时，半滴体积（约0.02 mL）的差异将导致颜色的突变。采取在一定量的酸和指示剂中，加入一定量的碱，碱的量采用不同精度的天平称取，保证除了仪器精度不同，称取的碱量都一样。例如在含酸和指示剂酚酞的溶液中加入2.10 g的碳酸钠便达到变色的突跃点。分别采用绝对精度为1 g、0.1 g和0.01 g的天平称取读数为2 g、2.1 g和2.10 g的碱加至3份等同的含指示剂的酸中，观察现象的差异。此实验不仅能使学生在实验的初期阶段练习称量的基本技能，更重要的是让学生认识到有效数字的引入是来源于测量工具的精度不同，从而真正体会到有效数字对测试结果的影响。

4结语

学生在学习化学知识的过程中，有效数字贯穿化学课程的每个理论章节和实验环节，而由此产生的数据记录错误也遍及每个环节。因此教师在教学改进中不能忽视这个问题，必须引起学生重视。只有调动了学生主观能动性的改进，才能使学生在大学期间养成良好的数据记录习惯，才能在今后的科研工作中对数据变化具有敏锐的观察力，才能由此发现问题并解决问题，真正将科学技术转化为生产力。这，也是我们教育的初衷。

参考文献

［1］梁信源，兰宇卫，周立亚.高等函授学报（自然科学版），2010，23（3），44.

［2］施玲，郭晓稚.科教文汇，2012，No.12，103.

［3］任聚杰，郭子成.实验室科学，2013，16（1），196.

［4］付彩霞，张怀斌.广东化工，2012，39（14），74.

［5］金晶.计量与测试技术，2011，38（12），37.

［6］韩海洪.青海师范大学学报（自然科学版），2010，No.4，36.

［7］钟国清，朱云云.无机及分析化学.北京:科学出版社，2006.

［8］武汉大学《无机及分析化学》编写组.无机及分析化学.第3版.武汉:武汉大学出版社，2008.

［9］慕慧.基础化学.第3版.北京:科学出版社，2013.

［10］李珺，张逢星，李剑利.综合化学实验.北京:科学出版社，2011.

中图分类号：O6；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX201506001

*通讯作者，Email:dandelion1978@163.com

基金资助：西南科技大学博士基金（11zx7143，13zx7104）

How to Train Students to Record the Experimental Results Correctly: Educational Improvements on Significant Figures

DAI Ke1LIANG Hua2，*
（1School of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan Province，P.R.China；2State Key Laboratory Cultivation Base for Nonmetal Composites and Functional Materials，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan Province，P.R.China）

Abstract:It is one of essential capacities for chemists to record data scientifically，and college education is a pivotal period for students to develop the basic habit.In light of the fundamentality of significant figures，problems reflected in students′data recording and the cause are discussed.It is suggested that the key approach to solve these problems is to arouse the subjective initiative of the students to make them pay attention to the importance of significant figures.And suggestions for improvement are also proposed.

Key Words:Significant figure；Data recording；Subjective initiative；Educational improvement