初中物理课堂实验数据处理失当的归因及应对

现实课堂上教师处理实验数据的方式、方法着实令人担忧，究其根源不外乎这几个方面：误差分析意识不强、实验设计挖掘不深、数据处理能力不足、课堂时间掌控不力。这就需要教师更新教育理念，整体把握课标要求，强化误差理论学习，尊重学生获取的每一个数据，善用教学机智变“意外数据”为生成性资源，以“严谨求实”育“严谨求实”，以“核心素养”育“核心素养”。

初中物理；实验探究；实验数据；数据处理；误差分析

崔凤华.初中物理课堂实验数据处理失当的归因及应对[J].教学与管理，2024（28）：56-59.

实验数据是实验探究活动中必不可少的关键证据之一。在《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）一级主题“实验探究”的21个必做实验中，有19个实验需要测量一个或多个物理量，即便是教材里的一些非必做实验也离不开测量工具。哪里有测量，哪里就得有数据。怎样正确选用仪器读取数据？需要测量哪几个、哪几组数据？如何真实、全面地记录和收集数据？如何判断实验数据的可靠性、有效性？若出现“意外数据”（与预期相差较大的数据），该不该作为异常值将其剔除或是进行重新测量？如何利用列表、图像等描述数据？怎样根据数据通过整理、比较和归纳推理获得结论并作出解释？如此等等，都是教师达成课标提出的“培养学生收集数据的能力、分析和处理数据的能力、解释数据的能力”[1]这一目标所必须解决的问题，也是体现教师实验数据处理能力的三个维度。

然而教学实践中发现，现实课堂上教师处理实验数据的方式往往过于草率、过于“功利化”，个别教师只求快速得出结论，“生怕节外生枝，不好收场”。对待数据处理，他们似乎有一种潜在的套路：“利我者用，碍我者弃”，误差再大也在“误差允许范围内”，数据再少也有“大量实验表明”。可想而知，教师对数据处理的失当行为势必引发学生对数据、对实验的敷衍，使得实验失去它应有的育人价值，“培养学生严谨认真、实事求是的科学态度”“发展学生的核心素养”也无法落到实处。

事出必有因，寻因思对策。为此，笔者全面梳理听评课活动中积累的大量课例，对教师处理实验数据的失当行为进行归因分析，以期广大教育同仁共商对策，从而改进实验教学。

一、初中物理课堂实验数据处理失当的原因

1.误差分析意识不强

在“探究并联电路中电压的规律”的实验中，教师提供了两种不同规格的小灯泡，引导学生正确连接电路，并将实验数据填入表格中。在引导小组分享各自的实验数据后，教师从中挑选出少数几组“理想数据”（符合预期，比较中意的数据），分析得出教材上的结论，并重申：“测量总有误差，在误差允许范围内，我们可以认为在并联电路中，各支路两端电压相等，都等于电源两端总电压。”但直到铃响下课，第六实验小组展示出来的测量数据（见表1）也没有被提及，莫非早已被教师当作异常值回避掉了？

事实上，初中物理实验室配备的直流电压表的精度等级一般为2.5级。按照误差分析理论可知，使用“3V”量程时，电压表最大允许误差为3V×2.5%=0.075V。显然表1中有的测量误差已经超出了由测量仪器——电压表所导致的示值误差范围，所以教师不能简单地用“在误差允许范围内”搪塞过去[2]。虽然误差分析过程不需要学生了解，但其结果应当如实展示给学生。无缘无故地撇开表1数据，拿少部分数据“说事儿”，只会使学生对“误差允许范围”感到费解，对实验的科学性、严谨性产生怀疑，从而对课堂实验失去兴趣。如果教师选中的“理想数据”碰巧是某小组伪造或“掺了水分”的数据，那么还可能助长学生的“数据造假风”。

值得一提的是，本实验的特殊性在于：其测量结果受器材、仪表的干扰很大。当不同灯泡接入电路工作时，测量的路端电压、电源电压会有差别，导线本身电阻、开关电阻以及接触电阻[3]带来的误差也不可忽视。很明显，在备课时教师没有对该实验进行误差分析。假如能了解系统误差、随机误差等对该实验的影响，教师一般会提前干预，将系统误差降到最小。

2.实验设计挖掘不深

在探究物体的质量与其所处的空间位置是否有关时，教师首先播放一段视频，展示了他在家乡用电子天平称得某纸杯的质量是4.9g的结果。然后，他把该纸杯再次放到电子天平上，重新测量其质量的大小，当近旁的学生读出5.0g后，教师指出：电子天平的感量是0.2g，在误差允许范围内可以认为纸杯的质量没有变化。随后教师援引一段CCTV新闻台播放的王亚平在太空测量聂海胜质量的实验视频，强调出征前他质量大约是74kg，在太空测得的质量还是74kg，由此引导学生得出结论，最后教师总结道：“大量实验表明，物体的质量不随位置的改变而改变。”

可以看出，该项实验虽是特别增设的，也有它的创新性，但由于实验设计很不充分，实验过程过于简化，推导出的结论过于草率，才使得“新发现”难以让学生所信服。实际上，中国航天员科研训练中心主任邓一兵在当天的新闻发布会上也表示：“在太空授课的过程中，聂海胜用质测仪测量质量的时候，他当时穿着舱内的工作服、内衣、舱内工作袜，还有舱内用鞋，这些重量统计起来大约是1.89公斤[4]。”也就是说，刚刚有5.0g被认定为与4.9g相等，现在又来了个“74kg与72kg+1.89kg约等”，学生难免会心生疑惑：这两个差值“0.1g”“0.11kg”到底是允许范围内的测量误差呢，还是研究对象因其位置发生改变而引起的质量改变呢？

毋庸置疑，该实验有三大硬伤：一是电子天平精密度选择的问题。两地距离约400km、纬度有2°左右的位置改变，对可能引起的纸杯的质量变化，用电子天平能否测得出来？需要选用怎样的电子天平精密度等级，使得测量5g左右的纸杯时允许的最大误差为0.1g？要知道，19 世纪末英国物理学家瑞利通过两种不同方式制取氮气的密度分别是1.2505kg/m3[5] 、1.2572 kg/m3，正是他执著于两个实验数据的细微差别不放，才最终发现了氩元素，因而荣获 1904 年诺贝尔物理学奖。二是电子天平的正确使用问题。电子天平是集压力传感器技术、微计算机技术、数字显示技术为一体的电子衡器。它实际上是测量物体重力G，再通过m=G/g换算出物体的质量m[6]，所以在不同的地方测量同一个纸杯的质量，如果使用前没有对天平进行异地差值标定，或用标准砝码校验，其测量值就会有偏差，从而产生错误的数据。另外，在使用前电子天平还应摆放在水平稳固的台面上，需要轻拿轻放，将纸杯放在中心点或中心点附近位置进行重复测量以减小压力感应点带来的影响。教师为节省时间，只是象征性地测得一个质量值，必然存在很大的偶然性。三是多次测量收集数据的问题。既然已经向学生抛出“探究物体的质量与其所处的空间位置是否有关”，那就应该本着严谨认真、实事求是的科学态度，选取多个研究对象，多次改变“位置”（尽管位置改变受限很大），分别测量物体的质量，然后推得结论。教师对比了家乡和授课地仅有的一组数据，得到“5.0≈4.9”；对比了聂海胜在地面和太空的质量，得到“74≈72+1.89”。仅凭这两组数据，就以归纳推理的方式得出结论，确实有点儿“以偏概全”的味道，即使推而广之被冠以“大量实验表明”也避免不了“强拉硬拽”之嫌。若是利用反证思维发动学生讨论“假如物体的质量可随位置的改变而改变，会发生什么”，或许是一种有益的尝试。

3.数据处理能力不足

在“探究电流与电压的关系”时，面对黑板上展示出来的两个小组的实验数据（见表2、表3），教师先浏览了表2数据，停顿片刻后说道：“实验时最好按照大小顺次、成倍地改变电压值，这几组数据不好分析，咱看下一个小组的数据……”然后教师重点分析表3的第1、2组的正比关系，最后指出：“第3组数据也表明电压越大、电流就越大，在误差允许范围内，我们可以得出，电阻一定时，通过导体的电流跟它两端的电压成正比”。

乍一听，也许大家觉得这个案例很离谱，但它确实发生在现实课堂中。显然这样简单粗暴地处理学生真实记录的数据是不恰当的，其一，表2数据已然成倍数关系，只是5∶3∶4不太符合教师以为的1∶2∶3的倍数关系，但这绝对不影响实验数据的可靠性。课后，问及学生为什么没有按照教师要求选择用1V、2V、3V的次序进行实验，小组长回答说，他们测量发现电源电压最大也不到2.8V。由此看来学生的实验探究是认真的，只不过是记录数据的次序有点瑕疵而已，这些真实数据被无情地否定势必会打击学生实验探究的积极性。其二，没有理由相信，表3的第3组数据是在“误差允许范围内”。我们知道电流表的分度值为0.02A，用人眼估读误差可以放大到分度值的一半[7]，也就是0.01A，而0.22A与0.3A的“理论值”相差0.08A，相对误差达到26.7%，就算是考虑到系统误差影响，该值基本属于异常值。教师应引导小组分析原因，或重新进行测量，或建议学生直接将其剔除。

通常情况下，在初中物理阶段，对实验应达到的准确度要求比较低，即对“误差允许范围”要求比较宽，加上实验室设备条件、仪器精密度等级不够等限制，一般实验的相对百分误差不大于5%，最多不超过10%[8]。从课堂表现看，教师不仅对误差理论一知半解，而且对实验数据的敏感度偏弱，最关键的是缺乏教学机智和处理数据的能力。

4.课堂时间掌控不力

在“探究凸透镜成像的规律”时，教师给定凸透镜的焦距为10cm，然后引导学生将凸透镜固定到光具座40cm处，让F光源从远处逐渐向凸透镜靠近，要求每个小组找到两个倒立、缩小的像和两个倒立、放大的像并记录数据。

教师本想利用电脑将各小组随机填报的数据排序后，再与学生一起分析规律，但由于软件故障原因，电脑排序不成，她情急之下，还没等学生梳理完数据就草草呈现出了像距、物距的关系和成像条件，随后就是“一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小；物近像远像变大，物远像近像变小……”

据统计，本节课共录得38组实验数据，像距测量值跟理论值（根据成像公式计算出的对应值）相差小于1cm的只占到34%，这表明大部分同学并没有学会找到清晰像的方法，或是没有按要求认真动手操作，实属遗憾。

课后与教师谈心了解到，之所以急急忙忙总结成像规律，主要是担心完不成预设的课堂教学任务。由于个别数据的“相互打架”，无法引导学生“由远及近”地找出数据的特点和规律，所以教师才不得不挑选“理想数据”依次归纳出三个“有用”的结论。正是由于对课堂时间的担忧，教师限制了学生操作程序和对凸透镜的选择，简化了指导学生找“清晰像”的操作要领和步骤，略去了验证实验数据可靠性、合理性的环节，被迫忽略了一些有价值的“意外数据”，从而失去了课堂生成的绝佳机会。假如教师能因势利导，抓住这几组“意外数据”激励学生畅所欲言的话，可以想象，这该会是多么生动、民主、高效的课堂。

二、初中物理课堂实验数据处理失当的应对策略

长期以来，“功利化”地处理实验数据确实有它存在的现实基础。如上所述，从业务、技术的层面考虑，教师对数据处理的失当行为有能力上、心理上、时限上的原因，但某教师在座谈中却也道出了他的内心思想：“与其在学生数据上费工夫，还不如省点时间及早得出结论，顺便再剖析一下实验细节或考点什么的。这么做更直接、更有利于提高教学成绩。”鉴于此，我们不仅要从上述四个案例的介绍及分析中细细回味其中蕴含的一些应对策略，还要切切实实从思想入手，改革评价方式，强化专项培训，营造实验教学文化氛围，以引导教师转变教学行为，进一步改善我们的实验教学。

1.思想先导，更新教育理念

思想是行动的先导。思想认识到位了，行动才会有动力和方向。这就需要各级教研部门会同学校定期开展思想教育和通识培训，并做好专项跟踪和督导工作。同时，评价是教育专业化最后的堡垒。物理学习评价应全面落实新时代教育评价改革要求，着力推进评价观念、评价方式和评价方法的改革，始终坚持素养立意命制中考试题，让“讲实验”“背实验”不再有任何机会，借以促进学生学习和教师教学的改进。

2.整体把握，领会课标要求

“数据”一词在课标中共出现25次，绝大部分集中在一级主题“实验探究”的教学目标和学业要求上。从中可梳理出数据处理的大致流程是：读取—记录—收集，整理—判断有效性（分析个别问题数据原因）—描述—比较—分析，归纳推理—形成结论—解释。只有明白了这些，教师才会有的放矢，分阶段、分层次、有针对性地按照计划培养学生收集数据的能力、分析和处理数据的能力、解释数据的能力。针对“探究杠杆的平衡条件”实验，课标指出：应引导学生思考为什么要通过表格记录杠杆平衡时不同的动力、动力臂与阻力、阻力臂数值，通过分析数据寻找定量关系——动力与阻力不同时，动力臂与阻力臂也不同，但动力与动力臂的乘积等于阻力与阻力臂的乘积；组织学生根据数据归纳出杠杆的平衡条件，讨论分析个别数据存在问题的原因，分享更多数据，找到普遍规律。这在提示我们，不同阶段、不同实验对学生能力的培养是各有侧重的。

3.学会分析，掌握误差理论

实验教学要关注实验原理的科学性、方案的可行性、实验器材的合理性、操作的安全性和规范性。尽管课标没有提及误差，但是任何物理量的测量必定存在误差。掌握一定的误差理论能帮助教师优化实验设计，在器材选择、测量方法、数据处理上做到心中有数；懂得“在允许误差范围内”和“大量实验表明”的确切内涵能强化教师尽量减小实验误差的意识，在引导学生归纳、总结时更加严谨认真；会分析系统误差、随机误差、粗大误差及测量的不确定度能提高教师处理数据的能力，在预估数据的可靠性、判断数据有无异常值时得心应手。

4.注重生成，善用数据说话

重预设轻生成的物理课堂注定是低效的，学生在实验探究活动中获取的“意外数据”恰恰就是促进课堂生成的有利资源之一。这就需要教师精心预设实验方案，在亲手做一遍的基础上预判学生探究过程中的各种可能或意外。课堂上应指导学生真实、全面记录实验数据，关注与预设结果相矛盾的信息。开放、灵动、有生成的实验探究活动对培养学生的物理观念、科学思维、科学态度与责任具有重要意义。所以，尊重学生获取的每一个实验数据，在数据处理、高效互动中使学生感受到实验作为“揭开物理奥秘的神秘面纱”的魅力所在，是教师的必然选择。

总之，实验探究是课标的五大“一级主题”之一，实验数据是实验探究的第一手证据，而基于证据的科学推理和论证应该是探究过程中最核心的部分，它对培养学生核心素养具有独特价值。因此，教师应身体力行，在收集数据、分析和处理数据、解释数据的过程中马虎不得。面对动态变化的课堂，教师要善用教学机智，变“意外数据”为生成性资源，将探究“认真”到底，并在把控好课堂节奏的基础上，将课堂效率和效益最大化。如今，数字时代悄然而至，应课标要求，电子天平等数字化仪器已经进入课堂，一些数字化实验设备已经大量用于物理实验，这意味着教师在数据处理等方面会面临新的机遇和挑战。作为教师，我们责无旁贷，务必以“严谨求实”育“严谨求实”，以“核心素养”育“核心素养”。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：28.

[2] 周佳.一定是在“误差允许的范围之内”吗——由一节公开课引发的思考[J].物理教学，2012，34（09）：28-29.

[3]郜世雄.在探究电压规律实验中减小误差的方法[J].中学物理，2015，33（06）：47.

[4] 邓一兵：太空授课时所测的聂海胜质量和他实际体重基本相符[EB/OL].（2013-06-26）[2023-12-11].http：//politics.people.com.cn/n/2013/0626/c70731-21978574.html.

[5] 薛和平.“物质的密度”一节课的教学设计及讨论[J].物理教师，2001，22（11）：19-21.

[6] 陈维国，何泽连.电子秤不能测量物体的质量[J].中学物理，2000，18（07）：17.

[7] 方欢.用误差理论指导初中物理实验教学[J].数理化解题研究（初中版），2013（11）：53.

[8] 张广.对“实验误差允许范围”的理解[J].物理教师，1998，19（11）：27.

【责任编辑 孙晓雯】