王繼偉

在實(shí)驗(yàn)和觀察中，由于測(cè)量者、儀器、實(shí)驗(yàn)條件、環(huán)境等因素的限制，對(duì)任何一個(gè)量進(jìn)行測(cè)量都不可能無(wú)限精確，測(cè)量值與客觀存在的真實(shí)值之間總會(huì)存在著一定的差異，這種差異就是誤差。在科學(xué)課的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差。正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)誤差并在教學(xué)中科學(xué)應(yīng)對(duì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度具有十分重要的意義。

一、 實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生原因

從實(shí)驗(yàn)誤差的來(lái)源看，小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的誤差大多為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

1.系統(tǒng)誤差

在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)測(cè)量誤差的大小和符號(hào)都不變，而在改變測(cè)量條件時(shí)它又按照某一確定規(guī)律而變化的測(cè)量誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差和偶然誤差不同，它不具有抵償性，即在相同條件下重復(fù)多次測(cè)量，系統(tǒng)誤差無(wú)法相互抵消。在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素一般有：

（1） 儀器構(gòu)造不完善。例如小學(xué)科學(xué)課中常常出現(xiàn)因溫度計(jì)刻度不夠準(zhǔn)確導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的水溫與實(shí)際水溫有誤差。又如使用彈簧秤測(cè)力，因彈簧具有彈性滯后的特性，且易受溫度等外界條件變化的影響，故其準(zhǔn)確度、靈敏度較低，此外其稱(chēng)重結(jié)果還因重力加速度的不同而有所差異。

（2） 測(cè)量方法本身的影響。例如研究空氣成分的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中蠟燭燃燒消耗的氧氣不足21%，同時(shí)燃燒又生成了一些二氧化碳，所以依據(jù)該實(shí)驗(yàn)并不能正確地得出氧氣在空氣中所占的比例。再如研究電磁鐵磁力大小與線圈匝數(shù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，實(shí)驗(yàn)中所用電池經(jīng)常會(huì)重復(fù)使用，這就導(dǎo)致該對(duì)比實(shí)驗(yàn)會(huì)因電池的供電量難以保持不變而產(chǎn)生誤差。

（3） 測(cè)量者個(gè)人操作習(xí)慣的影響。例如測(cè)氣溫一課的實(shí)驗(yàn)，由于小學(xué)生習(xí)慣盯著氣溫表觀察溫度變化而導(dǎo)致測(cè)得的氣溫常常高于實(shí)際氣溫。

此外，實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑純度不夠和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。

2.偶然誤差

在實(shí)驗(yàn)時(shí)即使采用了最完善的儀器、選擇了最恰當(dāng)?shù)姆椒?、?jīng)過(guò)了十分精細(xì)的觀測(cè)，但依然難以避免誤差的產(chǎn)生。例如測(cè)量小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，有些學(xué)校應(yīng)用了傳感器技術(shù)以提高測(cè)量的精確性，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)在末尾的一或兩位上仍會(huì)有差別，即存在著一定的誤差，這是由于小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服的摩擦力的大小會(huì)有變化等偶然因素所造成的。

所以說(shuō)，偶然誤差的存在是不可避免的，它是由于相互制約、相互作用的一些偶然因素所造成的，它有時(shí)大、有時(shí)小、有時(shí)正、有時(shí)負(fù)，方向不一定，大小和符號(hào)一般服從正態(tài)分布規(guī)律。偶然誤差可采取多次測(cè)量、取平均值的辦法來(lái)消除，而且測(cè)量次數(shù)越多（在沒(méi)有系統(tǒng)誤差存在的情況下），平均值就越接近于真值。

二、 實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)應(yīng)對(duì)

1.實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)現(xiàn)狀

在現(xiàn)實(shí)的科學(xué)課堂中，對(duì)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中存在的或可能出現(xiàn)的誤差，教師大多采用以下兩種方法加以應(yīng)對(duì)。

（1）想辦法規(guī)避實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)教學(xué)的干擾。教師會(huì)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作前給予細(xì)致的指導(dǎo)，除了精心引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，還會(huì)組織討論如何控制實(shí)驗(yàn)的條件，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前再以“溫馨提示”把學(xué)生實(shí)驗(yàn)中可能出錯(cuò)的路徑一條條地堵死，從而確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能接近真值。這種做法保證了實(shí)驗(yàn)的成功，但同時(shí)又生成了新的問(wèn)題，即由于教師指導(dǎo)太多太細(xì)，把學(xué)生思維牢牢地束縛在教師的預(yù)設(shè)當(dāng)中，使得學(xué)生的自主探究難以落到實(shí)處。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差不予理會(huì)。當(dāng)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)答案有差異時(shí)，或有數(shù)據(jù)與大多數(shù)數(shù)據(jù)不一致時(shí)，教師就直接告訴學(xué)生“你這個(gè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確”而直接刪除，然后直接帶著學(xué)生奔著“歸納結(jié)論”去了，至于為什么不準(zhǔn)確往往不予理會(huì)。這種做法帶來(lái)的問(wèn)題顯而易見(jiàn)：一是忽視了誤差的客觀存在，讓學(xué)生以為實(shí)驗(yàn)得出的都應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)答案，否則就是錯(cuò)的；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不加反思，不利于發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰团囵B(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)作風(fēng)。在教學(xué)中，教師應(yīng)盡量避免采用這種方法去應(yīng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差。

分析上述兩種方法，都是把實(shí)驗(yàn)誤差作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不利因素來(lái)看待，為了實(shí)驗(yàn)成功，所以想方設(shè)法地回避。其實(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)是有區(qū)別的：科學(xué)實(shí)驗(yàn)必須盡可能回避誤差，確保實(shí)驗(yàn)成功；實(shí)驗(yàn)教學(xué)則不同，其實(shí)驗(yàn)可以成功，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得知識(shí)，也可以失敗，讓學(xué)生在失敗的實(shí)驗(yàn)中獲得教育。所以，教師在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)不妨膽大些，盡可能多地放手讓學(xué)生親歷自主探究，雖然這樣的教學(xué)過(guò)程略顯粗糙，實(shí)驗(yàn)誤差更為明顯。但是，其好處也是不言而喻的，不單單是這種自主探究對(duì)培養(yǎng)學(xué)生探究能力有作用，更重要的是因?yàn)橹挥兄匾曊`差，我們才有可能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)變量的意識(shí)，使他們想辦法盡可能減小誤差。懂得這點(diǎn)對(duì)于學(xué)生更好地理解什么是科學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而理解科學(xué)的本質(zhì)是大有裨益的。

2.實(shí)驗(yàn)誤差的教學(xué)建議

實(shí)驗(yàn)誤差出現(xiàn)時(shí)，在教學(xué)中如何應(yīng)對(duì)才能做到有的放矢，化不利為有利呢？

（1）放手——讓學(xué)生自主選擇分析數(shù)據(jù)的方法。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出后，我們的教師習(xí)慣指導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算平均數(shù)的方法分析數(shù)據(jù)。應(yīng)該說(shuō)，當(dāng)所測(cè)得的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都比較接近客觀存在的真值時(shí)，用計(jì)算平均數(shù)的方法分析數(shù)據(jù)是合理的。然而不能忽視的是，在科學(xué)課堂中，由于實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)水平、實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境等因素的限制，所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往會(huì)與客觀存在的真值存在一定距離。還會(huì)出現(xiàn)一種情況，學(xué)生所獲得的一組數(shù)據(jù)中大多都比較接近客觀存在的真值，但其中卻有個(gè)別數(shù)據(jù)由于測(cè)量者未關(guān)注的某個(gè)原因而與客觀存在的真實(shí)值相距較大，這時(shí)，再用計(jì)算平均數(shù)的方法來(lái)分析數(shù)據(jù)就不見(jiàn)得科學(xué)了。因此，我們要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)多種分析數(shù)據(jù)的方法，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出后，放手讓學(xué)生自主選擇分析數(shù)據(jù)的方法。

案例：一位教師執(zhí)教的《測(cè)試載重車(chē)的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)片斷。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，在車(chē)上先后放2個(gè)、1個(gè)和不放木塊，測(cè)試小車(chē)在相同拉力的作用下跑完相同距離所需的時(shí)間，并用涂色的方法在記錄紙上記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師展示一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄。（如圖1）

師：科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要重復(fù)多次，會(huì)有多個(gè)結(jié)果，例如第1次用2個(gè)木塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這時(shí)要找一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)代表這一組數(shù)。

生：選4秒。

師：為什么選4秒？

生：因?yàn)樗谥虚g。

師：第2次用1個(gè)木塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該怎么辦？

生：選3秒。

師：為什么？

生：因?yàn)?秒的次數(shù)多于2秒。

師：其他組也可以像他們這樣做。

（2）反思——讓學(xué)生尋找實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差時(shí)，不能急著直奔結(jié)論而去，而應(yīng)教會(huì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行反思，及時(shí)尋找實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因，這是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度的重要途徑。

例如《折形狀》一課，學(xué)生用同樣的紙做成不同形狀的紙筒，粘好后豎直放，用書(shū)本做重物，比較它們的承受力，得到如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

面對(duì)這一數(shù)據(jù)，許多教師只是讓學(xué)生簡(jiǎn)單得出結(jié)論了事。其實(shí)，如果引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問(wèn)題：用同樣的紙做成同樣形狀的紙筒，為什么不同小組的承受力會(huì)不一樣呢？這樣的反思，能夠讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的重要性。

（3） 感悟——讓學(xué)生在失敗的實(shí)驗(yàn)中獲得啟示。一味追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)，以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論為唯一目的，當(dāng)然會(huì)使學(xué)生畏實(shí)驗(yàn)失敗如“虎”而避之不及。但換個(gè)角度來(lái)看問(wèn)題，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)失敗的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有那么糟糕：對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的順利得出，它可能是一個(gè)攔路虎；但對(duì)于學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)，它卻未嘗不能是一種教學(xué)資源，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗原因的追問(wèn)和反思，學(xué)生就能在這種真實(shí)的經(jīng)歷中獲得更多對(duì)科學(xué)本質(zhì)的感悟。

例如，我們?cè)趲啄昵伴_(kāi)發(fā)的一個(gè)做中學(xué)案例《測(cè)量呼吸和心跳》。

最初的設(shè)想是：教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生猜想心跳與脈搏之間的聯(lián)系，然后，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)自己的猜想。然而現(xiàn)實(shí)卻是：因?yàn)榉N種原因，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)達(dá)不到驗(yàn)證猜想的要求。

按照傳統(tǒng)課堂評(píng)價(jià)理念，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)毫無(wú)疑問(wèn)是失敗的。但如果把評(píng)價(jià)的視野從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果擴(kuò)展到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的參與狀態(tài)、交往狀態(tài)和情感狀態(tài)等領(lǐng)域，做到知、情、意、行綜合評(píng)價(jià)，這一實(shí)驗(yàn)誤差就可以作為有效教學(xué)資源來(lái)開(kāi)發(fā)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣幾個(gè)問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生感悟，讓學(xué)生在失敗的實(shí)驗(yàn)中獲得一些啟示：

第一，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能證明我們的假設(shè)嗎？怎么辦？這是讓學(xué)生自主選擇——是堅(jiān)持自己的假設(shè)還是放棄自己的假設(shè)。

第二，那么心跳和脈搏之間到底有沒(méi)有聯(lián)系呢？教師結(jié)合多媒體動(dòng)畫(huà)講解二者的關(guān)系，這是讓學(xué)生知道自己的假設(shè)是正確的。

第三，實(shí)驗(yàn)為什么會(huì)失敗呢？這是引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)失敗的原因——是實(shí)驗(yàn)態(tài)度不夠嚴(yán)謹(jǐn)？是實(shí)驗(yàn)技術(shù)過(guò)于原始？還是其他原因。

第四，在這次失敗的實(shí)驗(yàn)中能獲得哪些啟示？這是讓學(xué)生在感悟中成長(zhǎng)——通過(guò)感悟，學(xué)生懂得了實(shí)驗(yàn)態(tài)度決定實(shí)驗(yàn)的精度，當(dāng)實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)，不能輕言放棄，知道了技術(shù)水平?jīng)Q定實(shí)驗(yàn)的精度與效率……

上述案例中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，作為一次探究實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)是失敗的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能支持學(xué)生得出正確的結(jié)論，但作為一次探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程，卻無(wú)疑是成功的，因?yàn)閷W(xué)生在這一次失敗的實(shí)驗(yàn)中得到了很多啟示，而這種收獲比單純的得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有價(jià)值。

【責(zé)任編輯：陳國(guó)慶】