對“探究擺的等時性”教學的思考

編者按：“單擺的等時性研究”作為小學自然（科學）課程的一個教學內容，最早出現在20年前人教版《自然》教材第六冊《擺的秘密》一課中，它以選學課形式編入教材，并被列入“實驗能力”和“歸納概括能力”的培訓系列。該課主要活動是指導學生從兩個層次探討擺的秘密：一是認識同一個擺擺動的快慢是一定的（即擺的周期是一定的）；二是從擺長、擺重入手，研究擺的快慢與什么因素有關。

在新課程中，教科版《科學》五年級下學期《時間的測量》單元中安排了四課時的活動，對“擺”展開了更寬泛的研究，涉及擺的觀察、擺的研究、擺的制作及一分鐘計時器的制作調試?！皵[的研究”這一主題以其對比實驗的操作特點被教師們青睞，在歷年的各種研討課、觀摩課、賽課等活動中被廣泛選用。

隨著研究的深入，教學中的一些具體問題尤其是這一主題“與新的教學理念如何更好地接軌”這類更高層面的話題也逐漸暴露出來，例如：如何對待孩子們實驗數據中的“誤差”問題？如何更科學地對數據進行分析？學生通過實驗得到的不支持結論的數據是否是真實的數據？如何對待不支持結論的數據？如何幫助學生理解重復實驗的意義？如何選擇結構性、科學性更強的材料……

《對“探究擺的等時性”教學的思考》一文，從歷史、實踐和觀念三個維度為我們了解“擺的研究”這一主題提供了許多信息，文章最后提到的六個問題，也需要我們進行更深刻的思考。所有這些問題都將成為這個研究專題展開討論的話題，對這些問題展開深入研究，將有助于我們對科學本質有一個更清晰的認識。

在這個研究專題的討論中，每位老師的文章都只是側重于某一角度發表其個人的看法，未必全面，但可供我們借鑒、思考。只要我們正確看待文中的觀點，而不僅僅是為了尋找所謂的唯一正確的某一種說法，我們就會更逼近于對科學本質的認識。

《機械鐘擺》一課主要引導學生研究擺的等時性問題，本課經常被老師選作上公開課、研究課，甚至用來參加優質課競賽。這節課的常規“套路”是：老師一般會先讓學生認識什么是擺，接著提供擺線、作擺錘用的重物、鐵架臺、秒表等材料，讓學生制作一個擺，并利用這個擺來探究擺的等時性，主體探究活動的教學目標設計指向性非常明確?？墒?，我們經常看到的結果是，學生經過多次、分段的實驗、記錄，所獲得的數據比較凌亂，并不能說明擺的擺動具有等時性。也就是說，學生所獲得的數據，并不支持結論，沒有達成教師預設的探究目標。

導致數據凌亂的原因很多，比如：材料問題（擺線和擺錘的選擇是否合適），教室里有風無風的問題，擺線與懸掛的軸如何連接以及之間的摩擦力問題，學生的操作是否合適的問題，學生是否能夠熟練使用秒表的問題，學生的合作問題（操作員、觀察員、記錄員之間的配合是否默契），教師的指導訓練是否到位的問題，等等。也就是說，一個看似簡單的實驗，其實需要控制的因素很多，小學生很難把這些因素控制好，只要有一個因素控制不好，就可能導致實驗數據的不準確。

20年前，小學《自然》教材里就有這樣的內容，我們就被這些問題困擾，反復研究也沒有找到好的解決辦法。執教老師曾經把學生帶到教室外，從教學樓的5樓吊一根可伸縮的長繩子到樓下，繩子下端系一個水桶，桶內可增減重物以改變擺錘重量，用這種辦法實驗，效果要好些，但仍不盡人意。

如今，許多老師上這節課時，當出現數據不支持結論時，仍然會按照教學設計的流程，組織學生對數據進行分析，常見的處理方法有：

1.引導學生關注支持結論的數據，忽略不支持結論的數據。

老師往往會說明那些不支持結論的數據不準確，指出學生的實驗是有誤差的，然后依據支持結論的數據得出擺的擺動具有等時性的結論。

這樣處理帶來的問題有：

一是老師憑什么說學生的實驗是有誤差的？學生是按老師的要求，用老師提供的材料很認真地做了實驗，很認真地做了記錄，實事求是地匯報了數據的，老師只是巡回指導，并沒有做實驗，卻說學生的實驗是有誤差的。當我們要求學生說話要有根據，要有證據意識時，老師的證據意識在哪里？

二是為什么說有誤差？學生在探究前，并不知道擺的擺動具有等時性（如果知道還需要“探究”嗎？），而老師是知道的。這里的所謂的“誤差”，其實就是真實的數據與老師所期望的不一致，而非真正意義上的科學實驗中的誤差。

2.有些老師發現第一種處理數據的方法有問題時，會采取讓學生計算各組數據的平均數、中位數或眾數的方法，以使數據趨于一致，以便得出結論。

這樣的處理，實質上是讓一組數據“少數服從多數”，是把一種“組織原則”移植到特定實驗的數據處理上。在這個實驗中，任何一個組的數據，只要有一個數據與其他數據不同，就不能說明擺的擺動具有等時性。教師這樣處理，實際上是在做一件“撥亂反正”的事情，目的十分明確，就是要把不支持結論的“亂”數據，通過一種數學方法讓數據“統一”起來，使“數據”支持老師心中很清楚、學生不清楚的結論。這種處理方法，表面上看，是在用數學的方法處理數據，貌似科學，實則虛假。

3.有些老師認識到數據不支持結論而要強行得出結論顯然不是實事求是的，是違背科學精神的。但課還要繼續上，許多老師就轉而引導學生分析討論為什么會出現數據不一致的問題，討論可能有哪些原因造成了誤差。

于是，課堂熱鬧起來，學生紛紛提出“可能是這樣”“可能是那樣”，列舉出一大堆可能造成誤差的原因。最后，老師一般會表揚學生“很聰明”“都像科學家”，然后告訴學生，實驗的確是有誤差的，并告知“正確的結論”。這樣處理，貌似比前面幾種方法有所進步，但依然存在很大的問題：

一是和第一種方法一樣，老師憑什么說學生的實驗是有誤差的，而且變相地讓學生認可是有誤差的？就學生而言，既然老師說有誤差，那就是有誤差了，老師說的還有錯嗎？也就是說，學生討論的邏輯起點是先得認可實驗是有誤差的，不然怎么會有那么多“可能”呢？如果這個說法成立，那我們就不得不思考：這樣的教學是在進行科學教育嗎？

二是偏離了既定的探究目標。之所以要設計這個探究活動，其目標是引導學生通過實驗認識擺的等時性，可學生的數據不支持結論，老師被逼無奈地改為引導學生去分析誤差。

三是分析誤差時，學生充其量只是提出一些“可能性”，這些“可能性”沒有一個能在課堂上得到證實，是不是真的存在誤差，并不確定。表面上看，學生的思維有所發散，但這樣做的意義有多大呢？既然要這樣做，那何必把這個探究活動定位在“探究擺的等時性”呢？要想讓學生認識科學實驗的誤差問題，完全可以專門設計活動，在專門的時間來引導學生探究，何必這樣“猶抱琵琶半遮面”呢？

比上述處理方法更令人擔憂的是，在組織學生開展這個探究活動前，許多老師是了解他所提供的材料、學生的操作能力、學生的實驗方法、學生的合作能力等許多因素都會對實驗產生影響，有一個因素控制不好，都可能導致得出的數據不支持教師想得到的結論，何況有那么多因素需要控制好。也就是說，出現數據不支持結論的情況是預料之中的事情。但老師依然堅持組織學生開展這個探究活動，并為了得出他心中的那個結論，想各種辦法來曲解數據，或不好意思曲解數據而煞有介事地引導學生去分析誤差。

上述處理方法有一個共同點：為了老師心中的那個結論能“順利”得出。當我們和老師就上述問題探討時，他們也感覺到有問題，但許多老師的解釋是：教材就是這么編的，我們要尊重教材，我們實在找不到合適的探究材料。而且進一步解釋：這樣教還是有一定價值的，學生畢竟開展了探究活動，思維也很活躍，探究能力也得到了一定的培養。

分析這些問題，是“就事論事”，并不是說這節課就一無是處。我們看待一節課，應當盡可能避免以偏概全，不能把某個優點或缺點過度放大后，以此來對一節課作出定性評價。但是，在評價一節課時，必須考慮一些核心要素，比如：教學目標的設計是否合適、是否達成？學生的探究式學習是否是真實的、積極的、主動的？學生是否真實地經歷了科學概念的轉變、建構和應用過程？“探究擺的等時性”教學中，上述老師們常見的處理方法，在這些核心要素方面，似乎都存在比較嚴重的問題。

對“探究擺的等時性”教學中的問題討論，顯然不能僅限于“術”的問題，我們還應當有更深層次的思考，比如：

在科學課教學中，我們心中有學生嗎？我們的教學是要順應學生的認識特點和認識需要，還是順應教師“教”的需要？

科學家們如果明知自己的實驗方案和實驗條件有問題，不能得到真實的數據時，還會強行去做實驗嗎？

我們對科學課程和科學課教學應該有怎樣的辯證認識？

學生亦步亦趨地經歷被老師嚴格控制的實驗進程，是在開展真實的科學探究活動嗎？

如果科學課教學沒有體現出實事求是的科學精神，還是真實的科學課嗎？

如何站在兒童的立場，上兒童的科學課，上真實的科學課？