探究活動中數據處理和分析方法例談

張海鷗

科學探究的一般過程包括：提出問題、作出假設、制訂計劃、實施計劃、得出結論、表達和交流。其中得出結論需要根據觀察到的實驗現象或者得出的實驗數據，進行分析判斷而定。表達和交流這一步驟也需要交流每個小組的實驗現象或者數據的處理，以及對全班的數據分析處理，進而完善結論和反思過程的成敗得失。所以對數據的處理和分析是否得當，不僅關系到結論得出的正確與否，還關系到科學方法的學習和理解是否到位。怎樣引導學生分析實驗數據所反應出來的內涵？下面以人教版初中生物教材中的幾個探究實驗為例，討論處理和分析實驗數據的方法。

1 數據處理的方法和過程

1.1 取平均值法

取算術平均值是為減小偶然誤差而最常用的一種數據處理方法。通常在同樣的測量條件下，對于某一物理量進行多次測量的結果不會完全一樣，用多次測量的算術平均值作為測量結果，是最接近真實值的。如“生男生女的機率”模擬探究中，取小組、班級、級部、全校多次測量結果的平均值比較，發現測量次數越多，獲得的平均值越接近理論值1∶1。

1.2 列表法

實驗中將數據列成表格，也是常用處理數據的方法。列表法可以簡明地表示出有關物理量之間的關系，便于比較測量結果和運算，有助于發現和分析問題。如探究“光對鼠婦分布的影響”實驗中，每個小組需要記錄一組數據（表1）。根據實驗結果，可以發現隨著時間的推移，鼠婦越來越適應實驗環境，也更加趨向分布在陰暗處。

每個小組將最后1 min的數據匯集到班級的總表格（表2）中（以16個小組為例）。可以直觀看出大多數小組的數據是陰暗處比明亮處多。列表法在用于對數據進行求和和求平均值時更方便計算。表2可以是Word表格、Excel表格，也可以是板書表格。特別是計算平均值或者求和時，用Excel表格更快捷。

1.3 繪制圖形法

繪制圖形法就是將實驗數據轉化為各種圖形。繪圖法處理數據的方法很多，有折線圖、柱狀圖法、條形法、餅圖法等等，這些方法都可以使數據變得直觀，便于觀察和比較，得出實驗的結論。不同的方法有不同的優點，應根據需要，選取最佳的表達方式。

其中以繪制折線圖法最常用，就是讓數據在坐標圖中體現。一般是先將實驗測得的數據列成表格，再將表格數據轉換為折線圖。根據測量的要求，選定坐標軸，一般以橫軸為自變量，縱軸為因變量。坐標軸要標明所代表的變量的名稱及單位。通過做曲線圖，可以找到或反映變量之間的變化關系，便于找出其中的規律，確定對應量的函數關系。折線圖會使數據變得更直觀，并且可以看到變量之間的連續變化趨勢。

如“探究花生果實大小變異”的實驗中，每組先將30粒花生果實縱軸長度測量出來，列成表格（表3、表4），再將表格轉化成折線圖（圖1）。就非常直觀地看出，小花生果實中有大的個體也有小的個體，過大和過小的個體都很少，大多集中在30 mm左右；大花生中有大的個體也有小的個體，過大和過小的個體也很少，大多集中在43 mm左右。這說明花生果實大小存在著變異。大花生果實大小平均值總是大于小花生果實大小平均值，說明大小花生果實大小的變異是由遺傳物質不同引起的。又如“探究酒精或煙草浸出液對水蚤心率的影響”實驗，先將實驗數據填寫在表格中，再將表格轉換為折線圖1，可以得出結論：水蚤心率會隨著酒精濃度的增加而逐漸減慢，直至死亡。酗酒對人體有害。

1.4 數據轉換的方式

實驗得出的數據是一定的，表示方式有多種，但是各種方式之間可以互相轉換。最常見的是將表格轉換成折線圖和柱形圖，這個過程可以根據小組收集的數據在坐標軸中描點畫圖，但是比較麻煩。最簡便的方法通過Excel中“插入圖表”的方式轉換，插入的圖表形式有柱形圖、折線圖、條形圖、餅圖、面積圖、散點圖、雷達圖、組合圖等多種形式，每種圖又有多種形式表達。

2 分析數據反映的科學內涵

2.1 分析不同的數據，創新科學方法的教學

實驗不是僅僅算出一個數值，得出結論就結束了，教師還要引導學生分析數據所反映出來的科學內涵，進行科學方法的教學。如“探究某種食物中的能量”實驗中，筆者將該實驗的目標定為重在培養學生測量數據的方法和處理數據的能力。實驗時，筆者準備了兩套器材，讓左兩排的學生（1～7組）使用教材裝置，右兩排學生（8～14組）使用改進后的裝置，即在錐形瓶外加上一個易拉罐制作的外套，這樣可以減少實驗過程中熱量的散失。學生實驗的結果見表4。

當1～7組和8～14組的數據呈現在大屏幕上時，學生不由自主地輕呼“數據差異太大了”。接著，教師提出問題：比較1～7組和8～14組數據的平均值，你發現了什么？原因是什么？課本41頁附表中1 g核桃種子真正含有的能量是13 680 J，與實際測得的數值有什么差異，原因是什么？

學生思考分析原因，可以直觀體驗實驗器材的創新對結果影響的力量。這證實有了實驗的創新，數據的準確性才會大大提高。這種親身體驗創新的過程對激發學生的創新能力起到很關鍵的作用。

數據直觀體現創新實驗裝置可以提高數據的準確率，教師可以通過引導學生分析實驗數據，創新科學方法的教學。本實驗承載的一個重要的科學方法是“理解怎樣設置重復組”。重復實驗是一種非常重要的科學方法，學生都知道設置重復組的意義可以減少偶然性，提高實驗的準確性，但是很多學生不知道怎樣設置重復組。所以教師提出問題“如果這個探究實驗只做一次，結果可靠嗎？應該怎么做？”以此讓學生知道要設置重復組。然后教師接著追問：“重復實驗的結果是取14個小組的平均值嗎？”學生大多慣性地回答：“是的，取平均值。”此時，讓學生再重新閱讀課本“科學方法”，來判斷如何處理重復組的數據。學生馬上就可以領悟：重復組是在相同的條件下取平均值，而1～7組和8～14組的器材不同，所以不是重復組。在真實的場景下完成科學方法的教學，學生理解透徹，印象深刻。

2.2 分析錯誤數據，培養嚴謹的科學態度。

如分析表2，16個小組的實驗數據全部展示在屏幕上或者黑板上，讓學生一目了然地看到全班其他小組的數據和自己的差異。一方面學生面對數據的差異，就會思考和反思自己的實驗是否存在問題；另一方面教師可以及時掌握每個小組的實驗情況，然后根據反饋的數據調整教學，體現了“教學即評價”的過程性評價過程。在表2中，第八組沒有數據，教師可以讓第八組的學生分析原因，是合作不到位，分工不明確，耽誤了實驗時間，還是操作有錯誤，沒有按照設計好的方案進行實驗，從而沒有數據。教師借此進行非智力因素方面的教育，如小組合作學習和聽講思考的重要性，讓學生端正學習態度，學會合作分工。

除了5組、7組的數據反映的是明亮比陰暗環境中鼠婦的數量多，其他13個小組都是陰暗環境中的多。教師再引導學生通過求和或求平均值，就可以得出結論：鼠婦適宜生活在陰暗的環境，光會影響鼠婦的分布。但是為什么5、7組的數據是明亮的環境中鼠婦數量多呢？接下來教師引導學生分析原因：① 如果只有一組數據，可能具有偶然性，所以在進行科學實驗的過程中，要進行重復實驗，還要讓實驗對象的樣本不能太少，從而避免誤差。② 可能實驗過程中操作不規范，如大聲喧嘩、掀開蓋子數數等行為影響鼠婦的行為。這樣分析數據的過程不但有科學方法的教育，還會促進學生反思實驗要規范行為，有效地培養了學生嚴謹、實事求是的科學態度。

總之，在探究過程中，教師要幫助學生正確處理和分析實驗數據，體現了科學對事實的尊重，也是培養和提高學生科學素養的有效途徑。