指向高阶思维培养的科学探究实验数据处理

高阶思维通常指的是探究性活动中学生运用分析、评价、创造思维的能力。《义务教育小学科学课程标准（年版）》指出，小学生需要“通过收集和分析信息获取证据，经过推理得出结论，并通过有效表达与他人交流自己的探究结果和观点；初步了解分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，发展学习能力、思维能力、实践能力和创新能力”。这些技能的学习最终都有利于学生高阶思维能力的发展。实验数据是体现科学探究成果的重要证据，对实验数据进行分析是探究过程的重要组成部分，也是学生发展高阶思维的有效途径。但笔者在执教过程中发现，在大部分探究实验中，学生的数据处理能力不足，主要表现在获取的数据不够精确、数据的整理和呈现方法不恰当、数据分析和论证不够全面[1]。那么，如何通过有效的教学方法提高学生对实验数据的处理分析能力，从而发展学生的高阶思维呢？笔者对此进行了研究，并初步获得以下几种策略。一、精准获取数据，为思维提升夯实基础在科学探究活动中，由于实验材料不典型、测量仪器不精密或记录内容不明确，常常导致获得的实验数据不精确，不利于后续的分析处理，导致学生不能获取正确的核心概念，获得思维能力的提升。因此，精心选择合适的实验材料，利用有效的实验记录表逐步获取精准的实验数据是培养数据处理能力，提升高阶思维能力的前提。1.优化获取方法，让数据更精确在教材中，有些科学实验依旧采取传统实验操作，导致获得的数据不可定量，实验精度和效率比较低。将现代信息技术手段和实验教学相结合，可以让学生得到相比传统实验测量仪器更加真实、具体、详细的科学数据。此外，也可以大大缩短数据采集所需要的时间，能够让学生快速、及时、准确地采集数据，以便有更多时间用于实验数据的分析、实验结论的论证。信息化时代，智能手机已经成为了人们的必备工具，随着技术的不断进步，智能手机搭载的各种传感器越来越多，灵敏度也越来越高。此外，手机APP的普及，为将智能手机作为科学教学辅助工具提供了可能性。Phyphox软件是由一所德国大学研发的一款教辅软件，支持多种传感器，包括光传感器、磁力计、压力传感器等等，内部功能如图1所示，能够在力学、声学等多个领域发挥作用，使用者利用一部手机，测量各项数据，并直接在手机上显示出来，甚至还支持以Excel等格式导出实验数据进行分析，极大地提高了学生获取数据的精确性[2]。笔者教学教科版《科学》四年级上册第一单元第六节“声音的高低”时为学生设计了以下实验：敲击铝片琴，让它发出声音，描述高低不同的声音是怎样产生的？吹奏口琴，使它发出高低不同的声音，并仔细观察口琴的簧片，声音高低和簧片有什么关系？最后，通过不断改变钢尺伸出桌面的长度，研究钢尺振动的快慢以及发出声音的变化。这几个实验都指向物体振动得越快，振动的频率就越高，发出的声音就越高。但是学生在实际操作中，却出现了很多问题，他们并不能感受到振动快慢的变化，也不能准确判断出声音的高低变化，更难以得到准确的数据，最后只能依靠教师提供的微视频获得结果。因此，为让学生亲历数据获得的过程，可以利用Phyphox软件的“音频自相关”模块测量各种物体发出声音的高低（如图2）。例如，为具体地呈现第一个实验的结果，可以选择相对安静的环境，设定好相应的指标（延迟1.5s测量，测量时长固定为2s），然后分别从长到短依次敲击铝片琴的铝片，并用软件测量相应声音的频率（如图3），然后记录数据（如图4）并观察曲线的密集程度。最后发现：铝片越长，振动越慢，发出的声音越低；铝片越短，振动越快，发出的声音越高。在此基础上，学生可以通过该软件完成各种音高变化的探究实验，并获得具体的数据支撑。例如改变钢尺伸出桌面的长度，探究钢尺振动快慢与音高的关系，试管中水量与发出声音高低的关系。除此之外，还可探究声音强弱与振动幅度的关系。2.改进实验记录，让数据更有效实验记录是获取实验数据过程中非常重要的一环，通常我们会采用“学习单”“任务单”等方式记录数据。然而，在实际教学过程中，一些实验记录单并未充分结合实际，出现设计无层次感、记录方式繁琐等问题。所以，能否改进、设计出合理、科学的高质量实验记录单会直接影响整个探究活动的效果，并直接影响学生对数据的整理。例如：在教科版《科学》五年级上册“摆的快慢”一课中，科学课堂作业本中的活动记录表（如图5）要求学生自己确定观察的时间，且在“摆锤质量是否影响摆的快慢”的实验中并没有确定摆锤质量，而是用“原来质量”“两倍质量”“三倍质量”表述质量的变化。此外，记录表中也没有对三次重复实验的数据进行整理，众多的数据放在一起，不利于形成纵向比较。基于以上问题，考虑到记录的准确性、简便性，在原记录表的基础上稍作修改，形成新的“摆的快慢”实验记录单（如图6），确定摆动时间为15s，且将摆锤质量设定为：10g、20g、30g（可使用相应重量的钩码进行实验）。这样有利于简化学生的探究过程，也能在论证环节汇总成大数据，得出规律。除此之外，增加“平均次数”这一栏，便于学生筛选数据，排除杂乱数据的影响，然后进行纵向比较。在“我的发现”中，考虑到学生大多不具备科学的表述能力，因而采用填空的方式让学生快速梳理思路，依据实验数据得出规律。二、直观呈现数据，为思维提升建构支架在学生通过探究获取到实验数据后，对已经取得的数据进行整理也是至关重要的。把抽象难懂的信息、数据以及数量关系通过直观、形象的图表呈现出来，可以将抽象的问题具体化、复杂的问题简单化，有效地帮助学生简化数据，发现数据之间的联系，解构信息的内在规律，搭建分析论证的“支架”，提升学生的思维能力。1.借助复式统计表，呈现数据整体小学生的抽象思维还不够发达，不能完整地总结本小组获得的数据，特别是当测得的数据较多时，会比较混乱，无从下手。针对这个问题，可以采用复式统计表记录各项指标、数据，通过列表排序法汇总数据，这样更有利于学生观察数据，并从中发现规律。例如在教科版《科学》五年级上册“用水计量时间”一课中，学生通过实验测量了滴完50毫升、毫升、毫升水所需的时间后，将时间列表进行排序（见表1）。通过认真观察，比较表格中的数据，可以发现滴完相同水量所需的时间是不同的，第1个50ml的水流速最快，最后一个50ml的水流速最慢，进一步分析可以知道同一容器中的水的流逝速度先快后慢，是不均匀的。复式统计表不仅可以帮助学生高效地记录测量数据，而且通过列表排序的方式凸显了数据的特征，让学生敏感地捕捉到数据的特点。2.借助柱状统计图，呈现数据差异在科学教学中，经常会有一些实验要求学生收集比较多的数据，比如对植物生长变化情况的观察、对气温和降雨量的观察，都会涉及到多项数据，并且每项数据的数据量比较多，学生通常会先通过统计表记录相关数据，但是没有办法进行后续的整理分析。因此，教师可以引导学生采用统计图来整理、呈现数据。例如在教科版《科学》三年级上册“整理我们的天气日历”一课中，学生用统计表对一个月的各项天气指标进行记录后，可以将其中的气温和降雨量两个指标用柱状统计图的方式呈现出来（如图7、图8）。柱状统计图的优势在于既可以直观展示各个数据的大小，又可以比较各个数据之间的差别，所以学生得到降雨量和气温的柱状统计图后，就可以快速搜索有用信息，分析一个月内气温和降雨量的特点和变化。如发现该月份有几天气温高于30℃？其中最高气温是多少？这个月气温变化的规律是什么？该月份降雨的天数是多少天？其中最大降雨量为多少毫米？这个月降雨量变化的规律是什么？3.借助折线统计图，呈现数据趋势科学是一门综合性学科，内容涉及物理、化学、生物、地理，实验中获得数据的特点也不尽相同，所以不同的数据应该按照不同的情况选择不同的统计图（表）。统计表适合数据的记录，体现整体性；柱状统计图则适合进行数据之间的比较。当实验的目的是为了分析趋势变化时候，则需要采用折线统计图，更有利于学生分析实验数据，得出相应的实验结论[3]。例如，在学习教科版《科学》四年级下册“凤仙花的一生”时，学生经过对凤仙花的长期观察，通过测量植株高度得到了一组数据，如果单独使用统计表来分析，学生只能得到“凤仙花在生长，高度在不断变化”的结论，不利于学生更深层次的思考。所以，这一节课中教师可以引导学生明确折线统计图的作图要领，然后将统计表数据转化成更加直观的折线统计图（如图9）。最终学生可以借助该统计图分析凤仙花一生的生长变化规律：在凤仙花发芽之后，开花之前，有一个生长高峰期，植株会迅速长高，叶子的数量也会快速增加。在长出花蕾之后，它生长的速度会逐渐变慢。这主要与植物开花有关系。因为开花之后，叶片所产生的营养几乎都供给了凤仙花的繁殖器官，如花朵、果实和种子。经过折线图的展示，学生对植物生长的理解更加具体和深入。三、深度论证数据，为思维提升拓展路径借助合适的图表呈现数据后，应当给予学生充分交流、分析数据的机会，展现他们分析整理数据的思维过程。因此，教师要引导学生从局部到整体对数据进行分析，通过对比实验、辩证分析和逻辑推理等方法，初步运用图表对数据进行整理和分析，找出信息之间的联系，从而发现数据背后隐藏的科学本质。在深度论证中，让学生的思维得到发展，概念得以完善与提升。1.聚焦分析，引出整体规律合理的方法有助于高效分析数据，快速总结规律。然而当观察记录的数据量不断增加后，学生通常会茫然不知所措，不知道如何合理观察分析数据。针对这个问题，可以引导学生从横向和纵向分别进行聚焦，先