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全国第二届教科版科学优质课选拔赛反思
浅谈科学实验中的误差数据处理——全国第二届教科版科学优质课选拔赛反思
在此次赛课中，我执教的内容是教科版科学五年级下册时间单元的第五课《机械摆钟》一课，通过多次试教，让我收获颇多，在此就收获之一——实验中的误差数据处理一点谈谈自己肤浅的看法。
新课程标准指出：科学探究要培养学生的实证意识。数据作为探究实验中常见的记录手段，对事物、现象进行定性、定量分析时，它能使我们的条理更清楚，结果更精确，有着其它方法不能替代的作用。然而，由于实验方法和实验设备的不完善，周围环境的影响，以及人的观察力，测量程序等限制，实验观测值和真值之间，总是存在一定的差异。这称为误差，这些误差的出现，容易导致学生在数据分析中出现困惑甚至错误的结论。
根据误差的性质和产生的原因，一般分为三类：
（1）系统误差系统误差是指在测量和实验中未发觉或未确认的因素所引起的误差，而这些因素影响结果永远朝一个方向偏移，其大小及符号在同一组实验测定中完全相同，当实验条件一经确定，系统误差就获得一个客观上的恒定值。
当改变实验条件时，就能发现系统误差的变化规律。
系统误差产生的原因：测量仪器不良，如刻度不准，仪表零点未校正或标准表本身存在偏差等；周围环境的改变，如温度、压力、湿度等偏离校准值；实验人员的习惯和偏向，如读数偏高或偏低等引起的误差。针对仪器的缺点、外界条件变化影响的大小、个人的偏向，待分别加以校正后，系统误差是可以清除的。
如在对机械摆钟的钟摆摆动次数的测试中，我先采用的是flash版的机械摆钟，由于此动画配有较强的摆动声音，学生在声音的引导下，很少出现不同数据，只有极少数因为起点的不同出现不同数据，后来换成实物机械摆钟，没有了摆动声音的引导，学生出现的不同数据的现象就相当普遍了。在测量自己制作的单摆摆动次数时，就出现更多了。主要原因是学生的一些行为对摆的自然摆动有影响，或总是将未回到计时起点的那次摆动也计算在内等等。虽然在总结原因的基础上，不断改进实验器材和方法训练，这种现象也在逐渐减少，但由于小学生的认知及行为能力的影响，这个现象最重也没有完全清楚，只是对测量结果的影响减小而已。
（2）偶然误差在已消除系统误差的一切量值的观测中，所测数据仍在末一位或末两位数字上有差别，而且它们的绝对值和符号的变化，时而大时而小，时正时负，没有确定的规律，这类误差称为偶然误差或随机误差。偶然误差产生的原因不明，因而无法控制和补偿。但是，倘若对某一量值作足够多次的等精度测量后，就会发现偶然误差完全服从统计规律，误差的大小或正负的出现完全由概率决定。因此，随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋近于零，所以多次测量结果的算数平均值将更接近于真值。
这种误差是出现频率最高的，学生在对摆的摆动次数的三次测量中，得出的数据有较多的组如此。
（3）过失误差过失误差是一种显然与事实不符的误差，它往往是由于实验人员粗心大意、过度疲劳和操作不正确等原因引起的。此类误差无规则可寻，只要加强责任感、多方警惕、细心操作，过失误差是可以避免的。
如在本次测量中，计时员报时不准确，计数员突然搞错计时起点、相互配合不够默契等，现象是较为普遍的。
针对学生在实验测量中出现的这些误差，必须要引导学生进行分析与讨论，从而引导学生知道测量必须严格按照要求，专心的进行，但误差的出现是不可避免的，并初步了解误差数据的处理方法，只有对误差数据进行了有效的处理，才能发现最接近真实值的数据，从而根据得到的数据得出正确的结论。如在平时的试教中，学生在测量机械摆钟的摆动次数时，出现60、59、61等一些数据，其中，出现的60的数据最多，在这里，我首先让学生分析了出现这些数据的原因，然后告诉他们这是误差，是在我们非常认真的基础上也不可能完全避免的，为减小误差对实验结论的影响，可采用重复多次测量得出多个数据，然后取平均值或出现频率最高的数据最为最后测量值。学生利用此方法，很快就确定钟摆摆动次数为60，从而得出了钟摆在相同时间内的摆动次数是相等的这个结论。有了这次误差数据的分析基础，学生在分析后面测量自制单摆的摆动次数数据就容易多了。
当学生对每个１０秒单摆摆动次数的数据进行分析后，得出了单摆在４个１０秒的摆动次数却出现了单摆在相同时间内的摆动次数不同的数据，导致学生得出了错误的结论。如其中一次试教的数据：
从各组的数据中不难看出，有些小组的数据相同，有些小组出现的不同形式的数据差异。我在引导学生分析这些数据时，先是让学生纵向观察，找出相同数据引导出摆的等时性特征，然后让学生分析出现数据差异的原因，在学生意识到属于误差原因时，引导他们推测出真实值，从而形成摆的等时性这个共识。在这些数据中，5组、9组、10组的数据是最容易让学生产生错误结论的。因为学生在测量前的观察预测中说道摆的速度会随着摆幅减小而减慢或加快。而这三组的数据从表面上看确实摆动次数在增加和减少，所以学生仍旧认为摆的速度会随着摆幅的变化而变化。但只要引导学生思考，摆幅在逐渐减小，而非跳跃性的变化，因此，摆的次数也应该是递减或递增，从而推翻其错误的结论。
为了避免类似的数据影响大家总结出实验结果，我将数据的呈现分成了相同和不同的两批，先以相同的数据得出等时性的认识，然后再分析不同的数据是因为误差所致。但在实际教学中，虽然教学效果达到了，却出现了另外一个不良的影响，就是那些数据不同的小组以为自己的数据错了，将因误差而出现的不同数据人为改成相同数据。这又给学生造成了一个错误认识，为了和多数人相同、和老师希望的数据一致而随便篡改实验数据，不够尊重事实了。因此，在推测真实值的以后，一定要告诉学生我们应该尊重实验数据，尊重事实，不能把实际测量的数据改成推测的真实值。
也许关于实验中误差数据的处理，我的做法不一定规范，准确，但我认为我的教学让学生知道了误差的存在以及如何采用最基本的方法来分析处理这些误差数据，当他们进入高中学习自然会对此有更深的认识与了解。当然，我也会继续学习，研究，看有没有更为规范妥当的处理方法。
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