基于误差分析的实验教学研究--以空气含氧量测量实验教学为例_误差分析论文

基于误差分析的实验教学研究——以“空气中氧气含量测量”实验教学为例，本文主要内容关键词为：教学研究论文,为例论文,误差论文,氧气论文,测量论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      科学实验离不开数据的测量，但由于实验仪器、测量方法以及人为因素的局限性，测量的结果不可能无限精确，测量值和实际值之间会存在一定的误差，即实验误差。它在客观上严重制约着实验的严密性、准确性和科学性。为了有效减少实验误差，切实提高实验教学的有效性，教师们对现行教材中的实验器材、方法做出了一定的改进，这使得实验进程更为顺利、实验数据更加精确、实验现象更加明显。

      然而，这种教师实验改进的实验教学模式是否合理呢？本文以“空气中氧气含量测量”的实验教学为例，重新审视实验误差潜在的教育价值。

      一、“空气中氧气含量测量”实验误差

      空气中氧气含量的测定是初中化学学习的一个重要的实验，我国现阶段的多个版本的教材中都涉及这个实验（装置图见图1）。教材中都使用了相同的方法来测定空气中氧气的体积分数，即燃磷法。

      

      这种实验方法在原理上是可行的，但是在学生实际实验过程中往往会出现以下问题：

      ①实验时红磷必须在容器外点燃，然后再伸入到容器内部，燃烧匙伸入的瞬间，容器内的空气容易受热膨胀，部分空气会被排挤到容器外部，致使实验结果偏高。

      ②装置中使用的导管中也存在一定量的空气，这些空气在反应结束后会被倒吸入容器内，导致实验结果偏高。

      ③红磷的量很难把握。红磷量太少不能完全除尽容器内的氧气，致使实验结果偏高。

      ④实验中要迅速插入燃烧匙，塞上瓶塞，容器的气密性很难得到有效保障，冷却过程中会有气体留在容器内，导致实验结果偏低。

      ⑤容器未冷却至室温就打开止水夹，容器内的剩余气体仍处于受热膨胀状态，实验结果偏小。

      ⑥忽略了容器内外液面差对容器内外气压差的影响，这也会对实验结果造成影响。

      ⑦容器上小下大，形状不规则，很难将容器精确地分为5等分，且容器横截面积过大，读数不准确。

      二、实验误差的教育价值审视

      实验误差广泛存在于中学阶段的实验教学之中。在传统意义的教学中，实验误差一直被当作是一种影响实验严密性、科学性和准确性的外在因素，教师所关注的也是它所带来的负面影响。正因如此，利用创新实验提高实验教学的有效性一时间成为了当今实验教学的热点话题之一。然而，在这样的教学模式下，学生是在教师精心的实验预设之下完成实验操作，这就造成了实验误差和实验者人为分离。这样“一帆风顺”的实验探究显然违背了科学探究的初衷和本质，着实也造成了学生误差分析能力的缺失。

      实验是科学探究的载体，是提高全体学生科学素养的根本途径。正因如此，实验在科学教学中具有双重价值。其一是它的学术价值，即实验本身的价值，对应的是实验的知识与技能目标。其二是它的教育价值，是指学生通过实验学习的过程，对应过程与方法、情感态度与价值观目标，是缄默的知识的一种体现。而实验误差却是维系实验学术价值和教育价值的一个纽带。

      实验工具在科学探究之初都是简陋的，在实验中都会存在着大量的实验误差。实验者通过误差的分析，有针对性地对实验工具进行有效改良，最后使其满足探究的需求。这就是实验误差的教育价值。

      然而，这样的实验改进都是由教师所完成的，那么课堂教学中学生的主体性地位何以体现，科学探究精神要求何以彰显呢？因此，我们不能只着眼于误差给实验带来的负面影响，刻意避免实验误差，而应该让学生回归实验的本真，利用实验误差，实现实验的教育价值。

      三、实验误差是一种宝贵的教育资源

      1.明确实验的原理

      “空气中氧气含量测量”中利用了燃磷法。所谓燃磷法，就是利用磷在空气中燃烧，消耗空气中的氧气，生成五氧化二磷固体，并利用容器内外的压强差将烧杯内的水压入瓶内来测定空气中的氧气含量。

      虽然学生之前已经学过了大气压，但很多学生在实验设计阶段对实验原理的理解是浅层次的，仅仅停留在实验的表现阶段。当学生认真去分析实验误差时，就会发现这些实验误差形成的本质原因还是因为容器内外的压强差和理论值之间的差异。实验教学中，很多实验的实验误差其实都有着二次教育的作用，它可以使实验原理更为明晰。教师在教学中应该重视这种教育资源。

      2.培养学生实验误差分析能力

      实际操作中，实验的结果往往会发生偏差。在教师层层递进的追问中，学生往往也能讨论出引起实验误差的原因。但是，学生对于这些误差的认识是杂乱的，是无序的。这对下一步实验装置的系统性改进会产生负面的影响。实际教学中，很多教师也会通过偏大和偏小来归纳误差的类别，但这样的归纳仅仅停留在数据处理层面之上，学生并没有对误差产生的本质原因进行更深层次的梳理和归纳。

      在“空气中氧气含量测量”的实验中，教师可以让学生尝试着从误差形成的原因上对误差进行分类。这不仅可以训练学生的误差概括能力，而且也让学生在探索的过程中发掘出更多引起误差的深层次原因，如导管中的空气也会引起实验误差等，从而使得误差分析更具系统性。课上学生对此实验的误差归纳总结的情况，如表1所示。

      

      3.培养学生的创新思维

      在本堂课的实验教学中，大部分学生都不能得到正确的实验结果，这就使得学生感到困惑，自然会联想到实验的误差。通过误差分析，学生自然会得出外部点燃红磷是该实验失败的最大问题，也就自然会想到利用其他着火点低的材料来替代红磷。当教师出示各种材料时，实验改进的方法也就呼之欲出了。

      因此，实验教学的目的不仅仅是让学生掌握知识、收获技能，还在于培养学生的创新意识和思维能力。实验误差为学生创新思维提供了很好的平台。传统的实验教学中，教师一直都致力于避免实验误差，呈现给学生精确的实验结果，然而学生却失去了面对实验误差的机会，自然就不会通过有目的改进加以解决，这就造成了学生创新思维能力的缺失。通过实验误差引发学生的思考，让学生在思考中不断完善实验装置，享受到与科学家一样的探究历程，才能顺应学生思维发展的规律，让学生的创新思维不至于在科学教学中被抹杀。

      4.提升学生的自我效能感

      自我效能感是维持学生学习动力的源泉。现今的教学模式中，学习更多地被看作是一种取得成绩的工具，而不是学生发展的根本手段。这使得很多的学生长期处于抑郁状态，自我效能感低下。马斯洛的层次需要理论也证实了学生在满足生理需要、安全需要、情感和归属的需要、尊重的需要，然后就是自我实现的需要。

      作为一名教育工作者，应该为学习搭建平台，让学生分析实验的误差，采取相应的改进策略，让学生在学习的同时获得成功的喜悦。这样的学习方式会让学生乐于学习，从被动学习转化为主动学习，为实验教学注入新鲜的血液。

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