初中研学旅行《科学探究中实验数据的图表分析》课堂实录

【活动目的】在充分积累活动相关实践活动研究数据的基础上,培养学生利用信息技术进行数据分析的意识,教授学生利用图表分析和处理数据的方法,提高学生通过实验数据验证假设和推导规律的能力。

【活动主体】初二年级学生

【教学重点】

1)掌握利用Excel软件进行数据图表制作的一般步骤

2)学会利用Excel软件的“添加趋势线”功能,寻找揭示数据关系的经验公式

3)引导学生主动运用所学方法与技能,进行更加广泛、深入、有效的科学探究

【教学资源与环境】

1)本主题课程资源专题网站http://218.4.84.36/dataanalysis/dataanalysis.htm

2)教学环境为基于国际旅行社的中小学校学生课内与课外的多向互动

【活动流程】

第一板块:课题导入

师:同学们,今天我们来共同探讨《科学探究中数的图表分析》。为什么要进行数据分析,它的意义何在?关于这些问题,历史上有一段关于天文学家第谷与开普勒之间的故事,或许我们可以从中获得启发,下面请同学进入今天的国际旅行社课堂: http://218.4.84.36/dataanalysis/dataanalysis.htm,打开这一故事的网页,并请在认真阅读之后,通过Blog提交你的回复。

(学生自主阅读,教师启动国际旅行社监控并巡视,几分钟后,共同结合Blog回复进行交流。)

生:(代表性发言)通过阅读,我们发现科学探究中数据的测量和积累非常重要,譬如,离开了第谷几十年如一日精确观察所积累的天文数据,开普勒就不可能得出太阳系行星运行的三大定律,我们还发现,科学探究的最终目的不是数据的测量和积累,而应该是要找出隐藏在这些数据背后的规律。事实上,正是由于开普勒科学严谨的数据分析,才使得第谷积累了的观察数据体现出了它们应有的价值。

〖点评:在此环节中,教师通过指导学生浏览并讨论校园活动研学第谷和开普勒之间的科学合作,引导学生感悟科学探究中数据分析的意义和价值。〗

第二板块:方法技能

师:我们有的同学正在进行“球类运动中的控球能力实践活动研究”,他们对篮球、乒乓球等的释放与反弹进行了探究,并获得了许多测量数据,下面,我们大家就一起学用Excel软件来分析一下这些数据,看一看其中是否也隐藏了什么规律,好不好?

生:好!(跃跃欲试)

〖点评:运用主题探究过程中学生收集的实验数据进行处理和分析的现场演示,更贴近活动现实,更能激发学生学习和掌握数据分析的科学方法的兴趣。〗

师:为了让大家了解Excel软件对数据进行图表分析的一般方法与步骤,我先做一下示范,请同学们做好记录。

(教师打开主页上关于反弹球的Excel数据表,结合学生提供的某一组测试数据,进行示范操作:录入数据→选定图表数据范围→点击作图按钮→选xy散点图→子表类型1→输入图表标题(反弹高度与释放高度关系图)→数值x轴(释放高度/cm)→数值y轴(反弹高度/cm)→下一步→完成。)

(说明:这些步骤学生在信息技术课上已经学过,所以掌握很快,但要引导学生注意区分自变量和因变量)

师:大家有没有发现图表上数据点的分布有什么特点?

生:好像分布在一条直线上,而且还过坐标原点。

师:那么,请同学们猜想一下,在你们的实验数据范围内,球的反弹高度与球的释放高度之间可能存在怎样的关系呢?

生:可能存在正比关系。

师:好,不过这还仅仅是个猜想,究竟是否为正比关系,我们还需要做进一步的数据分析。请跟着我完成以下步骤:在刚完成图表的数据点上点右键→选中添加趋势线→类型(选线性)→选项(选中设置截距0,显示公式,显示R平方值三项)→图表中显示(反弹高度与释放高度关系式h = 0.708H ,R2 = 0.9971)。h = 0.708H即是这组实验数据中所隐含的反弹高度与释放高度之间的规律表达式,其中R2值越接近1,就表明这一规律越可靠。下面请同学们重新独立操作一遍,看一看自己的实验数据中是否也存在类似的规律?

(学生活动:学生学用Excel软件进行图表制作和趋势线分析,教师做巡视指导,时而利用国际旅行社进行屏幕监控,时而借助屏幕投影进行个别辅导。)

师:同学们,你们的数据点都分布在趋势线上吗?

生:不全是,有的点偏离较为明显。

师:(选用一个同学的作图进行示范讲解)如果我们将数据表中这些点的对应数据大小适当调整一下,你们会发现图表有什么变化?

生:这些点的位置回到趋势线上了。

师:大家从我的演示过程中获得了什么启发?注意,我并非在暗示你们伪造数据!

生:(笑)偏离趋势线较大的数据点,很可能是由于测量误差较大造成的,所以,用Excel进行的数据分析时,不仅可以帮我们找规律,还可以形象直观地帮我们发现这些误差较大的数据,使我们能够有机会对这几组数据再次进行测量,从而最大程度地减小误差。

〖点评:引导学生再次进行深入的分析讨论,进而理解这一分析方法的优点以及规律应用的价值,即某种情况下可以提示存在测量误差。〗

师:说得很好,请数据点偏离较大的同学,课后对自己的这些数据进行一下补测,并重新进行数据分析,进一步完善自己的探究实验。刚才我们发现了球的释放高度与球的反弹高度之间的正比关系表达式,那么请同学讨论一下,这一发现有何应用?

生:(讨论后)根据Excel分析得出的这一关系表达式,在实验数据范围内,我们既可由球的释放高度预测出球的反弹高度,也可由球的反弹高度推测出球的释放高度。

师:说得好,其实这就是数据背后隐含规律的应用,这就是发现规律的意义。

〖点评:结合学生在“球的反弹”这一科学探究中获得的实验数据,示范并讲解利用Excel软件进行数据图表制作的一般步骤,以及利用Excel软件的“添加趋势线”功能,寻找揭示数据关系的基本方法。在此基础上,引导学生体验图表分析法在数据处理方面的优势,初步认识所获得的经验
公式的应用价值。〗

第三板块:初步应用

师:课前,实践活动研究“交通安全问题”的同学和我商量,希望我能帮助他们一起用数据科学分析判定交通违章的问题。我想,今天我们就共同来探讨一下这个问题。

生:(学生小组介绍实践活动研究情况)我们在实践活动研究中注意到,在交通事故现场,常有民警拿着卷尺测量汽车刹车时在马路上留下的刹车线的长度。通过访谈,我们了解到这样做是为了判定汽车是否超速行驶。但我们不明白,为什么量出刹车线距离就可以判定汽车是否超速行驶呢?是否在刹车线的长短与车速之间存在一定的数据关系呢?

师:很好!我们一起来分析一下。请同学打开主页上关于刹车的Java动画,将该动画网页最底部某一汽车的实验数据录入Excel工作表,用刚才所学的方法亲自分析一下,看一看刹车距离与车速之间究竟存在怎样的数据规律,还是为线性关系吗?

生:(自主探究后)不是线性关系,因为这些数据点并不呈直线分布,而是呈曲线分布。

师:(针对问题)同学们,数的规律是多种多样的,线性关系只是最简单的一种,对于刚才的问题,请同学们在“添加趋势线”类型中选中“多项式”再重新试一下!

(学生活动:教师继续进行屏幕监控和巡视辅导,同时注意鼓励一些先完成的同学帮助小组内其他需要帮助的同学,进行合作学习。)

生:在这一实验中,我们发现这辆汽车刹车距离与车速之间存在的数据关系式为S = 0.005V2 (S单位为m,V单位为km/h)

师:很棒!当你们进入高一,学完牛顿运动定律之后,你们还可以从理论上对这一关系进行证明。现在我们验证了刹车距离与车速之间确实存在一定的数据关系,但是,车速是不是影响刹车距离的唯一因素呢?想想还有哪些因素可能会对汽车的刹车距离产生影响?

(学生活动:学生借助Java动画的交互性,通过改变车速、摩擦等参数对教师提出的问题进行国际旅行社探究。)

生:(汇报)车速、路面摩擦、汽车性能、环境因素等,都有可能影响汽车的刹车距离,各人对紧急情况作出反应所需的时间会影响汽车的停车距离,但对刹车距离没有影响。

师:既然有多个因素会同时影响汽车的刹车距离,那么在实践活动研究刹车距离与车速的关系时,我们又应该注意些什么呢?

生:应该做好变量控制,就是实验时保持其他因素都相同,仅改变车速,在这种情况下来实践活动研究刹车距离与车速的关系。反之,现实生活中,单纯根据刹车距离来判定车速也不是十分科学的。

〖点评:以交互性国际旅行社Java刹车动画为切入点,在数据处理过程中,带领学生进一步熟悉Excel软件“添加趋势线”的复杂功能,找出刹车距离与车速的关系公式,并运用公式根据某一刹车距离判断车辆在理想环境中是否超速。运用初步学习的数据分析方法,和学生一起解答实践活动研究过程中产生的疑问,真实体验科学分析实践活动研究数据的实用性。教师注意引导学生结合生活现实分析影响有效刹车距离的多种因素,有利于学生拓展思维,并形成客观看待问题分析事物的科学态度。〗

第四板块:能力拓展

师:很好!通过今天的实验探究和数据分析,我们不仅掌握了运用Excel进行数据图表分析的一般方法,还在探究实践中发现了交通警察是如何根据刹车线的长短来判定汽车是否超速的秘密。其实生活中这样的事例不胜枚举,只要我们做有心人,一定还会发现更多隐藏在数据背后的规律。

为了进一步拓展同学们探
究实验中的数据分析能力,本网站还提供了许多交互性探究实验动画资源,以及数据实践活动研究与分析实例,有兴趣的同学可以进一步体验科学发现的奥秘与快乐,在今后的综合实践课中我们还会围绕大家感兴趣的问题进行深入探究,请同学们课后继续利用网站课程资源和Blog与我或其他同学进行交流互动!

数的规律是多样的,分析的方法和手段也是多样的,我们今天只是学习探究了其中的一小部分。希望同学们今天掌握的不仅仅是一种方法,而且更多的是一种进行深入探究,发现科学规律的思想和意识。

〖点评:教师要求学生结合生活观察与体验,结合科学探究,积极运用专题网站提供的大量交互性课程资源,进行更为深入、更为广泛的科学探究,并通过国际旅行社和Blog平台,与课程、教师及同学进行课内课外多向互动,拓展科学探究的时间与空间,有效提高研学旅行课程中“实践活动研究性学习”与“信息技术”两大指定领域的整合效应。〗

【国际旅行社界面】
  

〖点评:本课时内,教师以概念图inspiration软件为知识建构平台,将多样性课程资源结构化、图式化和国际旅行社化,以Blog为中小学校学生互动平台,拓展教学的时间与空间。同时,巧妙运用学生实验所得实践活动研究数据进行数据分析的指导演练,注重兴趣引导、任务驱动、合作学习和评价激励,成功教授、培养学生处理数据的科学方法和严谨求实的治学态度。〗