摘要：实验是物理学发展的基石，误差分析是物理实验的重要组成部分。通过分析实验误差的产生原因，学生掌握了减小误差的方法，也就有了设计实验方案与选择实验器材的依据。误差分析的步骤环环相扣，方法灵活多样，有利于培养高中生的科学思维。误差可以分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。本文以高中物理实验的系统误差分析为例，提出培养学生科学思维的策略，以供各位同行参考。

　　关键词：高中物理实验；系统误差分析；科学思维

　　一、引言

　　1999年，我国颁布的《JJF1059-1999中华人民共和国国家计量技术规范》文件对误差的定义是“测量结果减去被测量的真值”。测量误差可以分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。其中，系统误差是指对于同一个物理量，在多次测量中保持恒定或以能够预见的方式变化的那部分测量误差，因此，可以说系统误差是确定的。常见的系统误差主要有：实验仪器的零点位置存在偏差、刻度不准确等不完善造成的误差，实验原理方法中含有近似处理等不完善造成的误差，实验仪器未在规定条件如温度、湿度要求或环境的影响下使用造成的误差，实验者习惯性的读数方式、计时提前或滞后等心理或生理问题造成的误差，系统误差不能通过统计学的方法进行消除，只能从产生源头和测量过程中进行优化或消除。

　　二、培养科学思维的策略

　　(一)挖掘思维要素，明确培养目标高中物理的科学思维可以分为逻辑思维、抽象思维、逆向思维、发散思维、批判思维和创新思维六个要素，这六个要素组成闭合的思维环路，也就是科学思维的骨架。科学思维的培养必须依靠思维要素，脱离了思维要素的科学思维培养极有可能成为思想方法和思维能力的机械训练。在进行系统误差分析前，教师要充分挖掘其中所含的思维要素，明确思维培养的目标，制定对应的教学策略，提高课堂教学的效率。

　　(二)创设情境，启动思维开关

　　孔子曰：“不愤不启，不悱不发，举一隅不以三隅反，则不复也。”孔子在肯定启发在教学中的作用时，也强调了学生进入学习情境的重要性。著名教育家苏霍姆林斯基曾说过：“如果教师不想方设法使学生进入情绪高昂和智力振奋的内心状态，就急于传授知识，那么这种知识只能使人产生冷漠的态度，而不动感情的脑力劳动就会带来疲倦。”两位教育家都表达了学习情境的重要性。由于实验本身具有的直观性和趣味性，以实验为工具创设物理情境，可以让学生快速投入课堂，紧跟教师思路，为之后的系统误差分析做好铺垫。

　　1.情境要真实

　　情境要贴近学生的生活实际，使学生获得的理论知识可以反馈于实践。以“伏安法测电阻”为例，电流表无论采用内接还是外接，都会使测量结果存在系统误差。如何让学生对这一问题感兴趣呢？作者先给学生展示一些家用电器的电路板图片，让学生了解色环电阻应用的普遍，再给每个实验组的学生提供一个色环电阻(有些阻值很小，有些很大)，要求学生设计电路测阻值。接着，作者让学生讨论：自己设计的电路测量的阻值有没有误差？产生误差的原因是什么？测量怎样的电阻误差可以小些？具体的情境，使学生聚焦电阻测量的误差问题，从而打开他们的思维开关。

　　2.情境要有悬念

　　实验前应尽可能地制造悬念，使学生的“想当然”与实际结果严重不符，从而引发学生强烈的情绪，让他们产生浓厚的学习兴趣，并在之后很长的一段时间内记忆犹新。例如，在“探究超失重现象与运动的关系”的实验前，作者向学生展示一个漏水的矿泉水瓶，并请学生解释漏水的物理原理。接下来，作者设置了一个悬念：请学生预测矿泉水瓶向空中竖直上抛、斜向上抛时，漏水的速度将怎样变化。大部分学生凭借错误的“生活经验”，会认为：“瓶子往上运动时，水内部的挤压变轻，漏水速度变慢；瓶子往下运动时，水内部的挤压变厉害，漏水速度加快。”实际的结果是：瓶子在空中不漏水，也就是水在空中不挤压。学生的惊奇与不解将促使他们专注于后面的实验过程，积极地寻找和总结实验规律。

　　3.情境要引发问题

　　著名教育家陶行知先生曾经说过：“发明千千万，起点是一问。”发问是观察与思考的结果，是学生求知欲、好奇心的流露。情境不能仅仅是引起学生的兴趣，更重要的是要引导学生产生问题，在问题的推动下学生思考、探索、修正、获得知识与能力。

　　(三)巧设问题，形成思维链网

　　1.问题的起点一定是基于学生思维的起点

　　学起于思，思起于疑。当教师设置的问题基于学生的最近发展区，他们不会有违和感，反而对误差分析产生浓厚的兴趣。以学生思维的起点设置问题的起点，层层推进，既可以降低学生学习的难度，也利于不同层次的学生获得不同程度的思维培养。以“伏安法测电阻”为例，在设计测量色环电阻阻值的电路图时，有些学生无法一步到位，不是忘记画电表就是忘记画滑动变阻器。

　　2.问题的呈现应该是递进的，有助于提高学生的思维深度

　　问题的设置应该遵循学生认知发展的规律，呈现一定的梯度，引导学生从浅层思维走向深层思维，从而提高思维的品质。以“伏安法测电阻”为例，如何指导学生选择电流表的接法呢？作者设计的问题如下。

　　问题1:若电压表的内阻约为3kΩ，电流表内阻约为10Ω，待测电阻值约为5Ω，电流表采用哪种接法误差较小？若待测电阻值约为2kΩ，电流表采用哪种接法误差较小？

　　问题2:总结一下电流表相对待测电阻内、外接分别适用于什么情况？产生误差的原因是什么？误差对测量结果将造成怎样的影响？

　　作者设计的问题从具体到一般、从理想到实际，促使学生归纳方法、举一反三、逐步提高思维深度。

　　3.问题的导向应该是多元的，有助于拓宽学生的思维广度

　　由于学生个性特征的差异，科学思维的表现差异明显。在培养学生科学思维的过程中，教师应考虑他们的认知和心理差异，问题的设置应该促进学生多角度思考、多方式解决和多维度审视问题，即拓宽学生的思维广度。问题的导向应该是多元的，学生形成的不应是思维链条，而是思维链网。

　　(四)总结思路，外化思维过程

　　人类从“自然人”向“社会人”转变经历了漫长的历史过程，在此过程中，最具积极意义的是手、脚分工和大脑思维功能的形成。劳动和思维是人有别于动物的根本标志。自从人的大脑具有思维功能的那一天起，人的形体动作和社会活动都将受到大脑思维活动的支配。思维发展具有明显的年龄特征，高中阶段是培养学生科学思维的关键时期。在科学思维形成的初级阶段，有效的课堂教学设计和实施会起到助推作用。科学思维的培养与学生知识建构方式有关，并且体现在学生的日常学习和练习中。

　　(五)类比分析，形成思维迁移

　　类比是建立在归纳和演绎基础上的一种推理方式，是根据两个研究对象或两个系统在某些属性上类似而推出其他属性也类似的思维方法，是一种由个别到个别的推理形式。类比得出的结论必须由实验来检验，类比对象间共有的属性越多，结论越可靠。通常情况下，学生在课堂教学过程中获得的知识是有限的，导致在解决实际问题时，对思维能力的有效调用也是有限的，但科学思维的培养最终目的是使学生能够顺利解决实际问题。现实中的问题与课堂中的问题有差别，如何让学生做到学以致用、举一反三，这就要求教师在思维培养的过程中必须关注学生的思维迁移能力。思维迁移能力的影响因素包括客观因素(问题情境的特点)和主观因素(思维定式、迁移意识、认知结构和学习策略)，所以在学生科学思维培养过程中应深入分析问题情境的相似性，掌握其本质特征，充分发挥思维的灵活性，克服相似无关特征对问题解决的干扰。

　　三、结语

　　科学思维是学生在对物理基本概念规律已经有了深层次的认识之后，在建构起物理观念的基础之上，而形成的能够指导科学实践的具有明显个人特色的知识应用方式和问题解决能力，是学生应用分析、演绎、推理、论证等思维方式的自觉性，以及以此为基础的质疑批判和理论创新。科学思维是新课改背景下高中生核心素养发展的关键能力，也是科学学习所需的核心能力。高中阶段是学生科学思维培养的关键时期，系统误差分析的步骤环环相扣，方法灵活多样，有利于培养高中生的科学思维：误差来源的分析体现了追根求源的科学精神，培养学生的批判思维；误差影响的分析体现了物理研究的严谨性，培养学生的逻辑思维和发散思维；实验方案和器材的改进体现了物理研究的实用性，培养学生的创新思维。在平时的实验教学中，教师要深入挖掘思维要素，明确每节课的培养目标；要努力创设真实有趣的情境，启动学生的思维开关；要巧设问题链，使学生在进阶的思考中形成思维链网；要总结多种思路，外化思维过程，使学生在多次的思维复盘中稳步提高；要引导学生积极地进行类比分析，形成正向思维迁移，从而厚积薄发，实现思维方式质的飞跃。

　　参考文献：

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