論物理教育中數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)

項 華

北京師范大學(xué) 北京 100875

論物理教育中數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)

項 華

北京師范大學(xué) 北京 100875

編者按：本期我們以北京師范大學(xué)物理學(xué)系項華副教授的文章《論物理教育中數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)》為引領(lǐng)，組織了一批關(guān)于物理教學(xué)的文章，以圖勾勒當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)的概況，反映物理教師的教學(xué)水平。在這里尤其要推薦項華副教授的文章，文章闡述了信息時代的科學(xué)形態(tài)在繼實驗與理論之后出現(xiàn)了第三種形態(tài)—計算與模擬。為了深入探討信息技術(shù)與物理教學(xué)整合，文章提出了數(shù)據(jù)素養(yǎng)的概念及其構(gòu)成的指標(biāo)體系；提出了培養(yǎng)數(shù)據(jù)價值感覺，培養(yǎng)數(shù)據(jù)探究意識，培養(yǎng)數(shù)據(jù)探究能力，開發(fā)基于科學(xué)方法的“整合”選修課的提升學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平的建議。希望推薦此文，能對中學(xué)物理教學(xué)的發(fā)展起到方向引領(lǐng)、觀念更新的借鑒作用。

信息時代給科學(xué)教育帶來的挑戰(zhàn)之一是在科學(xué)課程與教學(xué)之中貫徹探究式教學(xué)，挑戰(zhàn)之二是在科學(xué)課程與教學(xué)之中貫徹信息技術(shù)與科學(xué)課程整合(以下簡稱為“整合”)。然而，科學(xué)教育在將探究式教學(xué)與“整合”推向更深層次時卻遇到了困惑與困難。這既有理論研究不足的問題，也有科學(xué)教學(xué)實踐不夠的問題。

一、數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種基于計算機進行數(shù)據(jù)探究的科學(xué)素養(yǎng)

數(shù)據(jù)(Data)是載荷或記錄信息并按照一定規(guī)則排列組合的物理符號,是一種留下明確印跡的信息。數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、文字、圖像,也可以是計算機代碼。對數(shù)據(jù)背景的解讀是獲得信息的一種途徑。

在信息技術(shù)成為社會顯在技術(shù)的今天，科學(xué)素養(yǎng)包含著既相互區(qū)別又密不可分的3個方面，即理論素養(yǎng)、實驗素養(yǎng)和數(shù)據(jù)素養(yǎng)。理論素養(yǎng)是一種基于邏輯運算的素養(yǎng)，實驗素養(yǎng)是一種基于真實實驗的素養(yǎng)，而數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種基于計算機計算的素養(yǎng)。

縱觀科學(xué)發(fā)展史,量化是科學(xué)的重要科學(xué)方法特征。物理學(xué)相對其他理科而言偏向于哲學(xué)的普遍方法層面,堪稱為其他自然學(xué)科的基石。經(jīng)過開普勒、伽利略、牛頓、愛因斯坦等一大批科學(xué)家的努力,物理學(xué)已經(jīng)從萌芽期走向成熟期。形成了一整套成熟的研究客觀世界的方法體系。其中伽利略的工作具有里程碑性質(zhì),他將實驗和數(shù)學(xué)引入自然科學(xué)研究,物理學(xué)因此而獲得突飛猛進的發(fā)展。物理學(xué)的發(fā)展同時也帶動了其他學(xué)科的發(fā)展?？梢哉f,數(shù)學(xué)與實驗是物理學(xué)或者物理教育的兩只翅膀。在電子計算機出現(xiàn)之前的科學(xué)研究中,數(shù)據(jù)是研究目標(biāo)的附屬品,是研究假設(shè)的驗證者。物理學(xué)家主要采用基于數(shù)學(xué)的理論手段和實驗手段來研究物理現(xiàn)象,早期具有良好科學(xué)素養(yǎng)的人應(yīng)該具有理論素養(yǎng)和實踐素養(yǎng)。

科學(xué)發(fā)展到近代,一方面實驗或?qū)嵺`會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù),另一方面模擬也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。雖然計算機可以輔助人們處理數(shù)據(jù),處理速度大約每18周翻一倍，其存儲容量大約每9個月翻一番，但是實驗、實踐或模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)迅速占滿可用的存儲空間。數(shù)據(jù)從來沒有像今天這樣受到如此廣泛地關(guān)注。

面對龐雜的數(shù)據(jù)，研究結(jié)論對數(shù)據(jù)分析方法的依賴性空前增強，數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)隨之產(chǎn)生?？茖W(xué)家和工程師的工作方式也發(fā)生了變化。這些數(shù)據(jù)就像一個金礦，可以從中提取信息，還可以通過數(shù)據(jù)挖掘，將信息轉(zhuǎn)化成為有價值的知識。數(shù)據(jù)挖掘從2005年開始已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域，具體案例涉及物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)、計算機科學(xué)等領(lǐng)域。信息時代的科學(xué)除去理論與實驗，出現(xiàn)了第三種科學(xué)形態(tài)—模擬。

物理學(xué)家的研究方式也發(fā)生了很大變化。首先，學(xué)科邊界走向消融，正像趙凱華先生所說的，有的時候很難從一個物理學(xué)家研究課題的字面意思來判斷他研究的問題是物理學(xué)課題，還是生命科學(xué)課題，或者經(jīng)濟學(xué)課題。我們只能認(rèn)為，只要系統(tǒng)采用物理學(xué)已經(jīng)形成的獨特的研究方法來研究課題，就是在從事物理學(xué)研究。其次，當(dāng)代的物理學(xué)家的工作越來越依賴于科學(xué)共同體的數(shù)據(jù)交流。最后，隨著傳感器等實驗手段和仿真模擬手段的發(fā)展，使得物理學(xué)家面臨海量的數(shù)據(jù)，物理學(xué)家需要采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)挖掘手段發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律。數(shù)據(jù)挖掘在有的時候只能通過觀察數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)而發(fā)現(xiàn)有價值的東西。這和過去傳統(tǒng)的研究范式不同。

總之,一個具有良好科學(xué)素養(yǎng)的現(xiàn)代人除了具有理論素養(yǎng)和實驗(或者實踐)素養(yǎng)之外,還應(yīng)該具有數(shù)據(jù)素養(yǎng)。比如伽利略在教堂做禮拜的過程中利用身體的脈搏計數(shù),發(fā)現(xiàn)了教堂里吊燈擺動的等時性規(guī)律。再如具有數(shù)據(jù)素養(yǎng)的紅學(xué)專家則可以通過統(tǒng)計《紅樓夢》前80回和后40回的文言虛詞的使用頻率來確定《紅樓夢》前80回為曹雪芹撰寫,后40回為他人續(xù)寫。當(dāng)代具有良好數(shù)據(jù)素養(yǎng)的人能夠掌握數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),在海量的數(shù)據(jù)中,探索數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)或者規(guī)律,不斷地挖掘出新的科學(xué)數(shù)據(jù)價值。

二、貫徹數(shù)據(jù)探究是提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平的基本途徑

因為科學(xué)素養(yǎng)包括理論素養(yǎng)、實驗素養(yǎng)和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，所以科學(xué)探究包括理論探究、實驗探究和數(shù)據(jù)探究。探究式教學(xué)是提高科學(xué)素養(yǎng)水平的基本途徑，由此數(shù)據(jù)探究是提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平乃至科學(xué)素養(yǎng)水平的基本途徑。

探討數(shù)據(jù)素養(yǎng)的指標(biāo)構(gòu)造對于評價數(shù)據(jù)探究、引領(lǐng)數(shù)據(jù)探究和提高科學(xué)素養(yǎng)水平具有重要意義。基于數(shù)據(jù)探究的數(shù)據(jù)素養(yǎng)的指標(biāo)構(gòu)造見表1：

一級指標(biāo)二級指標(biāo) 數(shù)字化環(huán)境說明量化的觀念數(shù)據(jù)價值估計數(shù)據(jù)的價值，剔除錯誤數(shù)據(jù)符號感圖景的觀念基于STS理念的數(shù)據(jù)價值取向Excel，計算器，傳感器等數(shù)據(jù)素養(yǎng)數(shù)據(jù)挖掘由數(shù)據(jù)產(chǎn)生科學(xué)問題 SPSS軟件，Excel，Webquest，基于Wifi無線網(wǎng)絡(luò)Wince平臺便攜筆記本計算機等發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)系和結(jié)構(gòu)模糊與統(tǒng)計方法實驗是檢驗量化正確性的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測誤差的意識善于選用或制造觀測工具個體觀測群體觀測運用數(shù)據(jù)控制實驗或者生產(chǎn)傳感器探頭，VB帶線機器人輸入，仿真物理實驗室，頻閃截屏技術(shù)，基于Wifi無線網(wǎng)絡(luò)Wince平臺便攜筆記本計算機，網(wǎng)絡(luò)科技數(shù)據(jù)庫查詢等

由此看出，科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)精神是數(shù)據(jù)素養(yǎng)的重要內(nèi)容。

在物理教學(xué)中，數(shù)據(jù)素養(yǎng)主要體現(xiàn)于：其一，采集實驗或觀察數(shù)據(jù)；其二,計算科學(xué)數(shù)據(jù)；其三，模擬、圖景與思維；其四，交流與傳播科學(xué)知識。其中,模擬既是信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的主要內(nèi)容，又是一種重要的科學(xué)方法或科學(xué)形態(tài)。而數(shù)據(jù)探究是信息技術(shù)融合于物理教學(xué)的重要特征，也是提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平乃至科學(xué)素養(yǎng)水平的重要途徑。

三、提升數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平的建議

基礎(chǔ)物理教育要重視實驗和理論教育，但是也不能忽視數(shù)據(jù)素養(yǎng)教育。創(chuàng)新物理教育，提高物理教學(xué)效率，需要探討基于數(shù)據(jù)素養(yǎng)的物理課程與教學(xué)問題。依據(jù)數(shù)據(jù)探究理論提出如下建議：

1.培養(yǎng)數(shù)據(jù)價值感

物理教學(xué)終究需要解決學(xué)生對物理知識的“信、懂、用”問題，必須將物理知識和實驗經(jīng)驗、生活經(jīng)驗、生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合起來。因此在物理教學(xué)中需要重視數(shù)據(jù)的觀測環(huán)節(jié)，要引導(dǎo)學(xué)生對于一些常見的物理數(shù)據(jù)或者物理量進行估計，并關(guān)注物理數(shù)據(jù)對于自身的意義和價值，還要激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的興趣和習(xí)慣等。

2.培養(yǎng)數(shù)據(jù)探究意識

傳統(tǒng)物理教學(xué)重視培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力,如強調(diào)習(xí)題的演練,但是傳統(tǒng)物理教學(xué)對數(shù)據(jù)探究意識和能力培養(yǎng)重視不夠。需要加強練習(xí)或者新授課中的思想實驗訓(xùn)練,發(fā)揮圖景素養(yǎng)作用,幫助學(xué)生由模仿走向創(chuàng)新。數(shù)據(jù)探究意識首先表現(xiàn)為量化的意識。

3.培養(yǎng)數(shù)據(jù)探究能力

探究式教學(xué)不僅包括實驗探究和理論探究，還包括數(shù)據(jù)探究，因此在物理教學(xué)中還應(yīng)該重視數(shù)據(jù)實驗，特別是數(shù)據(jù)挖掘的方法教育。在數(shù)據(jù)的獲取(選定待研究的數(shù)據(jù)集、選擇合適的信息源)，數(shù)據(jù)的存儲(剔除冗余數(shù)據(jù)，選擇易用的存儲形式)，數(shù)據(jù)的分析(選定分析方法，知識發(fā)現(xiàn)，找到或修正研究問題)，數(shù)據(jù)的表達(dá)(選定表達(dá)形式，共享成果)中蘊含的大量數(shù)據(jù)探究方法和技巧。善于選用文字處理、圖像處理、信息集成的數(shù)字化工具，對物理知識內(nèi)容進行重組、創(chuàng)作和研究。

4.開發(fā)基于科學(xué)方法的“整合”選修課

后現(xiàn)代教學(xué)觀認(rèn)為，教學(xué)應(yīng)該注重具有普遍意義的方法教學(xué)。數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源和數(shù)字化學(xué)習(xí)方式為“整合”提供了必要條件?！罢稀毙枰幚砗门c傳統(tǒng)物理課程的關(guān)系，開設(shè)基于科學(xué)方法的“整合”選修課程。

[1]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理新課程教學(xué)概論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2008

[2](印度)西蒙著，范明，牛常勇譯.數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

[3]項華.信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合導(dǎo)論[Z].北京師范大學(xué)研究生講義，2009

2010-12-01

項華，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。

北京市“十一五”規(guī)劃課題“數(shù)字科學(xué)家計劃：基于數(shù)據(jù)探究的物理選修課程建設(shè)與研究”(編號：DBB10077)。