以物理教育为例 谈信息时代的数据素养

　　信息时代给科学教育带来的挑战之一是在科学课程与教学之中引入探究式教学，挑战之二是开始将信息技术与科学课相整合。尽管当前在科学教学的理论与实践中取得了一定的进步，但是不少一线教师在进一步将探究式教学与信息技术整合推向更深层次时却遇到了困惑。这里既因理论研究不足掣肘所致，也存在理科教学实践不够的问题。
　　一、数据素养与科学素养
　　数据是记录信息并按照一定规则排列组合的物理符号，是一种留下明确印迹的信息。数据可以是数字、文字、图像，也可以是计算机代码。对数据背景的解读是获得信息的一种途径。
　　科学发展到近代，一方面实验或实践会产生巨大的数据，另一方面，模拟也会产生大量的数据。虽然计算机可以辅助人们处理数据，其速度大约每18周增加一倍，其存储容量大约每9个月翻一番，但是实验、实践或模拟产生的数据迅速占满可用的存储空间，数据从来没有像今天这样如此膨胀。
　　面对庞杂的数据，研究结论对数据分析方法的依赖程度空前加强，数据挖掘和知识发现随之产生。这些数据就像一座金矿，既可以从中提取信息，也可以通过数据挖掘将信息转化成更有价值的知识。数据挖掘从2005年开始已经成为热门的研究领域，具体案例涉及物理学、环境科学、经济学、生命科学、管理科学、计算机科学等几乎所有科学领域。信息时代的科学除了理论与实验之外，出现了第三种科学形态——模拟。
　　物理学家的研究方式也发生了很大变化。首先，学科边界走向消融，正像赵凯华先生所说的：有的时候很难从一个物理学家研究课题的字面意思来判断所研究的问题是物理学课题，还是生命科学课题，抑或是经济学课题。我们只能认为，只要系统采用物理学已经形成的、独特的研究方法来研究课题，就是在从事物理学研究。其次，当代物理学家的工作越来越依赖于科学共同体的数据交流。再次，物理学家面临海量的数据，需要采用现代数据挖掘手段来发现科学规律。这和过去传统的研究方式有所不同。
　　一个具有良好科学素养的现代人除了具有理论素养和实验（或者实践）素养外，还应该具有数据素养。例如，伽利略在教堂做礼拜的时候，利用身体的脉搏计数，发现了教堂里吊灯摆动的等时性规律。再例如，具有数据素养的红学专家则可以通过统计《红楼梦》前80回和后40回中文言虚词的使用频率，来确定《红楼梦》前80回为曹雪芹撰写，后40回为他人续写。当代具有良好数据素养的人能够掌握数据挖掘技术，在海量的数据中探索数据的关联或者规律，不断地挖掘出数据新的科学价值。
　　二、数据素养的指标体系
　　数据素养的核心是信息时代的科学思想、方法、习惯和精神。提高学生探索兴趣，帮助学生掌握科学方法，是提高数据素养水平的重要途径。数据素养是科学方法、信息技术和人文精神的整合。理论素养、实验素养和数据素养构成了所谓的科学素养。
　　三、数据探究是理科整合的核心特征
　　我国的物理信息技术教育起步较晚，始于20世纪80年代，但发展很快，其间经历了三个阶段：计算机固定课件开发阶段、平台加“积件”阶段、信息技术与物理课程整合阶段。
　　所谓的整合是指在数字化物理教学环境中，以提高学生科学素养水平为目的、以提高学生数据素养水平为抓手、以实现主流学习范式从被动接受走向自主合作创新为目标的一种物理教学方式。将这种教学方式和传统教学方式结合起来，可以形成更加丰富的教学策略、教学方法或者教学模式。同时，这种教学方式可以引领物理课程与教学走向创新。
　　显然，理科整合主要体现在三个方面：其一，采集实验或观察数据，其二，计算科学数据，其三，模拟、图景与思维，其四，交流与传播科学知识。其中，模拟既是信息技术与物理教学整合的主要内容，又是一种重要的科学方法或科学形态。
　　整合具有三种不同层次的境界。其一，在物理课程中生硬地应用信息技术，这是一种较低层次的整合。其二，能够熟练、合理地应用信息技术，辅助物理课程与教学。其三，在第二个层次的基础之上，能够适时、适当地选用信息技术，同时能够体现主流学习范式从被动接受转向自主、合作、探究这个最高境界。目前，我国的理科与信息技术相整合的整体水平仍然较低，处于第二层次甚至是第一层次。
　　整合给物理教育提出了挑战，也提供了创新的机遇。信息时代的物理教育受到了系统化思潮的影响。从理论上来讲，可以通过选用恰当教学手段，将任何知识传递给任何年龄的学习者。整合能够提高物理教育效率，真正实现物理教育“跨越式”发展，即通过数据资源共享和交流，实现科学教育的空间跨越；通过数据实验和交流，将前沿知识向低年级传授，实现物理教育的时间跨越；通过数据挖掘，实现学科教育跨越；通过整合，优化物理教育系统的结构，有效实现物理教育总目标。
　　探究式教学有三种形式：理论探究、实验探究和数据探究。这三种探究形式是同一事物的三个不同侧面，各有其核心特征。理论探究的特征是侧重于从逻辑角度来看待探究，实验探究是从真实实验的角度来看待探究，而数据探究则是从计算机角度来看待探究。三者密切相关，但各有侧重。数据探究是理科整合的重要特征，也是提高数据素养水平乃至科学素养水平的重要途径。
　　四、关于提升数据素养水平的建议
　　基础物理教育要重视理论和实验教育，但也不能忽视数据素养教育。创新物理教育，提高物理教学的效率和质量，需要进一步探讨基于数据素养的物理课程与教学问题。依据数据素养的指标体系，笔者提出如下建议：
　　其一，培养数据价值感。物理教学终究需要解决学生对物理知识的“信、懂、用”，必须将物理知识与实践经验、生活经验、生产经验结合起来，因此在物理教学中需要重视数据的观测环节。教师要引导学生对一些常见的物理数据或者物理量进行估计，并关注物理数据对于自身的意义和价值，激发学生科学探索的兴趣和习惯。
　　其二，培养数据探究意识。传统物理教学重视培养学生数据处理能力，比如强调习题的演练，但是传统物理教学对数据探究意识和能力培养重视不够，需要加强练习或者在新授课中加强思想实验训练，发挥图景素养作用，帮助学生从模仿走向创新。
　　其三，培养数据探究能力。探究式教学不仅包括实验探究和理论探究，还包括数据探究，因此在物理教学中还应该重视数据实验，特别是数据挖掘的方法教育。在数据的获取（如选定待研究的数据集、选择合适的信息源），数据的存储（如剔除冗余数据、选择易用的存储形式），数据的分析（如选定分析方法、发现知识、找到或修正研究问题），数据的表达（如选定表达形式、共享成果）中蕴涵大量数据探究方法和技巧，教师要善于选用文字处理、图像处理、信息集成的数字化工具，对物理知识内容进行重组、创作和研究。
　　其四，开发基于科学方法的整合选修课。后现代教学观认为，应该注重具有普遍意义的方法教学。数字化学习环境、数字化学习资源和数字化学习方式为整合提供了必要条件。整合需要处理好与传统物理课程的关系，开设丰富多彩的整合选修课程。目前，北京师范大学物理学系已开设了中学“数字科学家计划”选修课程，将传感器、数据探究和网络主题探究结合起来，在协同学习环境中培养学生探究兴趣，发展学生的高级认知能力。
　　
　　（作者单位：北京师范大学物理学系 北京景山学校）