初中科学教材插图数据图像化处理特点与教学研究

阮庆元

[摘 要] 浙教版初中科学教材编排了30多幅关于数据图像化处理的插图，主要包括圆饼图、条形图、折线图和面积图。圆饼图反应的是事物局部与整体关系；条形图反应的是不同局部对同一指标所表达显著程度；折线图反应的是变化趋势；面积图强调总值趋势变化。以这四种图像的构成特点为基础，实现初中生数据图像化处理意识、数据图像化处理技巧与能力的培养，从而提升初中生理性思维能力。

[关键词] 数据图像化；信息处理；教材插图

数据是对事实、概念或指令的一种表达形式。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中，抽取并推导出对于处理者来说是有价值、有意义的数据。数据图像化处理是数据可视化处理的重要方法，是一个转化、解释的过程，将赋予数据一定的意义而成为信息，从而实现直观地洞察数据所隐藏的事物特征与变化规律。在这大数据时代，正确掌握处理数据的方法、提取有价值的信息，并做出切实有效的决策，是现代人所应具备的基本能力。

浙江省在20世纪90年代初的基础教育课程教材改革时，在初中阶段实施了综合科学课程，教材以丰富的插图与文字互为补充，关于数据图像化处理的插图有37幅，其形象、便于理解的特性，实现了对数字的逾越与延宕，直观地传递出丰富的信息。数据图像化处理的形式选择与结果呈现，无不体现着理性的思维与科学的方法，这对于思维特征处于形象思维向理性思维过渡阶段的初中生，更能收到事半功倍的教学效果。

一、圆饼图

“土壤成分”，教材编排了五个学生实验，从定性的角度认识土壤的组成，再通过土壤中空气体积分数等的测定，定量认识土壤各成分占比，使学生获得大量的数据。然后教材再以插图的形式呈现了实验数据的处理，如图1所示，使壤土类土壤的组成结构跃然而出。

从圆饼图的构成看，其主要构成是将圆饼拆分成的若干个扇形，标注的比例和提示性文字。从圆饼图的信息表达看，一个圆代表着整体，每个扇形面积代表着局部。从圆饼图的功能实现看，反应了局部与整体的关系，即局部在整体中的所占比重。

因此，可以在图1基础上根据其不同组分的占比变化，推演出砂土类土壤、黏土类土壤的组成结构特点。在推演中，随着某些成分在整体中占比的增加，由于总量为定值，另一些组分占比必然随之下降。通过对圆饼图的解读，挖掘其隐藏的思维方法，使学生明白系统内的各局部不是单纯叠加或机械堆积，而是相互关联、相互影响。当其占比发生变化时，会导致整体具有某种新的属性和新的规律产生，从而初步形成整体与局部的关系，是反映客观事物的统一性和可分性的基本观点。

教材中，数据以圆饼图作为处理形式的插图：

①七年级上册（图2-43），脊椎动物与无脊椎动物的比例；七年级下册（图1-19），全国人口普查时老人的比例

②八年级上册（图1-1），水的分布；八年级下册（图2-25），地壳和人体里所含各种元素的质量分数；八年级下册（图4-14），壤土类土壤的组成；八年级下册（图4-43），陆地面积和农用耕地

③九年级上册（图3-74），汽车的能耗分配图；九年级上册（图3-95），放射性的来源；九年级下册（图3-15），致癌因素示意图；九年级下册（图4-18），能源消耗结构

二、条形图

“来自微生物的威胁”，教材先呈现一张不同季节男女生患流感人数的统计表，再对数据进行处理，如图2，不同性别、不同季节患流感情况对比清晰可见。

从条形图的构成看，其主要构成是在一个直角坐标系上构建若干个矩形，并标注相应的信息。从条形图的信息表达看，每个矩形高低代表相应条件（对应于横坐标）指标的显著程度（对应于纵坐标）。从条形图的功能实现看，反映了不同局部之间的关系，即局部与局部对同一指标所表达的显著程度。

因此，在不同季节流感的传播性调查，通过条形图即可清晰反映作为整体（年）中的不同局部（季节）差异，即春季发病率明显高于其他季节，夏秋季发病率较低等；以及男女生在同一季节里的被感染情况，等等。通过对条形图的解读，学生明白局部与局部之间定量的对比关系，不仅体现于不同条件下对同一指标达成的差异，更是反应条件对局部变化的影响，整体中每个局部都相对于整体存在，当局部以合理的结构构建整体时，整体的功能就会大于局部功能之和。从而在思维层面培养学生学会优化结构，夯实局部，使整体功能实现最大化的基本思想。

教材中，数据以条形图作为处理形式的插图：

①八年级上册（图1-61），我国东部地区人均水资源拥有量随维度变化图

②九年级下册（图2-14），2010年中国人口金字塔；九年级下册（图3-8），不同季节患流感的人数；九年级下册（图4-4），能源消耗增加；九年级下册（图4-6），百户家庭汽车拥有量；九年级下册（图4-10），1990～2050年世界各类能源需求量变化

三、折线图

“人体的激素调节”，教材在胰岛素与血糖含量学习后，呈现正常人血糖含量变化曲线，如图3。

从折现图的构成看，其主要构成是在一个直角坐标系上反应某应变量随着某自变量的变化。从折线图的信息表达看，折线上的每一個点都是自变量与应变量之间的一一对应。所有点连成的曲线高低波动，反映了应变量变化的趋势，从而实现对应变量未来走向的预测与推断。

因此，从曲线纵向起伏推理正常人的血糖含量处于一个动态的平衡之中，从曲线横向走向可以推演血糖含量仍将围绕一定的值上下波动，即处于动态平衡。根据折线的变化、特点对数据进行简单的分析、判断和预测，这是折线图法区别于表格法和其他图像处理法最重要的功能。从而培养学生以发展的眼光去看待事物，一切事物都是变化发展的，它不但体现事物不断更新，更反映了运动变化是物质的根本属性。

教材中，数据以折线图作为处理形式的插图：

①七年级上册（图4-39），牛奶加热温度变化；七年级上册（图4-46），晶体熔化图像；七年级上册（图4-47），非晶体熔化图像；七年级上册（图4-49），晶体和非晶体的凝固图像；七年级上册（图4-61），液体沸腾曲线；七年级下册（图1-11），人的生长曲线；七年级下册（图4-3），太阳黑子的数量变化

②八年级上册（图2-1），大气温度的垂直分布；八年级上册（图2-54），5000年来中国气温距平变化；八年级上册（图4-21），心电图；八年级上册（图3-11），正常人的血糖含量变化曲线；八年级下册（图3-99），不同海拔的臭氧浓度

③九年级下册（图3-19），正常人和糖尿病患者血糖含量的变化；九年级下册（图4-2甲），世界人口增长曲线；九年级下册（图4-20），全球年平均气温的变化；九年级下册（图4-21），大气中二氧化碳浓度的增加

四、面积图

“人类的发展和环境问题”，教材呈现不同发展水平国家的人口增长，如图4。

从面积图的构成看，其含有一条或多条曲线，类似于折线图，因此可以从曲线上看到整体变化的趋势，但它还可以表达的是曲线与横坐标即横坐标上对应某一自变量值围成的面积，强调的是数量随自变量的变化下总值趋势的变化。

因此，在人类发展与环境的学习中，各种颜色的曲线不但反映了各不同发展水平国家在不同时间的人口变化趋势，其围成的面积教材以不同的颜色呈现，帮助学生直观地认识到总量概念与总量的变化，以及未来的预测。这是单纯的圆饼图、条状图、折线图等无法比拟的。通过对面积图的解读，使学生明白存在多条折线时，其围成的面积除了总面积还有分项面积，则面积图除了展示总值的变化外，还可以展示不同分项值的变化，体现部分与整体的关系及发展态势。

教材中，数据以面积图作为处理形式的插图：

①七年级下册（图4-21），北纬40°地区昼夜长短的年变化

②九年级下册（图4-2乙），不同发展水平国家的人口增长曲线

数据的图形处理通常还有散点图、组合图，等等。教材对数据图像化处理虽然只采用上述四种形式，但从初中生认知特征看，初中阶段是形成数据分析、处理意识的关键时期，数据图像化处理的插图不但引起学生关注和重视，还为初中生数据图像化处理提供处理的模板；从学科特征看，不管是哪种图形处理方式，都是作为工具学科的数学统计学与概率学具体实践演绎，更为重要的是数学提供了科学的法则——即严格地分析科学概念和数据原则，即使初中生对数据不仅仅停留在获取层面，而是进入处理的方法选择、技巧利用层面。

当前，我们的世界已经进入信息化时代，信息的大数据存在需要合适的处理、架构使数据直观地呈现出来显得日益重要，从关于数据处理的插图入手，让学生学会揭示数据掩藏的规律及其本质，既培养了初中生数据处理能力，也提升初中生理性思维能力。

[参 考 文 献]

[1]杨菊华.社会统计分析与数据处理技术——STATA软件的应用[M].北京：中国人民大学出版社，2008.

[2]方红峰.浙江：为所有人的初中科学课程[J].基础教育课程，2010（6）.

[3]朱清时.义务教育教科书·科学[M].杭州：浙江教育出版社，2012.

[4]王耀村.浙教版初中《科學》教科书编写特点探究[J].教学月刊·中学版，2013（11）.

[5]美国科学促进会.中国科学技术协会译.面向全体美国人的科学[M].北京：科学技术普及出版社，2004.

[6]张定强，蒋会兵，王旭阳.高中生数据处理能力现状调查及教学启示[J].数学教育学报，2016（4）.

（责任编辑：张华伟）