设计介入青少年数据概念的培养

卜佳嫒

关键词：青少年 数据 基于设计的学习 21世纪技能

引言

在过去的及时年里，数字技术对人们的日常生活产生了越来越大的影响，这种变化同样也影响到了青少年的日常学习和生活。“21世纪技能”（21st Century Skills）被认为是当代青少年适应未来生活所应该具备的基本技能。21世纪技能包括以下三个方面的内容：学习与创新技能，数字素养技能以及职业和生活技能，如图1所示。学习与创新技能包括：批判性思考、解决问题的能力、沟通与协作的能力、创造和革新的能力。数字素养技能包括：信息素养、媒体素养、信息与通信技术素养。职业和生活技能包括：灵活性与适应能力、主动性和自我导向、社交和跨文化交流能力、高效的生产力、领导力和责任感等。国内外的一些学校已经开始引起重视，并在日常教育中渗透这些能力的培养。

在数字素养的培养上，国内外的一些学校已经开始采取一些行动。比如增设相关课程，引进相关教材器具等。学校之外的一些教育机构也逐渐开始开设主打编程教育的特长班。一些玩具和教育厂商也在积极地开发培养青少年数字素养的玩具和教材。

数据概念的培养，在数据时代的背景下，理应成为数字素养教育中的基础和重点。本研究的主要目的，就是探寻行之有效的方法，帮助青少年建立对“数据”这一概念的初步认识。

一、基于设计的学习（Design-based Learning）的发展现状

基于设计的学习，被作为一种方法，用于教授21世纪技能。早在20世纪80年代，加州州立理工大学教授Doreen Nelson就提出了基于设计的学习的概念，它是一种探究性的学习方法，可以让青少年在这个过程中学到更多并提升综合素质。笔者在荷兰作交换生的时候，有机会参观当地的一所中学。基于设计的学习方式已经在技术课堂上得以应用，在老师的引导下，学生们提出问题，分析问题，并试图解决这个问题，该学校也已经引进乐高的相关教程，学生可以完成模型组装后并用软件控制这些模型。在这样的课堂中，学生更具主动性和挑战性，能力也得到更大的提升。基于设计的学习方式，也是本文在探索帮助青少年建立数据概念的方法的过程中，始终关注的部分。

二、青少年数据概念培养过程中的难点

（一）概念本身抽象难懂：剑桥词典将数据（Data）定义为“信息，尤其是事实或数字，收集起来用于审查和考虑，并用于帮助决策，或以电子形式存储和使用的信息”，将大数据（Big Data）定义为“由使用互联网的人员生成的非常大的数据集只能通过特殊的工具和方法进行存储，理解和使用”。现代生活中，人们虽然每时每刻都在接触数据、产生数据，但是数据作为计算机专业术语，再加上无形、种类多等特点，很难让人们形比较清晰和全面的概念，对于认知能力有限的青少年来说，认识和理解数据变得更加困难。如何将抽象的概念以相对具体和有趣的方式呈现并使得青少年能与之互动成为本研究的难点之一。

（二）青少年的兴趣难以调动：由于抽象难懂这一特点，青少年并不知道如何获取相关的知识，也不愿意主动接触这方面的内容。在引导他们学习的过程中，如何将抽象的内容具体化，让学习的过程变得有趣，激发青少年主动探索的欲望并结合他们的兴趣点，成为培养青少年数据概念过程中基础的一环也是十分重要的一环。

（三）很难和现有教育体系结合：传统的中学教育中，其实已经涉及数据相关知识的教育。比如数学学科中有统计学、图表方面的知识，物理学中有速度、加速度等数据，生物学中有心跳、呼吸等生理数据，但是教育过程更加偏重于计算、绘图、逻辑和记忆方面的内容，没有在教育的过程中介入数据概念的培养。这一方面是由于教师自身对于数据知识的匮乏，另一方面也是因为受到紧张的教学计划的限制。另外，由于不同学科之间的交流机会比较少，学生也很难把不同课堂拥有的资源和学习的知识进行融合，老师也没有时间和精力了去研究自己学科之外的内容，这也使得数据概念培养时，跨学科数据的利用成为一大困难。如果能将数据概念巧妙结合进现有的课堂，并实现不同课堂之间数据的共享，将会给中学生数据概念的培养带来事半功倍的效果。

（四）很难寻找与日常生活的结合点：说到数据，人么最先想到的是储存在计算机里面的数据，会认为高深莫测，离我们的生活十分遥远。这也是在青少年数据概念培养过程中的一个难题。但其实，数据往往是可以和人们的日常生活结合在一起的。人们在社交网络上的每一个行为会存储为一种数据，人们每天走的步数通过计步器统计并记录下来也是一种数据，被抛掷起来的球体的速度、加速度、高度、运动轨迹也都可以储存为一种数据，如果能把数据的概念结合进青少年的日常生活，将会更加有利于他们对于数据概念的理解，同时也能更好地激发他们的兴趣。因而如何找到和青少年生活的结合点，需要大量的用户观察和调研，对于设计的实施有至关重要的作用。

（五）没有合适的教材教具：说到数据概念的培养，这个概念对于老师来说同样很抽象，他们也并不知道要教些什么、要怎样教、又怎样和自己已经有的课程体系相结合，因而老师也需要一套系统的指南来指导自己如何展开数据概念的教学。因而本次设计的难点不仅在于设计教材教具供学生使用，设计教育的辅助工具供教师使用也是同样重要的。目前市面上有针对青少年科学技术科普的书籍，有帮助他们培养编程能力和逻辑思维的设备，在研究领域也有根据相关教育理论开发的给老师使用的辅助课程设计的工具。这些都对项目的设计有一定的参考价值。

三、设计介入的要点

（一）跨学科：该研究首先确定了跨学科的方法对于数据概念的培养是有意义的。有学术研究表明，学科中的关键知识如果能在多学科情境下实践，同一个概念如果能放在不同的情境之下，会促进我们对概念的理解。基于这一研究基础，我们展开对于学校中跨学科合作可行性的研究。通过调研发现，教师对于跨学科的方式是十分认可的，认为跨学科的方式有助于学生的理解和学习，并且教师也有意愿和其他学科的老师进行合作式教学。但是，教师也表示出跨学科合作中遇到的困难，比如不知道如何着手跨学科合作，担心占用太多时间影响正常科目的学习等。因而我们最终确定的设计方向是，數据概念的教育应该是跨学科的，但是该教育系统会有统一的跨学科合作规划来指导教师如何展开跨学科合作，通过这样的方式来保证跨学科合作的效果，也让老师更加清楚自己要做的事情。

（二）产生数据.分析数据.运用数据全流程的培养：培养过程不仅应该是跨学科的，也应该是全流程的。全流程也建立在跨学科的基础上。这样学生可以在A课堂制作用于收集数据的设备，在B产生数据，在c课堂分析数据，最后在D课堂运用数据。比如，在通用技术课上，学生自己动手制作了用于收集数据的设备。接着他们携带这个设备来到了体育课堂，在进行体育运动、体质测试或者游戏的时候获得一系运动相关的数据。接着，他们携带这些数据来到了物理课堂，在学习运动相关的知识的时候，他们可以拿出这些数据，进行速度、加速度、抛物运动、时间、距离等概念的解释，可以参照运动产生的可视化图形来猜测运动的时候人的行为发生了哪些变化，甚至是运用学生自己的数据进行一些复杂的物理计算。最后，在艺术课堂，学生可以尝试将数据进行可视化展示，或者运用已经生成的数据图形进行一些艺术创作。如果有需要，学生最后还也可以回到技术课堂，对整个学习过程进行反思和总结，对相关数据的概念进行深化理解，实现了整个学习过程的闭环。对于学生来说，他们不仅学习到了数据相關的知识，也对其他合作学科的相关知识有了更好的理解，分析问题和逻辑思维的能力也得以提升。对于授课老师来说，原本晦涩难懂的知识点变得更加具体，学生的学习兴趣因为自己数据的介入得到了充分调动，教学效果也会产生明显提高。最为重要的是，一次产生的数据，可以被多个课堂进行多次利用，没有浪费数据，没有让学生们只是沉浸在产生数据的快乐中，对数据进行了最充分的利用。

（三）学生自己产生数据：人们总是倾向于关注和自己相关的内容，对于青少年来说更是如此。股市的数据、人口大数据可能并不能引起青少年对于数据概念的兴趣，但是如果数据是与青少年日常生活息息相关并且是他们自己产生的数据，那么，会对他们产生非常大的吸引力。这一点也是我们在用户访谈过程中的出的结论。在这种使用情境下，每一个数据都反映了用户的行为变化，用户甚至可以通过控制行为来影响数据的变化。比如学生可以通过加速跑的方式来使得自己的心跳加速，也可以通过抛掷球的高度和方向来影响球体的运动轨迹，在这些过程中，学生可以很容易发现自己行为和数据变化之间的关系，发现其中的乐趣，锻炼思考和分析的能力。潜移默化的过程中，学生就掌握了数据连续和中断、数据的影响因素等概念。同时，通过为每一位学生建立数据储存的账号，学生可以对自己感兴趣的数据进行长时间的记录和观察，通过数据的对比，无效数据的管理，来对数据有更加深刻的理解。与此同时，学生也会更加关注自身行为，更加了解自己，这也算是该教育系统的一个附加价值。

（四）软硬件结合：该方案对于数据主要有两方面的需求。一方面，需要对数据进行收集和采集，这就需要一个装有不同传感器的硬件设备，青少年可以与之互动产生数据。另一方面，需要呈现数据。这就需要一个软件界面来将数据可视化呈现在上面，方便学生查看和分析。因而该产品是一件软硬件结合的产品。和现在市面上已经有的能够获取数据的硬件不同，这个硬件将是由学生自己拼装组成的，同时也是个性化的，学生可以根据自己的兴趣点选择相应的传感器并制作不同的设备形状。这样不仅有利于增进学生对于数据概念的理解，也能提升他们的动手能力。而且基于硬件这一实体设备的学习，也能让学习的过程更加具象化。

（五）教师更加自由化的课程设计：尽管系统会给老师提供给一份指南来指导教师的课程设计，但是通过对老师的调研我们发现，对于教师来说，灵活性是他们认为授课过程中的一个十分重要的因素。灵活性主要表现在三个方面。即不同学科的老师可以结合自己的课程需要对该教育系统进行灵活应用;老师可以根据学生的不同水平对于教学计划作出灵活的调整;学校可以根据自己的教学计划来安排教学所持续的时间。因而，该方案对于教师课程的指导不是固定不变的，而是可以加入自己的想法，灵活修改的。教师课程设计指南基于已有的理论研究.教育蜘蛛地图（Educational Spider Map），如图2所示。

图3中的表格涉及课程设计过程中所应该考虑的一系列问题，如：学习的目标、内容、方式、教材、地点、时间、教师的角色、评估的标准等。教师课程设计指南从这十个方面对老师的课程设计进行引导，帮助老师明确设计课程时所应该考虑的维度，有助于提高老师课程设计的质量和速度，同时又给老师提供了较大的设计空间。

四、各相关配件设计

产品最终以工具箱的形式呈现，学生用的工具箱中包含：模块化智能硬件、pc端软件和任务卡片。教师的工具箱中还会额外包含教师课程设计指南。

（一）模块化智能硬件：该硬件如图4所示：学生拿到工具箱的时候，该硬件并未拼装完成，仅仅是六边形薄片、Arduino板、一系列传感器等元件和一些制作过程中会用到的工具。学生需要自行组装，将这些零散的元件组成不同的模块单元，这里模块单元分为：电池模块、Arduino模块和传感器模块，不同模块用不同的颜色表示，学生可以利用这些模块进行单一传感器或多传感器设备的组装。是一个从元件到模块到设备的过程。在这个过程中，学生对于这些电子元件会有更加深刻的认识、动手能力和合作能力得以提升。而产出的设备也是完全个性化的，每个设备形状和功能都会不尽相同。这个设备用于收集各种学生们感兴趣的数据，供之后的数据分析和运用过程使用。

（二）PC端软件：图5为PC端软件显示的数据动态图形。学生和硬件互动时产生的数据会实时地反应在页面上。学生可以通过观察发现自己行为和数据之间的关系，找到影响数据变化的因素等。除了实时显示数据可视化图形这一功能之外，软件还可以图片或视频的形式记录某一时刻的数据图形或某一时间段的数据变化，这些图片和视频可以发送至软件自带的社群当中，学生之间可以相互交流，教师也可以将这些素材运用到自己的课堂之中，比如让同学们猜测这是哪一位同学的数据，分析当时发生了什么等。老师也可以在平台上发布一些主题挑战，调动学生们的积极性，做出更多的探索。

（三）任务卡片：任务卡片根据传感器不同，分为不同类别，每个类别下面又有可以训练到不同方面能力的各种任务。任务卡片是一系列纸质卡片，卡片的颜色和传感器模块的颜色一致，卡片形状为三角形，多个三角形拼合在一起可以形成五边形，这也是每名学生所应该完成的最低标准的任务数量，如图6。卡片上会标明任务的难度和训练的能力，方便学生根据自己的需要进行选择，也方便老师为不同年级的学生选择对应的任务。之所以没有将任务卡片做成电子版本放在软件中而是做成实体卡片，目的在于通过这种可以触摸的方式，让已经完成的任务和未完成的任务更加直观，学生因此可以明确自己的进程，并且可以获得更大的成就感，老师也可以通过卡片更加方便地了解每一位学生的情况。

（四）教师课程设计指南：教师课程设计指南以一张大卡片的形式存在，工具箱中会为老师提供多张该卡片供老师使用，如图7。卡片上显示的是教育蜘蛛地图（Educational spider Map）上所涉及的内容，教师完成一张卡片的填写之后，会更加明确把握课程的设计方向。

除此之外，还有三张基于教育蜘蛛地图的课程计划参考，如图8。展现了不同课程间合作的三种可能。横坐标表示不同的课程科目，纵坐标即为教育蜘蛛地图的不同方面。能在老师不知道如何设计课程的时候提供选择，也能够帮助老师产生灵感。

结论

文章研究设计介入青少年数据概念培养的问题，研究过程进行了大量的用户访谈和文献查阅工作。最终形成了一套能够与现有教育体系相结合的、从产生数据到分析数据，再到运用数据的全流程的教育体系，在这个过程中，学生能够对数据产生兴趣，对数据概念有初步了解。动手能力、解决问题的能力、与人合作等能力也能有所提高。该产品系统在学校的测试中，也得到老师和学生的良好反馈，证明跨学科合作、基于动手的学习等形式在青少年数据概念培养过程中的有效性。

模块化的设计理念使得产品具有很强的可拓展性，随着传感器的数量和种类的扩展，学生可以进行更加丰富、深入的数据研究。

当然现有系统也存在一些不足。比如产品材质的选择不够耐用，数据可视化过程中的一些技术实现问题等。这些都是产品在日后的迭代过程中所应该着重关注的问题。