加强科学实践，提高学生数据素养

沈跃群

【编者按】数据意识是新时代每一个学生必须具备的科学素养。《义务教育科学课程标准（2022年版）》中“利用测量获得的数据描述物体的某些特点”的提法，以及运用数据等描述系统的结构、关系及变化过程，都强调了数据的重要性。

教学中，教师应当引导学生正确认知数据的意义和价值，引导学生分析数据、应用数据，发展数据意识，为提升科学素养打下坚实基础。具体而言，教师可从催发数据需求、经历数据搜集、讨论分析数据、反思数据误差和弥补数据缺失等方面入手，切实培养学生的数据意识。本专辑的两篇文章对此进行了探索。

【摘 要】信息化时代，数据素养已成为当代学生必备的科学素养之一。良好的数据素养可以帮助学生正确判断事物并做出决策。在教学中，加强科学实践，通过课外数据调查，运用数据观察描述事物特征和变化，沿着思维发展阶梯有层次地分析解读数据等实践活动，可有效提高学生数据意识、数据能力、数据伦理等数据素养。

【关键词】科学实践 数据素养 教学策略

学生的数据意识、数据知识、数据能力、数据伦理等数据素养需要教师有意识地培养。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）指出，“利用测量获得的数据描述物体的某些特点”“利用观察、实验等各种方法获得数据，用科学语言、概念图、统计图表等对数据进行整理分析，运用所学科学原理、思维方法和数学方法处理数据，建构解释，得出结论，判断结论与假设是否一致”。因此，会用数据表征物体的某些特点，会收集准确的数据并对数据进行科学分析，解读数据得出基于数据的结论，是重要的科学探究能力。

一、科学实践在培养学生数据素养中的作用

1.提供真实数据情境。

核心素养是个体在与各种真实情境持续的互动中，不断解决问题和创生意义的过程中形成的。离开科学实践，学生的数据素养无法得到有效培养。通过课内、课外多形式的科学实践活动，让学生亲身经历数据的收集、处理、分析和应用过程，从而深入了解数据在生活和科学研究中的意义和价值，可以帮助学生更好地理解数据、应用数据。

2.增强数据处理技能。

在科学研究中，学生需要提出问题，收集有效数据、处理和分析数据、解读数据背后的意义、运用数据进行决策等，这些技能的获得离不开科学实践。丰富多样的科学探究、工程实践活动可为学生提供训练场，提高学生数据处理能力。

3.培养数据分析思维。

数据分析、数据建模、基于数据得出结论并推理论证、运用数据分析方法创造性解决问题，这些思维能力的培养都离不开科学实践。科学实践有助于发展学生的逻辑思维和数据分析能力。

4.提升数据表达能力。

在科学实践中，学生需要将分析结果以适当的方式呈现出来；在研讨交流过程中，团队成员需要相互协作、交流和分享数据、信息，在交流中理解他人的数据和观点，学会对数据质疑，并表达自己的数据见解。这些有助于提升学生的数据表达能力。

二、提高数据素养的路径和方法

1.开展生活调查，增强数据意识。

数据意识即对数据的敏感性和认知能力，能够意识到数据在解决问题和决策中的重要性，以及能够主动地去寻找、获取和利用数据。生活中的数据无处不在，缺少的是得到关注。在毫升概念建构过程中，教师可引导学生做课外调查，在家中或超市调查10种以上液体容积，并做好记录；返校后，在实验室抽签完成挑战性任务，用550毫升的矿泉水瓶取500毫升、250毫升、300毫升和200毫升水，4人组成一个小组，每人抽到不同签，误差在10毫升以内的为优秀。这个活动引发学生参与热情，在调查中学生发现，某饮料满瓶正好是500毫升，且矿泉水瓶中间凹凸设计有数据意义，云纹线下第5条沟正好是250毫升。而生活中，厨房中的米醋、酱油等瓶子都可以成为量器。

其他还有很多物理量同样可以通过调查、挑战性任务测试等方法进行训练，如质量单位“克”，教师可引导学生知道50克相当于一个鸡蛋的质量，100克相当于一杯小酸奶的质量，以此增加学生生活中的数据经验，使其加强感知，形成主动关注意识的习惯。

2.引导数据描述，提高表征能力。

《课程标准》提出，“利用测量获得的数据描述物体的某些特点”“运用数据等描述系统的结构、关系及变化过程”，都强调了用数据描述的重要性。数据是物体某个特征的重要指征，如矿物硬度，学生阅读矿物特征卡时会发现石英和萤石颜色、光泽、透明度、条痕颜色等特征都基本相同，但硬度不同，若要区分这两种矿物就必须鉴定硬度，萤石的莫氏硬度为4，石英的莫氏硬度为7；用小钢刀能在萤石上划出痕迹，在石英上不能。由此可见，正确认知数据的意义和价值，能提高精准测量与表达数据的意识。

除用数据描述事物的某个特征，记录与比较事物的变化过程更体现了数据价值。例如，观察记录绿豆发芽、生长变化过程，除了用“种皮破裂，长出胚根”这样的定性语言描述，教师要引导学生测量，用数据描述“胚根长多少厘米”。这样的记录方法能够提供更多有价值的信息。总之，观察生物体的生长变化都可以用定性与定量相结合的方法来观察、描述、记录，提高数据表达意识。

此外，在工程设计领域，如设计制作小车，教师要求学生在设计图上除了标注形状、结构，还要标注规格、材料等。这样，学生的设计活动会更接近于设计师的工作。

3.指导分析解读，发展数据能力。

数据素养中最重要的是数据能力，包括数据的收集、整理、处理、分析和解读等方面的能力，其中数据分析解读是重点、也是难点。

（1）任务驱动，催生收集需求。

挑战性问题或挑战性任务，可以激发学生学习动机，使其产生主动收集数据的需求。如，当学生探究了1分鐘摆动60次的摆，摆绳长度大约为25厘米后，教师可适时提出拓展任务：那么1分钟摆动50次、40次、30次、20次的摆，摆绳长度分别是多少厘米？

学生在1分钟摆动60次的摆的基础上推测，1分钟摆动50次的摆，摆绳长度可能是30厘米或大于30厘米。到底是多少，他们很想马上试试。在任务驱动下，收集数据成为学生的自主探究需求，他们不断测试、推测、调整、再测试、再推测……当发现1分钟摆动50次的摆，摆绳长度大约是35厘米时，他们就会推测1分钟摆动40次的摆，摆绳长度可能大约是45厘米，理由是每分钟摆动60次的摆25厘米，50次的摆35厘米，那么40次应当增加10厘米以上。这样的估计对不对，需要学生验证。只要给足时间，在好奇心驱使下学生会持续自主探索，直到寻找到问题的答案。在这样的科学实践中，学生不断实践，不断修正猜想，不断在潜意识中寻找数据变化规律，不断发展数据解读与推理能力。

（2）转换数据，优化呈现方式。

收集到大量数据后，需要对数据进行整理、统计或者转化，以帮助学生更好地发现数据背后的信息。折线图、柱状图、饼状图等是常用的数据转换方法。数据可视化呈现，可以让数据变得更加直观和易于理解。如，笔者在教学“沉浮与水位变化研究”时，往体积40立方厘米的小盒子里依次增加10克重量，观察盒子放入水中时的水位变化情况，记录相关数据（如表2）。

为帮助学生发现数据特点和蕴含的信息，清晰找到数据背后的趋势和规律，笔者让学生转换数据，制成折线图（如图1），完成画图后组内思考与讨论：

①质量增加时水位是怎样变化的？与你的猜想一致吗？

②质量影响水位变化吗？怎样影响？

③在表格“……”处写出你的推测。交流推测理由。

④观察浮时数据表中质量、水位变化的数值，你有特别发现吗？

笔者以问题为支架，引导先完成测量与数据转化的小组进入思考阶段，观察数据是否支持先前猜想；从物体放入水中后的水位变化，可以获得哪些信息。当一个沉的物体放入水中，水位变化即它排开的最大水量（即它的体积）；浮的物体，排开的水量即它的重量（质量）。其中的相关性如表3所示。

这样的呈现方式可引导学生发现这个有趣的规律，并能用规律进行推理，解决实际问题，有效提升了学生的数据意识。

（3）分层解读，发展分析思维。

①比较与分类，识别信息。

先读懂数据记录表，后比较数据。教师要注意引导学生横向比较数据、纵向比较数据，发现相关性。如教学“沉浮与水位变化研究”一课，研讨过程如下。

生1：质量增加时，水位是逐渐上升的。但是，等到这个物体已经完全浸没在水中的时候，水位不变了。与我们的猜想是一致的。

师：质量影响水位吗？

生1：影响。从我们的实验结果可以发现，物体质量是10克、20克、30克、40克的时候，盒子是浮的。质量会影响水位上升。

师：浮的时候是影响的，沉的时候呢？

生（齐）：不影响。

②分析与综合，发现规律。

从数据表到图形，分段解读。教师引导学生分别研讨沉的阶段和浮的阶段，水位变化与物体质量、体积之间的关系，挖掘数据信息，找到转折点。过程如下。

生2：我回答上面第三个问题，我们推测水位上升一直都是40毫升，不会变，沉浮情况是一直都是沉。

师：怎么解释后面这个不变的数据？

生2：因为从50克开始，后面一直是沉的，所以我们基本上可以确定，质量只要在50克以上，体积不变，它都是沉的。

师：你认为这个40是什么？

生2：这个40我认为应该是这个盒子的体积。

师：同意吗？是它排开的最大水量，就是它的体积。所以再重的话，排开的水量能更多吗？

生2：不会，因为已经是最大排开的水量了。

生3：最后，我们推测出一个结论，就是如果它是全部沉下去的话，水位上升的毫升数和盒子的体积是一样的。如果它是浮着的话，那么水位上升的毫升数和盒子的质量是一样的。

师：当浮的时候，浮力等于重力。

生3：一克水大约等于一毫升，所以我们做出这样一个推测。

师：大家有没有听明白他说的？他说一克水就是一毫升，他发现了一个数据上的规律。我们把它转化成折线图，来看看能不能找到这个规律？（投影展示折线图。）

师：同学们，看这个图，你们还有推测吗？

生3：我们推测假设质量是70克、80克、90克，它的水位上升都是40毫升。到了40克再也不会上去了。

师：因为什么？

生3：因为它排开的水量已经到了最大值。

师：如果在40毫升以内呢？

生3：40毫升以内的话，它是浮着的状态，所以说，如果它的质量是10克的话，那么它水位上升的就是10毫升，即质量是多少，水位就上升多少。

③辩证与推理，迁移应用。

通过前面的数据研讨，学生发现40克是转折点，并找到了规律：浮的状态，水位上升毫升数就是物体质量。下一步，学生要深入分析折线图，充分挖掘数据规律的价值，推导出新的信息，解决实际问题。

师：现在，我在盒子里装了3颗5克的钢珠，共15克。根据折线图，你们觉得水位会上升多少？

生：15毫升。

师：假如25克呢？（生齐：25毫升）50克呢？（生说50毫升，立即改口40毫升）。因为这个时候……

生（齐）：因为已经下沉了。

师：那么，倒过来看一下，如果我现在不知道这个盒子里装的物体有多重。我装了这样一个大钢珠，它排开了34毫升的水。整个有多重，你知道吗？

生：34克。

师：你们能从折线图上找到推测依据吗？看纵轴……（指导解读折线图）今天，我们有一个意外的发现，看水位变化可以知道什么？

生（齐）：物体的质量。

师：什么情况下的质量？

生（齐）：浮着的时候。

借助折线图可以双向推理：看横轴，知道物体质量就可以推测出沉浮，并推测出在水中排开的水量，水位上升情况；反之，看纵轴，由水位上升情况可以推测出浮的物体的质量，及物体在水中的沉浮状态。最后，让学生创造性解决问题：仅用装水刻度杯，能否测出一块不规则石头的体积和质量。解决方案是放入水中，水位上升毫升数就是它的体积，而质量，只要借助空盒子让物体浮于水面就可以了。同样浮的物体，质量和体积也可以用观察水位变化的方法知道，只要沉没水中就可以测得体积。

综上所述，在大数据时代，数据素养不仅是科研工作者和数据分析师的专利，更是广大学生需要掌握的基本技能。教学中，教师可通过生活数据调查、应用数据描述、有层次地分析数据等科学实践活动来提升学生的数据素养。

（作者单位：浙江省湖州市南浔区锦绣实验学校）

参考文献：

［1］杨向东.如何基于核心素養设计教学案例［N］.中国教育报，2018-5-30.

［2］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.