淺談大數據思維與中學物理實驗教學

2012年10月，美國教育部發布了《通過教育數據挖掘和學習分析促進教與學》的報告。這一報告的發布，宣告了“數據驅動學校，分析變革教育”的教育大數據時代已經來臨，掀起教與學的又一次變革。受大數據思維的啟發，筆者對中學物理教學的困境進行排查，認為將大數據應用于中學物理實驗教學有利于開展個性化學習，可以挖掘翻轉課堂等新型教學模式的過程數據、有效克服現有實驗操作考核諸多弊端。本文就相關問題作初步的探討，力求為實現中學物理教學與信息技術的深度融合和改進中學物理實驗教學提供有價值的新思路。

一、物理實驗教學是大數據技術進入中學教育的最佳切入點

大數據是一種思維，但它首先是一種技術。雖然大數據技術展現出美好的應用前景，但是要讓大數據在改進中學教學中發揮作用仍面臨不少困境和挑戰。首先面臨的是技術難題，大數據技術的應用才剛剛起步，尚處于市場培育的前期，各種相關技術還很不扎實，直接可以用于教學分析的數學模型和軟件產品少之又少。但在中學各科的實驗儀器中，物理實驗以電參數反映測量結果的儀器最多，即便是非電測量儀器的結果，轉換為電信號的難度也最低。所以，中學物理實驗室是最容易實現數字化和物聯網化的，加之中學物理教師總體上是最熟悉傳感器和數字化原理的學科教師，理所當然應該成為大數據引入中學教學的排頭兵。可以說基礎教育通過物理實驗教學入手進入大數據時代的路徑最短，難度最低，最具可行性。

二、將中學物理實驗儀器實現全面數字化

要讓中學物理實驗教學適應大數據時代的要求，必須創新物理實驗裝備建設，使之具備實驗教學全過程的數據采集和儲存功能，搬開實驗教學邁向大數據時代的絆腳石。未來中學物理實驗室的建設應當突破普通實驗室和探究實驗室的界限，通過改造和更新傳統實驗儀器，使之盡可能實現數字化，對于部分無法數字化的儀器，可以采用人工智能、圖像分析等技術使之具備與互聯網進行數據交換的能力。同時，所有物理實驗室應全部建設成數字化信息采集系統（簡稱DIS Lab），使DIS成為所有實驗室的標準配置，而不是僅限于探究實驗室。

三、將物聯網技術引入中學物理實驗室，突破實驗室內部的信息孤島

目前的中學DIS實驗系統全都是通過數據線實現數據采集，傳感器和數據采集器都受到線纜的約束限制，不僅使用不便，而且每個實驗小組都是一個小小的信息孤島，不利于信息共享。而物聯網通過射頻識別、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，可將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，實現智能化識別、管理。所以，未來實驗室建設必須立足使用物聯網技術，采用無線藍牙傳感器代替有線傳感器，將實驗室內所有傳感器建成小型物聯網，實現所有數據實時共享，這樣既避免線纜障礙，又可以避免傳感器數量的限制，實現實驗數據的共享和儀器的協同工作，增加小組間交互學習的機會，提高DIS實驗系統的使用效率。

四、大數據應用，不應忽視教學過程視頻的采集和存儲

任何學科的教學過程本身就是重要的數據和教學資源，物理教學也不例外。因此，在使用物聯網、DIS系統和網絡學習空間實現了實驗數據的采集和積累之后，很有必要將物理教學過程的視頻資料采集和積累下來。通過安裝“多點自動追蹤攝像視頻采集系統”和配備平板電腦，實驗室既可以在師生實驗活動進行的同時自動錄制實驗教學和學生實驗活動場景的視頻，生成多路畫面的實驗教學全程的課堂教學視頻資源，又可以將學生實驗操作的細節和實驗現象視頻上傳到網絡學習空間。實現了實時資源生成，發揮管理上的價值，同時這些視頻經過整理，切片后又可以發布到網上，供下期學生提前觀看，實現大數據時代的“先學后教”和教師物理實驗教學的自我反思，便于開展微視頻教學、翻轉課堂等新型信息化模式的實驗教學。

目前，全國各地都在按照教育部的要求，加快“三通兩平臺”建設進度，理念的超前和腳踏實地的探索對教育創新十分重要，建議有條件的中學和物理老師可以嘗試按照本文提出的思路，建設中學物理“未來實驗室”，開展基于網絡學習空間的物理教學實踐，讓“翻轉課堂”、“微課程”、“慕課”等信息信化教學模式在基礎教育中生根發芽，讓基于大數據思維的學習分析早日在中學物理教育中充分發揮其作用。