大數據思維與中學物理教學創新

苗壯

摘 要： 本文通過分析大數據物理教學應用對實驗裝備建設的客觀要求，提出大數據應用于中學物理實驗教學有諸多優勢，是大數據在基礎教育領域應用的突破口的觀點，探討大數據時代中學物理實驗室實現全面數字化和物聯網化的必要性和策略，在此基礎上建議有條件的中學將物理實驗教學和網絡學習空間整合起來，開展新型信息化教學模式下的物理實驗教學。

關鍵詞： 大數據 中學物理 教學創新

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，掀起人類教與學的又一次變革[1]。筆者以“大數據and教育”為條件在CNKI（中國知網）檢索發現，僅2013年和2014年上半年就有120篇相關論文公開發表。當然，不論是美國教育部的報告還是國內學者的研究，都是從大數據對教育決策、教育評價和個性化教育等宏觀方面入手展開論述的，對于在一線教學中如何具體應用大數據技術的討論很少（僅有一篇公開發表），這說明大數據在基礎教育領域的應用還處于剛剛起步階段，技術遠未成熟。盡管如此，大數據思維值得教育工作者們思考和學習。受大數據思維的啟發，筆者將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、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等優勢，是大數據教育應用的突破口。當然，大數據技術的物理教學應用對實驗裝備建設提出新的要求。以下就相關問題做初步探討，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、大數據和大數據思維

大數據是繼物聯網、移動互聯、云計算之后信息化領域的又一熱點技術。麥肯錫全球研究院報告《大數據：創新、競爭和生產力的下一個前沿》認為大數據是大小超出傳統數據庫軟件工具的抓取、存儲、管理和分析能力的數據群[2]。當然，規模和處理速度的變化僅僅是大數據的表象，更重要的是對數據價值認識的深化。隨著互聯網數據的不斷積累，數據存儲的大小達到PB級甚至EB級，這些海量的數據看似雜亂，但通過分析挖掘后發現這些數據群之間實際上有很強的關聯性，隱藏穩定的規律性。因此，人們開始對過去不被重視的數據和記錄進行各種分析和挖掘，典型的事例是2009年，google公司在全世界甲型H1N1流感暴發的幾周前，成功預測了流感傳播，而且具體到特定的地區，2014年google公司又成功應用大數據預測了世界杯足球賽的16強。這些預測背后的邏輯不是因果關系，而是相互關系；對數據的要求不是精確性，而是混雜性；關注的不是隨機樣本，而是全體數據。其實這就是大數據思維。

二、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。而且中學傳統的實驗儀器普遍沒有數據采集功能，更談不上數據共享和分析。實驗數據的儲備方式僅限于實驗報告這一種人工手段。然而，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。可以說基礎教育從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。

三、將中學物理實驗儀器實現全面數字化，搬開數據采集和積累的絆腳石。

目前，已經有不少中學建有物理探究實驗室，配套有DIS采集系統，但是這些DIS系統僅僅用于部分教學模塊中的個別探究實驗的數據采集、分析處理，大量的常規中學物理實驗還在使用信息時代之前的老式教學儀器，這種實驗教學條件顯然不能采集海量數據并滿足挖掘數據的準備要求。因此，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配備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。

四、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。

目前中學DIS實驗系統全都通過數據線實現數據采集，傳感器和數據采集器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，實現智能化識別和管理[3]。所以，未來實驗室建設必須立足物聯網技術，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。理想的圖景應當是學生何時進入實驗室，使用哪臺儀器設備，進行哪些操作，都可以自動記錄下來，并上傳到網絡學習空間，積累學生的實驗行為數據，為數據挖掘提供原料。

五、大數據應用，不應忽視教學過程視頻的采集和存儲。

任何學科教學過程的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實驗數據采集和積累之后，很有必要將物理教學過程的視頻資料采集和積累下來。相對而言，視頻數據的采集技術比較成熟，對于教師授課和學生活動的總體情況可以在實驗室安裝“多點自動追蹤攝像視頻采集系統”完成，對于學生實驗操作的細節和實驗現象視頻的采集可以為每個實驗小組配備帶攝像功能的平板電腦完成。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音視頻，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。

隨著信息技術的不斷發展，“大數據”正在改變我們的思維方式和行為方式。目前，全國各地都按照教育部的要求，加快“三通兩平臺”建設進度，推進教育教學與信息技術的深度融合，試行“翻轉課堂”、微課教學等新型信息化教學模式[4]。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威力。

參考文獻：

[1]徐鵬，王以寧，劉艷華，張海.大數據視角分析學習變革——美國《通過教育數據挖掘和學習分析促進教與學》報告解讀及啟示[J].遠程教育雜志，2013（6）：11-17.

[2]張燕南，胡繼岳.關于大數據應用于教育的思考[J].中國電力教育，2013（32）：5-7.

[3]曹紅萍.物聯網在中學物理實驗教學中的應用構想[J].湖南中學物理，2011（8）：40-42.

[4]祝智庭，沈德梅.基于大數據的教育技術研究新范式[J].電化教育研究，2013（10）：5-13.