設計介入青少年數據概念的培養

卜佳嬡

關鍵詞：青少年 數據 基于設計的學習 21世紀技能

引言

在過去的及時年里，數字技術對人們的日常生活產生了越來越大的影響，這種變化同樣也影響到了青少年的日常學習和生活?！?1世紀技能”（21st Century Skills）被認為是當代青少年適應未來生活所應該具備的基本技能。21世紀技能包括以下三個方面的內容：學習與創新技能，數字素養技能以及職業和生活技能，如圖1所示。學習與創新技能包括：批判性思考、解決問題的能力、溝通與協作的能力、創造和革新的能力。數字素養技能包括：信息素養、媒體素養、信息與通信技術素養。職業和生活技能包括：靈活性與適應能力、主動性和自我導向、社交和跨文化交流能力、高效的生產力、領導力和責任感等。國內外的一些學校已經開始引起重視，并在日常教育中滲透這些能力的培養。

在數字素養的培養上，國內外的一些學校已經開始采取一些行動。比如增設相關課程，引進相關教材器具等。學校之外的一些教育機構也逐漸開始開設主打編程教育的特長班。一些玩具和教育廠商也在積極地開發培養青少年數字素養的玩具和教材。

數據概念的培養，在數據時代的背景下，理應成為數字素養教育中的基礎和重點。本研究的主要目的，就是探尋行之有效的方法，幫助青少年建立對“數據”這一概念的初步認識。

一、基于設計的學習（Design-based Learning）的發展現狀

基于設計的學習，被作為一種方法，用于教授21世紀技能。早在20世紀80年代，加州州立理工大學教授Doreen Nelson就提出了基于設計的學習的概念，它是一種探究性的學習方法，可以讓青少年在這個過程中學到更多并提升綜合素質。筆者在荷蘭作交換生的時候，有機會參觀當地的一所中學?；谠O計的學習方式已經在技術課堂上得以應用，在老師的引導下，學生們提出問題，分析問題，并試圖解決這個問題，該學校也已經引進樂高的相關教程，學生可以完成模型組裝后并用軟件控制這些模型。在這樣的課堂中，學生更具主動性和挑戰性，能力也得到更大的提升。基于設計的學習方式，也是本文在探索幫助青少年建立數據概念的方法的過程中，始終關注的部分。

二、青少年數據概念培養過程中的難點

（一）概念本身抽象難懂：劍橋詞典將數據（Data）定義為“信息，尤其是事實或數字，收集起來用于審查和考慮，并用于幫助決策，或以電子形式存儲和使用的信息”，將大數據（Big Data）定義為“由使用互聯網的人員生成的非常大的數據集只能通過特殊的工具和方法進行存儲，理解和使用”?，F代生活中，人們雖然每時每刻都在接觸數據、產生數據，但是數據作為計算機專業術語，再加上無形、種類多等特點，很難讓人們形比較清晰和全面的概念，對于認知能力有限的青少年來說，認識和理解數據變得更加困難。如何將抽象的概念以相對具體和有趣的方式呈現并使得青少年能與之互動成為本研究的難點之一。

（二）青少年的興趣難以調動：由于抽象難懂這一特點，青少年并不知道如何獲取相關的知識，也不愿意主動接觸這方面的內容。在引導他們學習的過程中，如何將抽象的內容具體化，讓學習的過程變得有趣，激發青少年主動探索的欲望并結合他們的興趣點，成為培養青少年數據概念過程中基礎的一環也是十分重要的一環。

（三）很難和現有教育體系結合：傳統的中學教育中，其實已經涉及數據相關知識的教育。比如數學學科中有統計學、圖表方面的知識，物理學中有速度、加速度等數據，生物學中有心跳、呼吸等生理數據，但是教育過程更加偏重于計算、繪圖、邏輯和記憶方面的內容，沒有在教育的過程中介入數據概念的培養。這一方面是由于教師自身對于數據知識的匱乏，另一方面也是因為受到緊張的教學計劃的限制。另外，由于不同學科之間的交流機會比較少，學生也很難把不同課堂擁有的資源和學習的知識進行融合，老師也沒有時間和精力了去研究自己學科之外的內容，這也使得數據概念培養時，跨學科數據的利用成為一大困難。如果能將數據概念巧妙結合進現有的課堂，并實現不同課堂之間數據的共享，將會給中學生數據概念的培養帶來事半功倍的效果。

（四）很難尋找與日常生活的結合點：說到數據，人么最先想到的是儲存在計算機里面的數據，會認為高深莫測，離我們的生活十分遙遠。這也是在青少年數據概念培養過程中的一個難題。但其實，數據往往是可以和人們的日常生活結合在一起的。人們在社交網絡上的每一個行為會存儲為一種數據，人們每天走的步數通過計步器統計并記錄下來也是一種數據，被拋擲起來的球體的速度、加速度、高度、運動軌跡也都可以儲存為一種數據，如果能把數據的概念結合進青少年的日常生活，將會更加有利于他們對于數據概念的理解，同時也能更好地激發他們的興趣。因而如何找到和青少年生活的結合點，需要大量的用戶觀察和調研，對于設計的實施有至關重要的作用。

（五）沒有合適的教材教具：說到數據概念的培養，這個概念對于老師來說同樣很抽象，他們也并不知道要教些什么、要怎樣教、又怎樣和自己已經有的課程體系相結合，因而老師也需要一套系統的指南來指導自己如何展開數據概念的教學。因而本次設計的難點不僅在于設計教材教具供學生使用，設計教育的輔助工具供教師使用也是同樣重要的。目前市面上有針對青少年科學技術科普的書籍，有幫助他們培養編程能力和邏輯思維的設備，在研究領域也有根據相關教育理論開發的給老師使用的輔助課程設計的工具。這些都對項目的設計有一定的參考價值。

三、設計介入的要點

（一）跨學科：該研究首先確定了跨學科的方法對于數據概念的培養是有意義的。有學術研究表明，學科中的關鍵知識如果能在多學科情境下實踐，同一個概念如果能放在不同的情境之下，會促進我們對概念的理解。基于這一研究基礎，我們展開對于學校中跨學科合作可行性的研究。通過調研發現，教師對于跨學科的方式是十分認可的，認為跨學科的方式有助于學生的理解和學習，并且教師也有意愿和其他學科的老師進行合作式教學。但是，教師也表示出跨學科合作中遇到的困難，比如不知道如何著手跨學科合作，擔心占用太多時間影響正?？颇康膶W習等。因而我們最終確定的設計方向是，數據概念的教育應該是跨學科的，但是該教育系統會有統一的跨學科合作規劃來指導教師如何展開跨學科合作，通過這樣的方式來保證跨學科合作的效果，也讓老師更加清楚自己要做的事情。

（二）產生數據.分析數據.運用數據全流程的培養：培養過程不僅應該是跨學科的，也應該是全流程的。全流程也建立在跨學科的基礎上。這樣學生可以在A課堂制作用于收集數據的設備，在B產生數據，在c課堂分析數據，最后在D課堂運用數據。比如，在通用技術課上，學生自己動手制作了用于收集數據的設備。接著他們攜帶這個設備來到了體育課堂，在進行體育運動、體質測試或者游戲的時候獲得一系運動相關的數據。接著，他們攜帶這些數據來到了物理課堂，在學習運動相關的知識的時候，他們可以拿出這些數據，進行速度、加速度、拋物運動、時間、距離等概念的解釋，可以參照運動產生的可視化圖形來猜測運動的時候人的行為發生了哪些變化，甚至是運用學生自己的數據進行一些復雜的物理計算。最后，在藝術課堂，學生可以嘗試將數據進行可視化展示，或者運用已經生成的數據圖形進行一些藝術創作。如果有需要，學生最后還也可以回到技術課堂，對整個學習過程進行反思和總結，對相關數據的概念進行深化理解，實現了整個學習過程的閉環。對于學生來說，他們不僅學習到了數據相關的知識，也對其他合作學科的相關知識有了更好的理解，分析問題和邏輯思維的能力也得以提升。對于授課老師來說，原本晦澀難懂的知識點變得更加具體，學生的學習興趣因為自己數據的介入得到了充分調動，教學效果也會產生明顯提高。最為重要的是，一次產生的數據，可以被多個課堂進行多次利用，沒有浪費數據，沒有讓學生們只是沉浸在產生數據的快樂中，對數據進行了最充分的利用。

（三）學生自己產生數據：人們總是傾向于關注和自己相關的內容，對于青少年來說更是如此。股市的數據、人口大數據可能并不能引起青少年對于數據概念的興趣，但是如果數據是與青少年日常生活息息相關并且是他們自己產生的數據，那么，會對他們產生非常大的吸引力。這一點也是我們在用戶訪談過程中的出的結論。在這種使用情境下，每一個數據都反映了用戶的行為變化，用戶甚至可以通過控制行為來影響數據的變化。比如學生可以通過加速跑的方式來使得自己的心跳加速，也可以通過拋擲球的高度和方向來影響球體的運動軌跡，在這些過程中，學生可以很容易發現自己行為和數據變化之間的關系，發現其中的樂趣，鍛煉思考和分析的能力。潛移默化的過程中，學生就掌握了數據連續和中斷、數據的影響因素等概念。同時，通過為每一位學生建立數據儲存的賬號，學生可以對自己感興趣的數據進行長時間的記錄和觀察，通過數據的對比，無效數據的管理，來對數據有更加深刻的理解。與此同時，學生也會更加關注自身行為，更加了解自己，這也算是該教育系統的一個附加價值。

（四）軟硬件結合：該方案對于數據主要有兩方面的需求。一方面，需要對數據進行收集和采集，這就需要一個裝有不同傳感器的硬件設備，青少年可以與之互動產生數據。另一方面，需要呈現數據。這就需要一個軟件界面來將數據可視化呈現在上面，方便學生查看和分析。因而該產品是一件軟硬件結合的產品。和現在市面上已經有的能夠獲取數據的硬件不同，這個硬件將是由學生自己拼裝組成的，同時也是個性化的，學生可以根據自己的興趣點選擇相應的傳感器并制作不同的設備形狀。這樣不僅有利于增進學生對于數據概念的理解，也能提升他們的動手能力。而且基于硬件這一實體設備的學習，也能讓學習的過程更加具象化。

（五）教師更加自由化的課程設計：盡管系統會給老師提供給一份指南來指導教師的課程設計，但是通過對老師的調研我們發現，對于教師來說，靈活性是他們認為授課過程中的一個十分重要的因素。靈活性主要表現在三個方面。即不同學科的老師可以結合自己的課程需要對該教育系統進行靈活應用;老師可以根據學生的不同水平對于教學計劃作出靈活的調整;學校可以根據自己的教學計劃來安排教學所持續的時間。因而，該方案對于教師課程的指導不是固定不變的，而是可以加入自己的想法，靈活修改的。教師課程設計指南基于已有的理論研究.教育蜘蛛地圖（Educational Spider Map），如圖2所示。

圖3中的表格涉及課程設計過程中所應該考慮的一系列問題，如：學習的目標、內容、方式、教材、地點、時間、教師的角色、評估的標準等。教師課程設計指南從這十個方面對老師的課程設計進行引導，幫助老師明確設計課程時所應該考慮的維度，有助于提高老師課程設計的質量和速度，同時又給老師提供了較大的設計空間。

四、各相關配件設計

產品最終以工具箱的形式呈現，學生用的工具箱中包含：模塊化智能硬件、pc端軟件和任務卡片。教師的工具箱中還會額外包含教師課程設計指南。

（一）模塊化智能硬件：該硬件如圖4所示：學生拿到工具箱的時候，該硬件并未拼裝完成，僅僅是六邊形薄片、Arduino板、一系列傳感器等元件和一些制作過程中會用到的工具。學生需要自行組裝，將這些零散的元件組成不同的模塊單元，這里模塊單元分為：電池模塊、Arduino模塊和傳感器模塊，不同模塊用不同的顏色表示，學生可以利用這些模塊進行單一傳感器或多傳感器設備的組裝。是一個從元件到模塊到設備的過程。在這個過程中，學生對于這些電子元件會有更加深刻的認識、動手能力和合作能力得以提升。而產出的設備也是完全個性化的，每個設備形狀和功能都會不盡相同。這個設備用于收集各種學生們感興趣的數據，供之后的數據分析和運用過程使用。

（二）PC端軟件：圖5為PC端軟件顯示的數據動態圖形。學生和硬件互動時產生的數據會實時地反應在頁面上。學生可以通過觀察發現自己行為和數據之間的關系，找到影響數據變化的因素等。除了實時顯示數據可視化圖形這一功能之外，軟件還可以圖片或視頻的形式記錄某一時刻的數據圖形或某一時間段的數據變化，這些圖片和視頻可以發送至軟件自帶的社群當中，學生之間可以相互交流，教師也可以將這些素材運用到自己的課堂之中，比如讓同學們猜測這是哪一位同學的數據，分析當時發生了什么等。老師也可以在平臺上發布一些主題挑戰，調動學生們的積極性，做出更多的探索。

（三）任務卡片：任務卡片根據傳感器不同，分為不同類別，每個類別下面又有可以訓練到不同方面能力的各種任務。任務卡片是一系列紙質卡片，卡片的顏色和傳感器模塊的顏色一致，卡片形狀為三角形，多個三角形拼合在一起可以形成五邊形，這也是每名學生所應該完成的最低標準的任務數量，如圖6。卡片上會標明任務的難度和訓練的能力，方便學生根據自己的需要進行選擇，也方便老師為不同年級的學生選擇對應的任務。之所以沒有將任務卡片做成電子版本放在軟件中而是做成實體卡片，目的在于通過這種可以觸摸的方式，讓已經完成的任務和未完成的任務更加直觀，學生因此可以明確自己的進程，并且可以獲得更大的成就感，老師也可以通過卡片更加方便地了解每一位學生的情況。

（四）教師課程設計指南：教師課程設計指南以一張大卡片的形式存在，工具箱中會為老師提供多張該卡片供老師使用，如圖7?？ㄆ巷@示的是教育蜘蛛地圖（Educational spider Map）上所涉及的內容，教師完成一張卡片的填寫之后，會更加明確把握課程的設計方向。

除此之外，還有三張基于教育蜘蛛地圖的課程計劃參考，如圖8。展現了不同課程間合作的三種可能。橫坐標表示不同的課程科目，縱坐標即為教育蜘蛛地圖的不同方面。能在老師不知道如何設計課程的時候提供選擇，也能夠幫助老師產生靈感。

結論

文章研究設計介入青少年數據概念培養的問題，研究過程進行了大量的用戶訪談和文獻查閱工作。最終形成了一套能夠與現有教育體系相結合的、從產生數據到分析數據，再到運用數據的全流程的教育體系，在這個過程中，學生能夠對數據產生興趣，對數據概念有初步了解。動手能力、解決問題的能力、與人合作等能力也能有所提高。該產品系統在學校的測試中，也得到老師和學生的良好反饋，證明跨學科合作、基于動手的學習等形式在青少年數據概念培養過程中的有效性。

模塊化的設計理念使得產品具有很強的可拓展性，隨著傳感器的數量和種類的擴展，學生可以進行更加豐富、深入的數據研究。

當然現有系統也存在一些不足。比如產品材質的選擇不夠耐用，數據可視化過程中的一些技術實現問題等。這些都是產品在日后的迭代過程中所應該著重關注的問題。