基于物理數字化實驗的初中生數據素養培養探究

摘要： 本文基于文獻研究和理論分析提出數據素養的新定義，從數據意識、數據處理和數據闡釋三個維度設計初中生數據素養培養目標體系。在數字化條件下開展物理實驗教學對發展學生數據素養作用顯著，應從數據的視角看數字化實驗，在數字化實驗中提高學生數據素養。

關鍵詞：大數據;數據素養;數字化實驗;初中生

數據是用于存儲和記錄信息的載體，它可以通過觀察、測量以及計算等方式得出，其形式通常包括數字、文本、圖像或言語等。21世紀，信息技術和網絡技術迅速發展，數據信息呈現爆炸式增長的態勢，人類逐漸進入大數據時代。如何有效地從海量的信息中收集、分析和利用數據？無論是科研工作者還是普通公民，生活在這個社會中的個體都需要具備一定的數據素養。當今，數據素養正逐漸成為個人生存與發展的必備素養，對個體發展的成功與否起關鍵作用。中學是培養數據素養的基礎時期和關鍵階段。物理實驗是發展學生數據素養的絕佳載體。

一、數據素養概述

隨著數據對科研工作以及生產生活的影響日益增強，數據素養已被學界廣泛關注。何謂數據素養，目前尚無統一定義，教育界對數據素養內涵的認識也在不斷深化。目前，引用較多的是美國的Hogenboom于2011年提出的定義，即“數據素養是閱讀、解釋、分析、批判性思考統計數據以及將統計數據作為證據的能力”^[1]。數據素養體現在數據敏感性、數據收集能力、數據分析與處理能力、數據決策能力、數據思辨能力等方面。國內較早提出數據素養的是北京師范大學的項華教授。他認為數據素養是滿足個體自身需求的獲取數據或信息，產生經驗，或者通過數據挖掘而產生知識的一種科學素養。數據素養的核心是數字環境下的科學思想、方法、習慣和精神^[2]。筆者在國內學者的研究基礎上，嘗試完善數據素養的定義：數據素養指能夠以有效的且合乎倫理的方式生產、收集、描述、分析、解釋相關數據，從而幫助人們解決現實問題的一種思維習慣與實踐能力，主要包括數據意識、數據處理、數據闡釋三方面能力。

二、初中生數據素養培養

（一）國際測試中的初中生數據素養

數據素養是新時代個人生存與發展的重要能力，而中小學階段是培養這一素養的基礎時期。21世紀初，雖然大型國際教育會議或測試項目中尚未明確言及數據素養，但其主要內涵已經顯露其中。例如，在2003年的TIMSS評測框架中，從內容領域來看，數據方面的主題有“數據的收集和組織”“數據表達”“數據解釋”“不確定性和概率”。這一評測領域及其子維度同時適用于四年級和八年級。在2007、2011年這兩輪的TIMSS數學測評中，對于八年級學生其內容領域中關于“數據和概率”的主題有“數據的組織和表達”“數據解釋”“機會（概率基礎）”^[3]。同樣，2012年PISA測試（數學測評）主題主要包括數據產生、數據分析和數據呈現及推斷與概率^[4]，原來的數量、空間和圖形、變化和關系及不確定性，被調整為數量、空間和圖形、變化和關系及不確定性和數據，個體對數據圖標的理解與分析被突出。上述測驗涵蓋了與數據活動有關的能力測試（見表1）。數據素養在初中生必備能力之列。

（二）初中生數據素養培養目標體系

歐美一些國家已經展開了一系列針對中學生的數據素養培養的項目教學，而我國數據素養教育尚處于摸索階段。我國盡快在中小學階段開展數據素養教學十分必要。《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》科學探究目標中，對七至九年級學生在搜集證據、處理信息、解釋結果等方面提出要求：“（1）能從多種信息源中選擇有關信息;（2）能進行一系列觀察、比較和測量;（3）會記錄和處理觀察、測量的結果;（4）將證據與科學知識建立聯系，得出基本符合證據的解釋;（5）能注意與預想結果不一致的現象，并做出簡單解釋;（6）能用語言、文字、圖表、模型等方式表達探究的過程和結果。”^[5]筆者參考陳娜萍設計的初中生數據素養評價指標^[6]，兼顧《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》對科學探究的要求，從數據意識、數據處理、數據闡釋三個維度，梳理初中生數據素養培養目標及其與各維度的關系（見表2）。數據素養的發展具有階段性——從特征指標1到指標11，難度呈梯度升高。

從發展過程看，數據素養源于計算素養，并由其中的統計素養衍生而來。統計教學對于發展學生數據素養起奠基作用。數據素養的培養并非僅依賴于數學學習，更在于各種科學實驗探究，特別是物理實驗探究。筆者以服務學生科學探究為主旨設計實驗，引導學生獲取事實與證據，參與解釋、檢驗與評價，以及表達與交流等活動。這樣教學非常有利于發展學生數據素養：一方面可以提高學生對科學探究的理解與操作能力;另一方面其探究過程本身就包含數據素養的各個培養維度。對于初中生而言，實驗方法與儀器是否能有效支持學生參與科學探究（尤其是物理實驗探究）對于培養學生數據素養尤為重要，而數字化實驗軟硬件的科學應用恰恰為這一實踐提供了極大的便利。

三、借助數字化實驗發展學生數據素養

（一）數據視域下的數字化實驗

數字化實驗是運用數字化實驗系統，對實驗過程和結果進行實時顯示、監控、記錄、圖像繪制及數據處理與分析的一類實驗。數字化實驗系統包括各類傳感器、數據采集器、計算機及相關配套實驗軟件。實驗過程中，教師借助傳感器探測實驗數據，實時向數據采集器傳輸，并將有關信息轉化為數字形式傳輸到電腦端。學生通過運行實驗軟件包來采集并處理數據。師生利用數字化實驗系統不僅能在短時間內采集和處理大量數據，而且能夠檢測信號量的微小變化和瞬間變化，并實時顯示、存儲、傳輸、統計、擬合、分析實驗數據。

在實驗教學中，數據素養體現在如下過程：（1）通過設計實驗，產生數據;（2）通過記錄測量，采集數據;（3）通過制作圖表，描述數據;（4）通過模擬整合，分析數據;（5）運用數據描述結論，解釋數據。實驗教學過程與數據素養各維度的對應情況見表3。

（二）在數字化實驗中培養學生數據素養

筆者以“熔化與凝固”DIS實驗課為例具體介紹。本課教學目標是引導學生通過探究實驗發現固體熔化和凝固時溫度變化的規律，總結晶體與非晶體不同的熔化特點。相對傳統模式而言，在實驗教學中運用數字化手段對于發展學生數據素養可以達到事半功倍的效果。

其一，操作過程更便捷。

在傳統實驗條件下，學生通常會遇到如下困難：實驗器材組裝難度大（對應于數據意識階段） ;實驗難度大，數據不準確，描點作圖耗時長，圖像不理想（對應于數據收集和數據描述階段）;課堂時間有限，探究不充分，結論較簡單（對應于數據分析與數據闡釋階段）。

在DIS實驗系統支持下，師生安裝很簡便，測溫很準確，短時間內可多次（自動）采樣，大大節省實驗時間。學生在實驗中的主要任務不再是描點作圖，而是思考如何選取采樣頻率與作圖數據，以及運用數據描述圖像，并通過對比兩類物質（晶體與非晶體）的圖像來解釋現象，得出結論。在此實驗中，學生運用DIS實驗設備很快得到水的凝固與冰的熔化曲線，以及蠟的熔化與凝固曲線，同時通過對比這兩條曲線，發現兩種物質在熔化與凝固狀態下呈現不同的物理特性。在此基礎上，教師要求學生對兩組實驗圖像進行辨析，并且通過問題串引領學生探究兩種物質各自的熔化、凝固特點：（1）在兩張圖像（如圖1和圖2）中找到表示蠟與冰熔化的圖線？（2）兩段曲線有什么區別？（3）冰在熔化的過程中，曲線中的平緩過程表示什么？（4）在冰熔化的過程中，見到它試管中呈現為何種狀態？最終，學生通過分析，總結出晶體與非晶體熔化凝固的特點^[7]。

其二，時間分配更合理。

研究發現，在大部分傳統實驗中，學生要拿出40%的實驗時間用于數學計算和描點作圖，精力主要集中在數據采集和數據描述方面，而用于探究的時間所剩無幾，只有5%左右。

在數字化實驗中，上述兩部分數據處理的時間僅占整個實驗耗時的3%，計算、描點、作圖等工作都由計算機完成。學生的主要關注點在于根據數據進行探究或推測結論，并對最終結果進行擬合。從圖3可以看出，數字化實驗中學生可以將54%的時間用于探索研究^[8]。

傳統實驗與數字化實驗在學生數據素養培養的各個維度均有所涉及，然而，從其在體現各數據素養維度下的實驗操作中所用的時間來看，傳統實驗側重描點、作圖等部分的教學，可培養學生的數據收集與數據描述等低階數據素養;而在數字化實驗強調學生對于數據擬合、描述規律等部分的教學，有利于發展學生的數據分析與數據闡述等高階數據素養。

從國際大型的學生綜合能力測評中發現，數據素養正日益成為學生必備素養，初中是學生數據素養培養的基礎階段。筆者參考《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》與相關研究，將初中生數據素養分為數據意識、數據收集、數據描述、數據分析、數據闡釋五個維度，對應11個由低階到高階的能力指標。分析物理實驗案例可知，傳統實驗中教師要求學生將大部分精力投入在數據收集與數據描述兩個低階維度上，而對數據分析與數據闡釋等高階數據素養能力的培養較為欠缺;在數字化實驗中，教師將學生在數字運算與描點作圖方面的數據處理能力進行了適度弱化，注重學生的數據推測、擬合等探究過程，而這一過程正對應于數據分析等數據素養的高階能力。總之，數字化實驗彌補了傳統實驗在培養學生高階數據素養方面的不足。因此，在初中科學實驗中科學應用數字化手段能有效提高初中生的數據素養。

信息化不斷發展，關于數據素養的研究必將逐漸深化。當然，筆者對于初中生數據素養的研究也需進一步完善：一是關于數據素養的定義以及初中生數據素養培養目標沒有定論，尚待進一步科學論證;二是實驗案例有限，相關研究結論需在今后教學中進行大面積驗證與完善。

參考文獻

[1] Hogenboom K， Phillips C M H， Hensley M K. Show Me the Data！ Partnering with Instructors to Teach Data Literacy [C]//Declaration of Interdependence： The Proceedings of the ACRL 2011 Conference.Philadelphia： ACRL， 2011：410-417.

[2] 項華.論物理教育中數據素養的培養[J].中國現代教育裝備，2011（4）：84-85.

[3] 王鼎.國際大規模數學測評研究[D].上海：上海師范大學，2016.

[4] 陳娜萍.初中生數據素養現狀調查研究[D].福州：福建師范大學，2014.

[5] 中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準：2011年版[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[6] 陳娜萍.初中生數據素養評價指標與試題[J].初中數學教與學，2013（14）：5-7.

[7] 周偉.基于DIS的初中物理實驗教學探討——以“熔化與凝固”為例[J].物理之友，2017（11）：21-23.

[8] 丁玲.高中物理教學中的傳統實驗和數字化實驗優化整合的實踐研究[D].上海：上海師范大學，2008.

（作者張利平、劉平瑤系東南大學碩士研究生;夏小俊系東南大學講師、博士;柏毅系東南大學教授、STEAM教育評價專家委員會專家，中國教育學會科學教育分會常務理事）