加強科學(xué)實踐，提高學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)

沈躍群

【編者按】數(shù)據(jù)意識是新時代每一個學(xué)生必須具備的科學(xué)素養(yǎng)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》中“利用測量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點”的提法，以及運用數(shù)據(jù)等描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程，都強調(diào)了數(shù)據(jù)的重要性。

教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生正確認知數(shù)據(jù)的意義和價值，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)意識，為提升科學(xué)素養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)。具體而言，教師可從催發(fā)數(shù)據(jù)需求、經(jīng)歷數(shù)據(jù)搜集、討論分析數(shù)據(jù)、反思數(shù)據(jù)誤差和彌補數(shù)據(jù)缺失等方面入手，切實培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識。本專輯的兩篇文章對此進行了探索。

【摘 要】信息化時代，數(shù)據(jù)素養(yǎng)已成為當(dāng)代學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)之一。良好的數(shù)據(jù)素養(yǎng)可以幫助學(xué)生正確判斷事物并做出決策。在教學(xué)中，加強科學(xué)實踐，通過課外數(shù)據(jù)調(diào)查，運用數(shù)據(jù)觀察描述事物特征和變化，沿著思維發(fā)展階梯有層次地分析解讀數(shù)據(jù)等實踐活動，可有效提高學(xué)生數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)倫理等數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)實踐 數(shù)據(jù)素養(yǎng) 教學(xué)策略

學(xué)生的數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)知識、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)倫理等數(shù)據(jù)素養(yǎng)需要教師有意識地培養(yǎng)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，“利用測量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點”“利用觀察、實驗等各種方法獲得數(shù)據(jù)，用科學(xué)語言、概念圖、統(tǒng)計圖表等對數(shù)據(jù)進行整理分析，運用所學(xué)科學(xué)原理、思維方法和數(shù)學(xué)方法處理數(shù)據(jù)，建構(gòu)解釋，得出結(jié)論，判斷結(jié)論與假設(shè)是否一致”。因此，會用數(shù)據(jù)表征物體的某些特點，會收集準確的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析，解讀數(shù)據(jù)得出基于數(shù)據(jù)的結(jié)論，是重要的科學(xué)探究能力。

一、科學(xué)實踐在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)中的作用

1.提供真實數(shù)據(jù)情境。

核心素養(yǎng)是個體在與各種真實情境持續(xù)的互動中，不斷解決問題和創(chuàng)生意義的過程中形成的。離開科學(xué)實踐，學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)無法得到有效培養(yǎng)。通過課內(nèi)、課外多形式的科學(xué)實踐活動，讓學(xué)生親身經(jīng)歷數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和應(yīng)用過程，從而深入了解數(shù)據(jù)在生活和科學(xué)研究中的意義和價值，可以幫助學(xué)生更好地理解數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2.增強數(shù)據(jù)處理技能。

在科學(xué)研究中，學(xué)生需要提出問題，收集有效數(shù)據(jù)、處理和分析數(shù)據(jù)、解讀數(shù)據(jù)背后的意義、運用數(shù)據(jù)進行決策等，這些技能的獲得離不開科學(xué)實踐。豐富多樣的科學(xué)探究、工程實踐活動可為學(xué)生提供訓(xùn)練場，提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力。

3.培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析思維。

數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模、基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論并推理論證、運用數(shù)據(jù)分析方法創(chuàng)造性解決問題，這些思維能力的培養(yǎng)都離不開科學(xué)實踐?？茖W(xué)實踐有助于發(fā)展學(xué)生的邏輯思維和數(shù)據(jù)分析能力。

4.提升數(shù)據(jù)表達能力。

在科學(xué)實踐中，學(xué)生需要將分析結(jié)果以適當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)出來；在研討交流過程中，團隊成員需要相互協(xié)作、交流和分享數(shù)據(jù)、信息，在交流中理解他人的數(shù)據(jù)和觀點，學(xué)會對數(shù)據(jù)質(zhì)疑，并表達自己的數(shù)據(jù)見解。這些有助于提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表達能力。

二、提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)的路徑和方法

1.開展生活調(diào)查，增強數(shù)據(jù)意識。

數(shù)據(jù)意識即對數(shù)據(jù)的敏感性和認知能力，能夠意識到數(shù)據(jù)在解決問題和決策中的重要性，以及能夠主動地去尋找、獲取和利用數(shù)據(jù)。生活中的數(shù)據(jù)無處不在，缺少的是得到關(guān)注。在毫升概念建構(gòu)過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生做課外調(diào)查，在家中或超市調(diào)查10種以上液體容積，并做好記錄；返校后，在實驗室抽簽完成挑戰(zhàn)性任務(wù)，用550毫升的礦泉水瓶取500毫升、250毫升、300毫升和200毫升水，4人組成一個小組，每人抽到不同簽，誤差在10毫升以內(nèi)的為優(yōu)秀。這個活動引發(fā)學(xué)生參與熱情，在調(diào)查中學(xué)生發(fā)現(xiàn)，某飲料滿瓶正好是500毫升，且礦泉水瓶中間凹凸設(shè)計有數(shù)據(jù)意義，云紋線下第5條溝正好是250毫升。而生活中，廚房中的米醋、醬油等瓶子都可以成為量器。

其他還有很多物理量同樣可以通過調(diào)查、挑戰(zhàn)性任務(wù)測試等方法進行訓(xùn)練，如質(zhì)量單位“克”，教師可引導(dǎo)學(xué)生知道50克相當(dāng)于一個雞蛋的質(zhì)量，100克相當(dāng)于一杯小酸奶的質(zhì)量，以此增加學(xué)生生活中的數(shù)據(jù)經(jīng)驗，使其加強感知，形成主動關(guān)注意識的習(xí)慣。

2.引導(dǎo)數(shù)據(jù)描述，提高表征能力。

《課程標準》提出，“利用測量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點”“運用數(shù)據(jù)等描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程”，都強調(diào)了用數(shù)據(jù)描述的重要性。數(shù)據(jù)是物體某個特征的重要指征，如礦物硬度，學(xué)生閱讀礦物特征卡時會發(fā)現(xiàn)石英和螢石顏色、光澤、透明度、條痕顏色等特征都基本相同，但硬度不同，若要區(qū)分這兩種礦物就必須鑒定硬度，螢石的莫氏硬度為4，石英的莫氏硬度為7；用小鋼刀能在螢石上劃出痕跡，在石英上不能。由此可見，正確認知數(shù)據(jù)的意義和價值，能提高精準測量與表達數(shù)據(jù)的意識。

除用數(shù)據(jù)描述事物的某個特征，記錄與比較事物的變化過程更體現(xiàn)了數(shù)據(jù)價值。例如，觀察記錄綠豆發(fā)芽、生長變化過程，除了用“種皮破裂，長出胚根”這樣的定性語言描述，教師要引導(dǎo)學(xué)生測量，用數(shù)據(jù)描述“胚根長多少厘米”。這樣的記錄方法能夠提供更多有價值的信息?？傊^察生物體的生長變化都可以用定性與定量相結(jié)合的方法來觀察、描述、記錄，提高數(shù)據(jù)表達意識。

此外，在工程設(shè)計領(lǐng)域，如設(shè)計制作小車，教師要求學(xué)生在設(shè)計圖上除了標注形狀、結(jié)構(gòu)，還要標注規(guī)格、材料等。這樣，學(xué)生的設(shè)計活動會更接近于設(shè)計師的工作。

3.指導(dǎo)分析解讀，發(fā)展數(shù)據(jù)能力。

數(shù)據(jù)素養(yǎng)中最重要的是數(shù)據(jù)能力，包括數(shù)據(jù)的收集、整理、處理、分析和解讀等方面的能力，其中數(shù)據(jù)分析解讀是重點、也是難點。

（1）任務(wù)驅(qū)動，催生收集需求。

挑戰(zhàn)性問題或挑戰(zhàn)性任務(wù)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，使其產(chǎn)生主動收集數(shù)據(jù)的需求。如，當(dāng)學(xué)生探究了1分鐘擺動60次的擺，擺繩長度大約為25厘米后，教師可適時提出拓展任務(wù)：那么1分鐘擺動50次、40次、30次、20次的擺，擺繩長度分別是多少厘米？

學(xué)生在1分鐘擺動60次的擺的基礎(chǔ)上推測，1分鐘擺動50次的擺，擺繩長度可能是30厘米或大于30厘米。到底是多少，他們很想馬上試試。在任務(wù)驅(qū)動下，收集數(shù)據(jù)成為學(xué)生的自主探究需求，他們不斷測試、推測、調(diào)整、再測試、再推測……當(dāng)發(fā)現(xiàn)1分鐘擺動50次的擺，擺繩長度大約是35厘米時，他們就會推測1分鐘擺動40次的擺，擺繩長度可能大約是45厘米，理由是每分鐘擺動60次的擺25厘米，50次的擺35厘米，那么40次應(yīng)當(dāng)增加10厘米以上。這樣的估計對不對，需要學(xué)生驗證。只要給足時間，在好奇心驅(qū)使下學(xué)生會持續(xù)自主探索，直到尋找到問題的答案。在這樣的科學(xué)實踐中，學(xué)生不斷實踐，不斷修正猜想，不斷在潛意識中尋找數(shù)據(jù)變化規(guī)律，不斷發(fā)展數(shù)據(jù)解讀與推理能力。

（2）轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，優(yōu)化呈現(xiàn)方式。

收集到大量數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計或者轉(zhuǎn)化，以幫助學(xué)生更好地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的信息。折線圖、柱狀圖、餅狀圖等是常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，可以讓數(shù)據(jù)變得更加直觀和易于理解。如，筆者在教學(xué)“沉浮與水位變化研究”時，往體積40立方厘米的小盒子里依次增加10克重量，觀察盒子放入水中時的水位變化情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)（如表2）。

為幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特點和蘊含的信息，清晰找到數(shù)據(jù)背后的趨勢和規(guī)律，筆者讓學(xué)生轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，制成折線圖（如圖1），完成畫圖后組內(nèi)思考與討論：

①質(zhì)量增加時水位是怎樣變化的？與你的猜想一致嗎？

②質(zhì)量影響水位變化嗎？怎樣影響？

③在表格“……”處寫出你的推測。交流推測理由。

④觀察浮時數(shù)據(jù)表中質(zhì)量、水位變化的數(shù)值，你有特別發(fā)現(xiàn)嗎？

筆者以問題為支架，引導(dǎo)先完成測量與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的小組進入思考階段，觀察數(shù)據(jù)是否支持先前猜想；從物體放入水中后的水位變化，可以獲得哪些信息。當(dāng)一個沉的物體放入水中，水位變化即它排開的最大水量（即它的體積）；浮的物體，排開的水量即它的重量（質(zhì)量）。其中的相關(guān)性如表3所示。

這樣的呈現(xiàn)方式可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個有趣的規(guī)律，并能用規(guī)律進行推理，解決實際問題，有效提升了學(xué)生的數(shù)據(jù)意識。

（3）分層解讀，發(fā)展分析思維。

①比較與分類，識別信息。

先讀懂?dāng)?shù)據(jù)記錄表，后比較數(shù)據(jù)。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生橫向比較數(shù)據(jù)、縱向比較數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性。如教學(xué)“沉浮與水位變化研究”一課，研討過程如下。

生1：質(zhì)量增加時，水位是逐漸上升的。但是，等到這個物體已經(jīng)完全浸沒在水中的時候，水位不變了。與我們的猜想是一致的。

師：質(zhì)量影響水位嗎？

生1：影響。從我們的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，物體質(zhì)量是10克、20克、30克、40克的時候，盒子是浮的。質(zhì)量會影響水位上升。

師：浮的時候是影響的，沉的時候呢？

生（齊）：不影響。

②分析與綜合，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

從數(shù)據(jù)表到圖形，分段解讀。教師引導(dǎo)學(xué)生分別研討沉的階段和浮的階段，水位變化與物體質(zhì)量、體積之間的關(guān)系，挖掘數(shù)據(jù)信息，找到轉(zhuǎn)折點。過程如下。

生2：我回答上面第三個問題，我們推測水位上升一直都是40毫升，不會變，沉浮情況是一直都是沉。

師：怎么解釋后面這個不變的數(shù)據(jù)？

生2：因為從50克開始，后面一直是沉的，所以我們基本上可以確定，質(zhì)量只要在50克以上，體積不變，它都是沉的。

師：你認為這個40是什么？

生2：這個40我認為應(yīng)該是這個盒子的體積。

師：同意嗎？是它排開的最大水量，就是它的體積。所以再重的話，排開的水量能更多嗎？

生2：不會，因為已經(jīng)是最大排開的水量了。

生3：最后，我們推測出一個結(jié)論，就是如果它是全部沉下去的話，水位上升的毫升數(shù)和盒子的體積是一樣的。如果它是浮著的話，那么水位上升的毫升數(shù)和盒子的質(zhì)量是一樣的。

師：當(dāng)浮的時候，浮力等于重力。

生3：一克水大約等于一毫升，所以我們做出這樣一個推測。

師：大家有沒有聽明白他說的？他說一克水就是一毫升，他發(fā)現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)上的規(guī)律。我們把它轉(zhuǎn)化成折線圖，來看看能不能找到這個規(guī)律？（投影展示折線圖。）

師：同學(xué)們，看這個圖，你們還有推測嗎？

生3：我們推測假設(shè)質(zhì)量是70克、80克、90克，它的水位上升都是40毫升。到了40克再也不會上去了。

師：因為什么？

生3：因為它排開的水量已經(jīng)到了最大值。

師：如果在40毫升以內(nèi)呢？

生3：40毫升以內(nèi)的話，它是浮著的狀態(tài)，所以說，如果它的質(zhì)量是10克的話，那么它水位上升的就是10毫升，即質(zhì)量是多少，水位就上升多少。

③辯證與推理，遷移應(yīng)用。

通過前面的數(shù)據(jù)研討，學(xué)生發(fā)現(xiàn)40克是轉(zhuǎn)折點，并找到了規(guī)律：浮的狀態(tài)，水位上升毫升數(shù)就是物體質(zhì)量。下一步，學(xué)生要深入分析折線圖，充分挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律的價值，推導(dǎo)出新的信息，解決實際問題。

師：現(xiàn)在，我在盒子里裝了3顆5克的鋼珠，共15克。根據(jù)折線圖，你們覺得水位會上升多少？

生：15毫升。

師：假如25克呢？（生齊：25毫升）50克呢？（生說50毫升，立即改口40毫升）。因為這個時候……

生（齊）：因為已經(jīng)下沉了。

師：那么，倒過來看一下，如果我現(xiàn)在不知道這個盒子里裝的物體有多重。我裝了這樣一個大鋼珠，它排開了34毫升的水。整個有多重，你知道嗎？

生：34克。

師：你們能從折線圖上找到推測依據(jù)嗎？看縱軸……（指導(dǎo)解讀折線圖）今天，我們有一個意外的發(fā)現(xiàn)，看水位變化可以知道什么？

生（齊）：物體的質(zhì)量。

師：什么情況下的質(zhì)量？

生（齊）：浮著的時候。

借助折線圖可以雙向推理：看橫軸，知道物體質(zhì)量就可以推測出沉浮，并推測出在水中排開的水量，水位上升情況；反之，看縱軸，由水位上升情況可以推測出浮的物體的質(zhì)量，及物體在水中的沉浮狀態(tài)。最后，讓學(xué)生創(chuàng)造性解決問題：僅用裝水刻度杯，能否測出一塊不規(guī)則石頭的體積和質(zhì)量。解決方案是放入水中，水位上升毫升數(shù)就是它的體積，而質(zhì)量，只要借助空盒子讓物體浮于水面就可以了。同樣浮的物體，質(zhì)量和體積也可以用觀察水位變化的方法知道，只要沉沒水中就可以測得體積。

綜上所述，在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)素養(yǎng)不僅是科研工作者和數(shù)據(jù)分析師的專利，更是廣大學(xué)生需要掌握的基本技能。教學(xué)中，教師可通過生活數(shù)據(jù)調(diào)查、應(yīng)用數(shù)據(jù)描述、有層次地分析數(shù)據(jù)等科學(xué)實踐活動來提升學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

（作者單位：浙江省湖州市南潯區(qū)錦繡實驗學(xué)校）

參考文獻：

［1］楊向東.如何基于核心素養(yǎng)設(shè)計教學(xué)案例［N］.中國教育報，2018-5-30.

［2］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.