將數據技術有效融入科學教育“加法” 賦能學生成長

高凱

在當今信息化社會浪潮中，數字技術的崛起正在以前所未有的方式改變人們的生活方式。特別是在教育領域，這一變革顯得尤為突出，引領教育創新和發展的新方向。2024 年1 月，世界數字教育大會召開，無疑為數字技術在教育領域的廣泛應用和深度融合注入了新的活力。隨著技術的快速發展，數據已經成為我們生活中不可或缺的一部分。大數據技術的應用正在深刻改變人們的生活方式和商業模式，推進社會進步的步伐。

在數據采集中形成正確的科研方法

科學教育的目標之一是培養學生的實證思維和批判性思考能力，而數據分析恰是實現這一目標的重要途徑。通過將數據采集與分析融入科學教育，我們可以讓學生在實踐中學習如何從大量信息中提取有效數據，運用統計學原理進行處理和解讀，進而形成基于證據的結論，提升其解決問題的能力。具體來說，在教學過程中可以設計各種實驗或項目，讓學生親身參與數據的收集過程，了解并掌握如何設計合理的數據采集方案，使用何種工具和技術獲取數據。同時，借助信息技術手段和數據分析軟件進行數據清洗、整理、計算和可視化展示，讓學生能夠深入理解數據背后的科學規律。在科學研究過程中，每一個數據的變化都可能蘊藏著深刻的科學原理。因此，學生通過對客觀數據進行采集、分析，不僅能鍛煉自己的觀察能力、實驗能力和數據收集能力，更能深入理解科學研究的嚴謹性和精確性。數據采集的過程需要學生具備耐心、細致和認真的品質，需要仔細觀察實驗現象，準確記錄數據，確保數據的真實性和可靠性。這種嚴謹的態度和精確的精神將貫穿學生的整個科學學習生涯，為他們未來的科學研究和職業發展奠定堅實的基礎。

北京二中在技術學科的建設中正在實踐運用更多數字化和智能化方式，引導學生理解數據在人們日常生活中的意義。2023 年，學校對原有農業種植大棚進行改造，將更多數字化和信息設備融入其中，升級為智慧農業大棚，比如在土壤中部署矩陣式土壤濕度傳感器，在大棚頂部增加補光燈和函道風扇，在大棚四周增設環境溫濕度傳感器，在水閥處安裝智能閥門，在特定區域增設攝像頭……學校還與高校一起合作開發了具有北京二中特色的物聯網平臺， 實時采集智慧農業大棚中的傳感器數據，學生可以通過電腦端察看數據變化，還能夠結合高中信息技術課程中學習的數據處理技術完成對數據的分析，進一步實施數據挖掘，根據種植需要提供數據支持。平臺的數據資源向全校學生開放，對科學研究有興趣的學生可以進行信息采集和分析，實現跨學科、多學科融合發展，既可以滿足對植物學科感興趣學生的科研需求，也能夠通過光線變化探究四季光照對農作物生長的影響，還可以通過遠程控制的方式遠程灌溉、精準灌溉。有了數據的支撐，目前學生正在探究航天種子與普通種子在種植過程中所展現出來的不同特點。

數據分析能力已成為學生適應未來智能生活的核心能力之一，對于未來社會的人才需求具有重要意義。因此，在科學教育中強化數據意識、提升數據分析技能，不僅有助于培養學生適應時代發展的綜合素質，更能激發他們探索科學的熱情，為我國科技創新和經濟社會發展輸送更多具備數據素養的優秀人才。

在數據應用中理解數據的意義

近年來，人工智能技術的迅猛發展無疑成為了科技領域的璀璨明星。這一飛躍性的進步，離不開數據、算法和算力這三大基石的協同作用。它們是人工智能技術的三大支柱，共同支撐起這一技術領域的廣闊天地。以大語言模型為代表的生成式人工智能，正在以前所未有的方式改變我們獲取知識、理解知識的方式。如今，我們不僅能夠通過文字生成文字，更能實現文字生成圖像，甚至進一步生成視頻。教師應引導學生認識到數據對于模型訓練和人工智能技術發展的重要作用。每一個精準的大語言模型，都離不開海量數據的滋養。數據不僅是模型學習的源泉，更是其不斷進步、不斷完善的動力所在。隨著人工智能技術的普及和應用，越來越多學校開始開設與這一技術相關的課程內容，旨在培養學生的創新能力和科技素養。在這個過程中，構建數據集成為引導學生深入理解人工智能技術的重要一環。以人工智能技術的典型應用圖像分類為例，通過深度學習算法對圖像中的特征進行提取和分析，能夠實現對不同物體的精準分類。然而，要想達到理想的分類效果，前期的數據采集和標定工作至關重要。這需要我們對大量的圖像數據進行整理、標注，確保其準確性和可靠性。只有這樣，模型才能從中學習到有效的特征信息，進而實現目標。因此，在教授人工智能技術過程中，教師不僅要注重對學生理論知識的傳授，更要注重學生實踐能力的培養。通過引導學生參與數據集的構建和模型的訓練過程，讓他們親身體驗到數據對于人工智能技術的重要性，從而更加深入地理解和掌握這一前沿技術。

在數據分析中感悟嚴謹的科學精神

嚴謹、認真是科學精神的核心要義，要將其貫穿于科學教育的始終，在基礎教育階段將其根植于學生的科研基因中，為今后的科研工作奠定正確的價值觀基礎。數據分析作為科學研究的重要手段之一，不僅僅是技術和方法的運用，更是一種嚴謹科學精神的深刻體現。在數據分析的過程中，首先追求的是數據的真實性和完整性，這是數據分析的基石，也是其可靠性的保證。只有真實可靠的數據，才能為我們提供準確的信息和有價值的研究成果。數據分析還需要我們保持開放的心態和批判性思維。我們要敢于質疑已有的結論和觀點，不斷挑戰自己的分析和判斷，保持對新知識和新技術的敏感性，不斷更新數據獲取的途徑與技術方式。數據分析還需要我們具備嚴謹的邏輯思維和推理能力，要通過深入的分析和挖掘，發現數據背后的規律和趨勢，揭示出隱藏在數據中的深層信息。這需要我們具備扎實的專業知識和敏銳的洞察力，能夠準確地把握問題的本質和關鍵所在。

“運用圖像識別技術探究阻尼對物體晃動的影響因素”課程，巧妙地結合了圖像識別技術與數據分析，為學生提供了全新的學習體驗。該課程的核心是通過攝像頭采集物體晃動的像素變化，這一步驟不僅涉及到圖像識別技術的運用，還要求學生理解像素與物體運動之間的關系。隨后引導學生對這些數據進行分析，探究阻尼對物體晃動的影響。在數據分析過程中，學生以小組為單位，共同分析晃動的幅度與時間的關系。學生利用數據繪制出曲線，通過對曲線的觀察和分析，可以更直觀地理解物體晃動的規律。課程還突出了對數據極值的分析。極值在數據分析中往往代表著某種特殊現象或規律，通過對極值的探究，學生可以更深入地理解阻尼對物體晃動的影響機制。這種深入的分析過程，不僅鍛煉了學生的數據分析能力，還培養了他們的科學探索精神。

在數字化、信息化時代，數據被賦予了更多的意義。在科學教育中引導學生理解數據、應用數據，能夠更好地培養學生的科學素養，也能為他們未來的發展奠定更加良好的基礎。數據的采集、清洗、分析、運用是一個完整的閉環，將其滲透到不同領域的科學學科中，對于學生掌握正確的科研方法、形成有效的思維方式、內化科學精神都有重要作用。