讓學(xué)生與技術(shù)發(fā)展同步，做大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)字科學(xué)家

編者按：“信息技術(shù)課程何去何從”，近年來(lái)成為大家熱議的話題。當(dāng)專家們用各自的理論與思考給出自己的解讀時(shí)，一些一線教師中的先行者也在用自己的實(shí)踐與行動(dòng)默默探索著自己的答案。本欄目將持續(xù)關(guān)注這些課程的民間探索者、實(shí)踐者，展現(xiàn)他們課程建設(shè)的心路歷程、設(shè)計(jì)思路和典型案例。

隨著信息時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展，海量數(shù)據(jù)已經(jīng)呈現(xiàn)，數(shù)碼產(chǎn)品的應(yīng)用隨處可見，人類社會(huì)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。大數(shù)據(jù)時(shí)代中人們運(yùn)用的教學(xué)工具已經(jīng)落后于教育技術(shù)本身的發(fā)展，學(xué)生愛玩計(jì)算機(jī)，不愿上信息技術(shù)課，這是信息技術(shù)教師面臨的共性問題。有人說(shuō)，學(xué)生對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)比教師還熟悉呢，信息技術(shù)教師教技術(shù)比不過IT企業(yè)的產(chǎn)品培訓(xùn)師，教創(chuàng)意比不過美術(shù)教師，信息技術(shù)課已經(jīng)沒有存在的必要了。這樣的觀點(diǎn)、這樣的言論，給我們提出了嚴(yán)峻的問題：信息技術(shù)課程應(yīng)該教什么？應(yīng)該怎么教，才能做一名合格的信息技術(shù)教師呢？探討新的技術(shù)環(huán)境下有效課程與教學(xué)問題具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)字科學(xué)家這門課程就是在大數(shù)據(jù)背景下誕生的。

● 數(shù)據(jù)素養(yǎng)與數(shù)據(jù)探究

美國(guó)《新聞周刊》資深記者斯蒂芬·貝克在《當(dāng)我們變成一堆數(shù)字》（英文版為《Numerati》）一書中指出：每一天，我們的身后都拖著一條由個(gè)人信息組成的長(zhǎng)長(zhǎng)的“尾巴”，當(dāng)我們點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)、切換電視頻道、駕車穿過自動(dòng)收費(fèi)站、用信用卡購(gòu)物、使用手機(jī)時(shí)信息已經(jīng)產(chǎn)生。而雅虎、Google這樣的公司，正在以平均每人、每月2500條信息的速度，捕獲我們的詳細(xì)數(shù)據(jù)。一群新興的數(shù)學(xué)精英，正千方百計(jì)地以驚人的準(zhǔn)確性，剖析我們的每個(gè)舉動(dòng)，預(yù)測(cè)我們的行動(dòng)計(jì)劃。他們神不知鬼不覺地，將我們買了什么、對(duì)什么感興趣、與誰(shuí)墜入愛河的人間風(fēng)光盡收眼底，就是為了巧妙地操控我們的行為。當(dāng)今或許最為重要的文化趨勢(shì)是：在數(shù)據(jù)爆炸的世界里，懂得利用數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)學(xué)的人們地位躥升。

此外，印度學(xué)者西蒙（Soman）在“數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ)教程”中寫道：一方面實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)，另一方面模擬也會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。面對(duì)龐雜的數(shù)據(jù)，研究結(jié)論對(duì)數(shù)據(jù)分析方法的依賴性空前增強(qiáng)，數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)隨之產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)就像一個(gè)金礦，可以從中提取信息，還可以通過數(shù)據(jù)挖掘，將信息轉(zhuǎn)化成為有價(jià)值的知識(shí)。數(shù)據(jù)挖掘從2005年開始已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域，同時(shí)也影響著科學(xué)研究的方式發(fā)生變化，具體案例涉及物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)從來(lái)沒有像今天這樣受到如此廣泛的關(guān)注，因此大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)挖掘是我們信息時(shí)代教師課程創(chuàng)新面臨的重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。鑒于此，北京師范大學(xué)物理系項(xiàng)華教授提出了數(shù)據(jù)素養(yǎng)的概念及其觀測(cè)的指標(biāo)體系。

項(xiàng)華教授（2010年）認(rèn)為，數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種利用數(shù)碼設(shè)備和相應(yīng)軟件探索未知世界的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平乃至科學(xué)素養(yǎng)水平的有效途徑是數(shù)據(jù)探究?？茖W(xué)探究包括實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究、理論探究和數(shù)據(jù)探究三種方式。

● 數(shù)據(jù)探究理念下的一種課程——數(shù)字科學(xué)家

2010年9月，在北京師范大學(xué)物理系項(xiàng)華教授主持的北京市教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題“數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃——基于數(shù)據(jù)探究的選修課程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)”指導(dǎo)下，我們體會(huì)到：數(shù)據(jù)探究是以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為載體，以數(shù)據(jù)為核心概念的探究活動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)據(jù)探究的過程，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)探究能力和科學(xué)素養(yǎng)水平。由此設(shè)計(jì)了景山學(xué)?！皵?shù)字科學(xué)家”課程。

“數(shù)字科學(xué)家”定位成校本課程或校本選修課程，是一門將科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)這4個(gè)領(lǐng)域以融合的方式整合而成的課程，是通過一個(gè)個(gè)具體的探究性學(xué)習(xí)案例，讓學(xué)生在掌握信息技術(shù)（技術(shù)）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、開發(fā)和制作實(shí)驗(yàn)裝置（工程），進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)，獲取數(shù)據(jù)，應(yīng)用其中的數(shù)學(xué)原理，得到一個(gè)科學(xué)的結(jié)論，并嘗試用多種不同的方式表達(dá)科學(xué)結(jié)論。該課程期望培養(yǎng)能夠?qū)θ魏我粋€(gè)感興趣的問題都能選用適當(dāng)?shù)?、科學(xué)的方法開展研究的“自由的研究者”。該課程特別關(guān)注幫助學(xué)生品味信息技術(shù)和科學(xué)的魅力，在探究與快樂之中播下未來(lái)科學(xué)家的種子。

“數(shù)字科學(xué)家”結(jié)合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知發(fā)展水平，在突出趣味性和有益性的同時(shí)，突出數(shù)碼設(shè)備及數(shù)字科學(xué)家課程理念的滲透，具體教學(xué)內(nèi)容為：第一課：數(shù)字科學(xué)家概述（1課時(shí)）；第二課：Scratch程序設(shè)計(jì)初步（1課時(shí)）；第三課：反應(yīng)時(shí)間及測(cè)定（4課時(shí)）；第四課：Face to face， Eye to Eye（人面探秘）（2課時(shí)）；第五課：鍵盤的研究（4課時(shí)）；第六課：血滴的研究（2課時(shí)）；第七課：足跡的研究（2課時(shí)）；第八課：指紋的研究（2課時(shí)）；第九課：汽車超速了嗎（2課時(shí)）。

本課程采用基于問題的小組探究式學(xué)習(xí)，即“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”探究型的學(xué)習(xí)模式。教師的作用是：創(chuàng)設(shè)情況，引出問題，引導(dǎo)學(xué)生提煉出核心問題—指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)研究方案—點(diǎn)評(píng)學(xué)生研究方案，提出改進(jìn)意見—指導(dǎo)學(xué)生實(shí)施。學(xué)生的活動(dòng)流程為：在教師創(chuàng)設(shè)的情境或現(xiàn)實(shí)情境中，提出問題—根據(jù)問題提出解決辦法，設(shè)計(jì)探究方案—根據(jù)教師建議，修改探究—進(jìn)行數(shù)據(jù)探究，獲取數(shù)據(jù)—處理分析數(shù)據(jù)，撰寫研究報(bào)告—評(píng)價(jià)反思、展示交流?！皵?shù)字科學(xué)家”的教學(xué)模式如下圖。

此外，“數(shù)字科學(xué)家”是在計(jì)算機(jī)教室的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)施的，以學(xué)生發(fā)展為本，初步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式、數(shù)據(jù)探究意識(shí)，介紹簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)的科學(xué)分析方法，使學(xué)生能帶著興趣進(jìn)行科學(xué)研究活動(dòng)。因此，在課程資源和環(huán)境的設(shè)計(jì)上，采用一種基于WebQuest的組織形式，以主題探究的形式，融入軟件工具學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)搜索、合作探究，制作成了數(shù)字科學(xué)家主題網(wǎng)站。

每一個(gè)探究任務(wù)包括：核心問題、任務(wù)指南、海量資源、做中學(xué)、交流與評(píng)價(jià)。

● “數(shù)字科學(xué)家”的實(shí)施及其效果分析

2011年3月，我們開始在初中一年級(jí)對(duì)“數(shù)字科學(xué)家”進(jìn)行了兩輪試驗(yàn)，本課程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析的方式基本是利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)采集的有效數(shù)據(jù)，在Excel軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將數(shù)據(jù)以圖像和關(guān)系方程的形式展現(xiàn)出來(lái)，更直觀，便于比較，也能為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘、課堂內(nèi)容的延伸和發(fā)展打下基礎(chǔ)。

總體來(lái)講，第二輪的數(shù)字科學(xué)家課程跟第一輪的課程相比，在內(nèi)容上略作了改動(dòng)，形式上也做了較大的調(diào)整，使得該課程更加符合“數(shù)字科學(xué)”的教學(xué)理念。具體實(shí)施情況如下。

（1）從課程內(nèi)容上來(lái)看，第一輪中反應(yīng)時(shí)間的研究中共設(shè)計(jì)了三個(gè)具體任務(wù)，即機(jī)械反應(yīng)時(shí)間的探究、視覺反應(yīng)時(shí)間的探究和具有選擇性結(jié)構(gòu)的視覺反應(yīng)時(shí)間的探究。第二輪中這一單元內(nèi)容的設(shè)計(jì)上降低了難度，增大了靈活性，加入了reaction這樣成型的小程序，加強(qiáng)了趣味性，使學(xué)生負(fù)擔(dān)變小，興趣增加，課堂更生動(dòng)活潑，成果更多樣。

（2）在第一輪的課堂教學(xué)中比較關(guān)注Scratch程序的編寫，關(guān)注數(shù)據(jù)的采集方法，關(guān)注所涉及的技能的掌握落實(shí)，在上課過程中發(fā)現(xiàn)了學(xué)生整體借鑒他人成果的現(xiàn)象，有些學(xué)生死記硬背一些軟件儀器的操作，并沒有自主、積極地進(jìn)行科學(xué)研究的欲望和態(tài)度。因此，在第二輪教學(xué)中教師將任務(wù)的設(shè)定權(quán)交予學(xué)生自己，讓他們?cè)O(shè)定要研究的主題。在學(xué)習(xí)使用Scratch和Excel等軟件和儀器時(shí)，也是首先由教師進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能介紹、程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集與處理講解，然后由學(xué)生通過自己的努力及與他人的合作，努力利用他們手中所具有的儀器完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，一直很積極地去探索方法，設(shè)計(jì)程序，采集數(shù)據(jù)。由于沒有具體方法的限制，所以學(xué)生的思路是開放的，設(shè)計(jì)是多樣的，結(jié)論是豐富的。一個(gè)學(xué)期結(jié)束后，一部分學(xué)生對(duì)程序的編寫比第一輪試驗(yàn)的學(xué)生更進(jìn)了一步，可以按照自己的目標(biāo)制定計(jì)劃，編寫相關(guān)程序，有些學(xué)生甚至可以改寫Scratch中成型的程序，或者自己設(shè)計(jì)課堂目標(biāo)外的程序。

有些學(xué)生下課后久久不愿離開教室與老師探討課上的問題，或交流自己的成果。學(xué)生的興致增加了，積極性提高了，對(duì)科學(xué)的研究更感興趣了，本課程的預(yù)設(shè)目標(biāo)正在逐步實(shí)現(xiàn)。

（3）從教學(xué)形式上來(lái)說(shuō)，第一輪的課程中基本上是以教師介紹為主，學(xué)生在教師的講授中逐步掌握一些具體的知識(shí)和設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，同實(shí)際學(xué)科的教學(xué)沒有太大的分別，只是涉及了Scratch編程的內(nèi)容以及校園網(wǎng)論壇的互動(dòng)等互聯(lián)的內(nèi)容。大體的設(shè)計(jì)思路是：提出問題—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—采集數(shù)據(jù)—處理數(shù)據(jù)—分析結(jié)論得出結(jié)果。

但是在第二輪試驗(yàn)中，從一開始就關(guān)注了學(xué)生的主體和學(xué)生活動(dòng)。具體的設(shè)計(jì)過程是：學(xué)生分組—分配任務(wù)—根據(jù)大的目標(biāo)設(shè)計(jì)本組的具體目標(biāo)—針對(duì)目標(biāo)小組討論得出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案—對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)和修正—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)—分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

需要說(shuō)明的是，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、總結(jié)階段都有學(xué)生的匯報(bào)和交流，同學(xué)們之間互相借鑒互相提問，使實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施更具有效性和合理性，使數(shù)據(jù)探究的過程更加嚴(yán)謹(jǐn)。

（4）學(xué)生研究成果豐富。學(xué)生在兩輪的教學(xué)中都有所收獲，而且成果較上學(xué)期的內(nèi)容更豐富，更具有想象力。學(xué)生成果的具體形式有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、程序以及設(shè)計(jì)圖、數(shù)據(jù)表格、圖像等。種類多，實(shí)驗(yàn)次數(shù)多，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)過程更流暢，更自主。體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的課堂環(huán)境。學(xué)生的成果通過校園網(wǎng)互通，通過分組展示交流，這樣的課堂設(shè)計(jì)體現(xiàn)了互聯(lián)的意識(shí)，學(xué)生的興趣度大增。

在課程進(jìn)行中，完成一個(gè)內(nèi)容后會(huì)有學(xué)生成果的現(xiàn)場(chǎng)交流和展示。每個(gè)小組都會(huì)上臺(tái)對(duì)本小組的研究成果進(jìn)行說(shuō)明，其他小組的同學(xué)會(huì)根據(jù)展示說(shuō)明的同學(xué)的表現(xiàn)及內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)和打分，也會(huì)根據(jù)自己的想法提出贊許或改進(jìn)的意見和建議。這樣的交流類似研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生研究的內(nèi)容雖然有區(qū)別但是大目標(biāo)是一致的，所以在陳述其方式方法以及成果展示的時(shí)候會(huì)有一定的比較和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。學(xué)生可以在這樣的交流中得到提高，在評(píng)價(jià)中形成更完善的方法，使學(xué)習(xí)更有效更富有積極性，達(dá)到更讓人驚喜的成績(jī)。

在課程的最后，學(xué)生通過筆試和問卷的形式進(jìn)行了所謂的“考核”。從考核的結(jié)果來(lái)看，學(xué)生對(duì)技術(shù)的掌握較為到位，全班的水平?jīng)]有太大的差距；對(duì)本課程的收獲和體會(huì)，有的說(shuō)知道了科學(xué)的研究程序和方法，有的說(shuō)激起了自己進(jìn)行科學(xué)研究的興趣，有的則表示還要進(jìn)行其他研究?jī)?nèi)容的愿望。

（5）積累了豐富的課程資源，為校本選修教材的撰寫奠定了基礎(chǔ)。兩輪課程進(jìn)行的教案、教學(xué)資料、學(xué)生電子文檔、課堂實(shí)施錄像（20節(jié)）。

總之，經(jīng)過兩年的建設(shè)與實(shí)踐，“數(shù)字科學(xué)家”已經(jīng)成為我校的特色校本課程，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)探究意識(shí)和數(shù)據(jù)探究能力。同時(shí)，我們還應(yīng)明確，信息技術(shù)教師首先要做終身學(xué)習(xí)的實(shí)踐者，要學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，努力與技術(shù)發(fā)展同步；其次要有開闊的視野，了解技術(shù)的發(fā)展及其在教學(xué)中的應(yīng)用，做學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用技術(shù)的引導(dǎo)者；最后還要做課程的開發(fā)者，技術(shù)的發(fā)展給人類的生活、人類的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的變化與挑戰(zhàn)，課程創(chuàng)新是教師專業(yè)發(fā)展的必由之路。