淺談大數(shù)據(jù)思維與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2012年10月，美國(guó)教育部發(fā)布了《通過(guò)教育數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析促進(jìn)教與學(xué)》的報(bào)告。這一報(bào)告的發(fā)布，宣告了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)校，分析變革教育”的教育大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，掀起教與學(xué)的又一次變革。受大數(shù)據(jù)思維的啟發(fā)，筆者對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的困境進(jìn)行排查，認(rèn)為將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于開展個(gè)性化學(xué)習(xí)，可以挖掘翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)模式的過(guò)程數(shù)據(jù)、有效克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)操作考核諸多弊端。本文就相關(guān)問(wèn)題作初步的探討，力求為實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合和改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有價(jià)值的新思路。

一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)入中學(xué)教育的最佳切入點(diǎn)

大數(shù)據(jù)是一種思維，但它首先是一種技術(shù)。雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景，但是要讓大數(shù)據(jù)在改進(jìn)中學(xué)教學(xué)中發(fā)揮作用仍面臨不少困境和挑戰(zhàn)。首先面臨的是技術(shù)難題，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步，尚處于市場(chǎng)培育的前期，各種相關(guān)技術(shù)還很不扎實(shí)，直接可以用于教學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型和軟件產(chǎn)品少之又少。但在中學(xué)各科的實(shí)驗(yàn)儀器中，物理實(shí)驗(yàn)以電參數(shù)反映測(cè)量結(jié)果的儀器最多，即便是非電測(cè)量?jī)x器的結(jié)果，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的難度也最低。所以，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室是最容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)化的，加之中學(xué)物理教師總體上是最熟悉傳感器和數(shù)字化原理的學(xué)科教師，理所當(dāng)然應(yīng)該成為大數(shù)據(jù)引入中學(xué)教學(xué)的排頭兵。可以說(shuō)基礎(chǔ)教育通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代的路徑最短，難度最低，最具可行性。

二、將中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字化

要讓中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的要求，必須創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)裝備建設(shè)，使之具備實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存功能，搬開實(shí)驗(yàn)教學(xué)邁向大數(shù)據(jù)時(shí)代的絆腳石。未來(lái)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)當(dāng)突破普通實(shí)驗(yàn)室和探究實(shí)驗(yàn)室的界限，通過(guò)改造和更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，使之盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，對(duì)于部分無(wú)法數(shù)字化的儀器，可以采用人工智能、圖像分析等技術(shù)使之具備與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。同時(shí)，所有物理實(shí)驗(yàn)室應(yīng)全部建設(shè)成數(shù)字化信息采集系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DIS Lab），使DIS成為所有實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是僅限于探究實(shí)驗(yàn)室。

三、將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，突破實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的信息孤島

目前的中學(xué)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全都是通過(guò)數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，傳感器和數(shù)據(jù)采集器都受到線纜的約束限制，不僅使用不便，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組都是一個(gè)小小的信息孤島，不利于信息共享。而物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，可將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、管理。所以，未來(lái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必須立足使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無(wú)線藍(lán)牙傳感器代替有線傳感器，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有傳感器建成小型物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，這樣既避免線纜障礙，又可以避免傳感器數(shù)量的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享和儀器的協(xié)同工作，增加小組間交互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，提高DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用效率。

四、大數(shù)據(jù)應(yīng)用，不應(yīng)忽視教學(xué)過(guò)程視頻的采集和存儲(chǔ)

任何學(xué)科的教學(xué)過(guò)程本身就是重要的數(shù)據(jù)和教學(xué)資源，物理教學(xué)也不例外。因此，在使用物聯(lián)網(wǎng)、DIS系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和積累之后，很有必要將物理教學(xué)過(guò)程的視頻資料采集和積累下來(lái)。通過(guò)安裝“多點(diǎn)自動(dòng)追蹤攝像視頻采集系統(tǒng)”和配備平板電腦，實(shí)驗(yàn)室既可以在師生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行的同時(shí)自動(dòng)錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)場(chǎng)景的視頻，生成多路畫面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)全程的課堂教學(xué)視頻資源，又可以將學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)資源生成，發(fā)揮管理上的價(jià)值，同時(shí)這些視頻經(jīng)過(guò)整理，切片后又可以發(fā)布到網(wǎng)上，供下期學(xué)生提前觀看，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代的“先學(xué)后教”和教師物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自我反思，便于開展微視頻教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等新型信息化模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

目前，全國(guó)各地都在按照教育部的要求，加快“三通兩平臺(tái)”建設(shè)進(jìn)度，理念的超前和腳踏實(shí)地的探索對(duì)教育創(chuàng)新十分重要，建議有條件的中學(xué)和物理老師可以嘗試按照本文提出的思路，建設(shè)中學(xué)物理“未來(lái)實(shí)驗(yàn)室”，開展基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的物理教學(xué)實(shí)踐，讓“翻轉(zhuǎn)課堂”、“微課程”、“慕課”等信息信化教學(xué)模式在基礎(chǔ)教育中生根發(fā)芽，讓基于大數(shù)據(jù)思維的學(xué)習(xí)分析早日在中學(xué)物理教育中充分發(fā)揮其作用。