初中科學教材插圖數據圖像化處理特點與教學研究

阮慶元

[摘 要] 浙教版初中科學教材編排了30多幅關于數據圖像化處理的插圖，主要包括圓餅圖、條形圖、折線圖和面積圖。圓餅圖反應的是事物局部與整體關系；條形圖反應的是不同局部對同一指標所表達顯著程度；折線圖反應的是變化趨勢；面積圖強調總值趨勢變化。以這四種圖像的構成特點為基礎，實現初中生數據圖像化處理意識、數據圖像化處理技巧與能力的培養，從而提升初中生理性思維能力。

[關鍵詞] 數據圖像化；信息處理；教材插圖

數據是對事實、概念或指令的一種表達形式。數據處理的基本目的是從大量的、可能是雜亂無章的、難以理解的數據中，抽取并推導出對于處理者來說是有價值、有意義的數據。數據圖像化處理是數據可視化處理的重要方法，是一個轉化、解釋的過程，將賦予數據一定的意義而成為信息，從而實現直觀地洞察數據所隱藏的事物特征與變化規律。在這大數據時代，正確掌握處理數據的方法、提取有價值的信息，并做出切實有效的決策，是現代人所應具備的基本能力。

浙江省在20世紀90年代初的基礎教育課程教材改革時，在初中階段實施了綜合科學課程，教材以豐富的插圖與文字互為補充，關于數據圖像化處理的插圖有37幅，其形象、便于理解的特性，實現了對數字的逾越與延宕，直觀地傳遞出豐富的信息。數據圖像化處理的形式選擇與結果呈現，無不體現著理性的思維與科學的方法，這對于思維特征處于形象思維向理性思維過渡階段的初中生，更能收到事半功倍的教學效果。

一、圓餅圖

“土壤成分”，教材編排了五個學生實驗，從定性的角度認識土壤的組成，再通過土壤中空氣體積分數等的測定，定量認識土壤各成分占比，使學生獲得大量的數據。然后教材再以插圖的形式呈現了實驗數據的處理，如圖1所示，使壤土類土壤的組成結構躍然而出。

從圓餅圖的構成看，其主要構成是將圓餅拆分成的若干個扇形，標注的比例和提示性文字。從圓餅圖的信息表達看，一個圓代表著整體，每個扇形面積代表著局部。從圓餅圖的功能實現看，反應了局部與整體的關系，即局部在整體中的所占比重。

因此，可以在圖1基礎上根據其不同組分的占比變化，推演出砂土類土壤、黏土類土壤的組成結構特點。在推演中，隨著某些成分在整體中占比的增加，由于總量為定值，另一些組分占比必然隨之下降。通過對圓餅圖的解讀，挖掘其隱藏的思維方法，使學生明白系統內的各局部不是單純疊加或機械堆積，而是相互關聯、相互影響。當其占比發生變化時，會導致整體具有某種新的屬性和新的規律產生，從而初步形成整體與局部的關系，是反映客觀事物的統一性和可分性的基本觀點。

教材中，數據以圓餅圖作為處理形式的插圖：

①七年級上冊（圖2-43），脊椎動物與無脊椎動物的比例；七年級下冊（圖1-19），全國人口普查時老人的比例

②八年級上冊（圖1-1），水的分布；八年級下冊（圖2-25），地殼和人體里所含各種元素的質量分數；八年級下冊（圖4-14），壤土類土壤的組成；八年級下冊（圖4-43），陸地面積和農用耕地

③九年級上冊（圖3-74），汽車的能耗分配圖；九年級上冊（圖3-95），放射性的來源；九年級下冊（圖3-15），致癌因素示意圖；九年級下冊（圖4-18），能源消耗結構

二、條形圖

“來自微生物的威脅”，教材先呈現一張不同季節男女生患流感人數的統計表，再對數據進行處理，如圖2，不同性別、不同季節患流感情況對比清晰可見。

從條形圖的構成看，其主要構成是在一個直角坐標系上構建若干個矩形，并標注相應的信息。從條形圖的信息表達看，每個矩形高低代表相應條件（對應于橫坐標）指標的顯著程度（對應于縱坐標）。從條形圖的功能實現看，反映了不同局部之間的關系，即局部與局部對同一指標所表達的顯著程度。

因此，在不同季節流感的傳播性調查，通過條形圖即可清晰反映作為整體（年）中的不同局部（季節）差異，即春季發病率明顯高于其他季節，夏秋季發病率較低等；以及男女生在同一季節里的被感染情況，等等。通過對條形圖的解讀，學生明白局部與局部之間定量的對比關系，不僅體現于不同條件下對同一指標達成的差異，更是反應條件對局部變化的影響，整體中每個局部都相對于整體存在，當局部以合理的結構構建整體時，整體的功能就會大于局部功能之和。從而在思維層面培養學生學會優化結構，夯實局部，使整體功能實現最大化的基本思想。

教材中，數據以條形圖作為處理形式的插圖：

①八年級上冊（圖1-61），我國東部地區人均水資源擁有量隨維度變化圖

②九年級下冊（圖2-14），2010年中國人口金字塔；九年級下冊（圖3-8），不同季節患流感的人數；九年級下冊（圖4-4），能源消耗增加；九年級下冊（圖4-6），百戶家庭汽車擁有量；九年級下冊（圖4-10），1990～2050年世界各類能源需求量變化

三、折線圖

“人體的激素調節”，教材在胰島素與血糖含量學習后，呈現正常人血糖含量變化曲線，如圖3。

從折現圖的構成看，其主要構成是在一個直角坐標系上反應某應變量隨著某自變量的變化。從折線圖的信息表達看，折線上的每一個點都是自變量與應變量之間的一一對應。所有點連成的曲線高低波動，反映了應變量變化的趨勢，從而實現對應變量未來走向的預測與推斷。

因此，從曲線縱向起伏推理正常人的血糖含量處于一個動態的平衡之中，從曲線橫向走向可以推演血糖含量仍將圍繞一定的值上下波動，即處于動態平衡。根據折線的變化、特點對數據進行簡單的分析、判斷和預測，這是折線圖法區別于表格法和其他圖像處理法最重要的功能。從而培養學生以發展的眼光去看待事物，一切事物都是變化發展的，它不但體現事物不斷更新，更反映了運動變化是物質的根本屬性。

教材中，數據以折線圖作為處理形式的插圖：

①七年級上冊（圖4-39），牛奶加熱溫度變化；七年級上冊（圖4-46），晶體熔化圖像；七年級上冊（圖4-47），非晶體熔化圖像；七年級上冊（圖4-49），晶體和非晶體的凝固圖像；七年級上冊（圖4-61），液體沸騰曲線；七年級下冊（圖1-11），人的生長曲線；七年級下冊（圖4-3），太陽黑子的數量變化

②八年級上冊（圖2-1），大氣溫度的垂直分布；八年級上冊（圖2-54），5000年來中國氣溫距平變化；八年級上冊（圖4-21），心電圖；八年級上冊（圖3-11），正常人的血糖含量變化曲線；八年級下冊（圖3-99），不同海拔的臭氧濃度

③九年級下冊（圖3-19），正常人和糖尿病患者血糖含量的變化；九年級下冊（圖4-2甲），世界人口增長曲線；九年級下冊（圖4-20），全球年平均氣溫的變化；九年級下冊（圖4-21），大氣中二氧化碳濃度的增加

四、面積圖

“人類的發展和環境問題”，教材呈現不同發展水平國家的人口增長，如圖4。

從面積圖的構成看，其含有一條或多條曲線，類似于折線圖，因此可以從曲線上看到整體變化的趨勢，但它還可以表達的是曲線與橫坐標即橫坐標上對應某一自變量值圍成的面積，強調的是數量隨自變量的變化下總值趨勢的變化。

因此，在人類發展與環境的學習中，各種顏色的曲線不但反映了各不同發展水平國家在不同時間的人口變化趨勢，其圍成的面積教材以不同的顏色呈現，幫助學生直觀地認識到總量概念與總量的變化，以及未來的預測。這是單純的圓餅圖、條狀圖、折線圖等無法比擬的。通過對面積圖的解讀，使學生明白存在多條折線時，其圍成的面積除了總面積還有分項面積，則面積圖除了展示總值的變化外，還可以展示不同分項值的變化，體現部分與整體的關系及發展態勢。

教材中，數據以面積圖作為處理形式的插圖：

①七年級下冊（圖4-21），北緯40°地區晝夜長短的年變化

②九年級下冊（圖4-2乙），不同發展水平國家的人口增長曲線

數據的圖形處理通常還有散點圖、組合圖，等等。教材對數據圖像化處理雖然只采用上述四種形式，但從初中生認知特征看，初中階段是形成數據分析、處理意識的關鍵時期，數據圖像化處理的插圖不但引起學生關注和重視，還為初中生數據圖像化處理提供處理的模板；從學科特征看，不管是哪種圖形處理方式，都是作為工具學科的數學統計學與概率學具體實踐演繹，更為重要的是數學提供了科學的法則——即嚴格地分析科學概念和數據原則，即使初中生對數據不僅僅停留在獲取層面，而是進入處理的方法選擇、技巧利用層面。

當前，我們的世界已經進入信息化時代，信息的大數據存在需要合適的處理、架構使數據直觀地呈現出來顯得日益重要，從關于數據處理的插圖入手，讓學生學會揭示數據掩藏的規律及其本質，既培養了初中生數據處理能力，也提升初中生理性思維能力。

[參 考 文 獻]

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（責任編輯：張華偉）