大數據時代下中學物理教育量化分析的應用與探索

摘要：數據科學不僅在前沿的物理研究領域得到了廣泛的應用，而且在基礎物理教學中也能夠發(fā)揮舉足輕重的作用。如果能夠熟練應用數據科學的武器，在激發(fā)學生學習興趣及引導學生做科學探究方面就都能夠事半功倍。

關鍵詞：數據科學；物理實驗；Excel；大數據；統計；線性擬合

身處大數據時代，數據科學成為一門新的學科，而數據科學家也成為一種新興的職業(yè)，越來越多的行業(yè)和領域要與大數據打交道，要依靠數據科學家的分析去做決策。數據科學不僅僅能使用機器學習，數據挖掘等技術，通過大量數據的分析，找出隱藏在大量數據背后對的規(guī)律，為決策者提供相應的數據支持；其實，將數據科學的部分分析方法應用到初高中的物理教學中，也會起到意想不到的效果，不僅能讓物理教學更貼近物理研究的本質，而且還能引導學生進行相關的物理課題研討，對學生的能力培養(yǎng)能起到事半功倍的作用。在具體教學過程中，我通過相關的實踐得到了很好的效果。

數據科學已經在各個物理領域中得到了廣泛的應用。比如利用數據科學的軟件及方法，一名普通的物理系學生通過研究美國激光干涉引力波天文臺公布的數據，也可以發(fā)現引力波的存在；通過對超新星數據的分析，能夠清晰地看出宇宙的膨脹在加速，而且也能分析出暗能量的存在。但這些對普通的物理老師來說卻并非易事，而且跟初、高中的物理教學也聯系并不密切。所以很多物理老師往往一聽數據科學就犯了難：我又不是數據科學家，我如何來使用數據分析軟件來輔助教學。誠然，數據科學有很多相關的軟件， 比如R、SAS等，一般都需要使用者有相關的編程經驗及統計知識才能熟練應用。但其實還有一款絕大多數老師都經常使用的數據科學軟件，只要進行簡單的學習，相信絕大多數人都可以熟練應用，這就是微軟公司的Excel。Excel可能不少老師在使用，但往往局限于學生成績統計及分析，更多更深層次的使用并沒有開發(fā)出來。其實，Excel作為一款強大的數據處理軟件，具備了常用的數據處理功能，如果能在教學中恰如其分的使用，就能夠將教學過程中枯燥無味的一些知識講得更加清晰而深刻，而且對激發(fā)學生學習興趣，引導學生自主探究都能起到舉足輕重的作用。這樣一來，就能將數據科學的分析方法與物理教學充分的結合在一起，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維將帶來重要影響。

物理是一門實驗科學，所有的物理理論都是有相應的觀察和實驗來驗證的。比如歷史上著名的萬有引力定律的提出過程就充分證明了這一點。當牛頓思考行星繞著太陽運動的原因時，蘋果的偶然落地引起了他的遐想：拉住月球使它圍繞地球運動的力有沒有可能跟使蘋果落地的力是一種力？就像行星圍繞太陽運動一樣，宇宙中的所有這些力跟地球施加在蘋果上的力是一樣的？這個想法的正確性需要事實來檢驗。即便牛頓做了著名的月地檢驗，利用當時精確測量出的重力加速度、月地距離，月球公轉周期等數據很好的證實了他的猜想，但依然很多人對此持有懷疑態(tài)度，直到根據萬有引力定律預測并成功發(fā)現了海王星，才徹底打消了人們的疑慮。同樣，物理教學也離不開實驗教學，而實驗數據的處理也不能局限于簡單的多次測量求平均這樣的方法。Excel中提供了擬合功能，可以很好的找到兩個物理量之間的關系，并給出具體的表達式，這對學生學習科學的處理實驗數據是一種很好的引導。以測量彈簧的勁度系數為例，傳統的處理數據的方式是多次測量求平均， 或利用坐標紙畫圖。坐標紙畫圖的方式不僅費時費力，而且誤差較大；而改用Excel處理之后，很簡單就可以得到我們需要的數據。我們僅僅需要采集好實驗數據，利用該軟件畫出拉力與彈簧長度的關系圖像，采用線性擬合的功能找到最好的擬合線，并且Excel還可以直接給出斜率，也就是我們要的勁度系數。不僅如此，我們還可以進行各種擬合，比如探究平拋運動的規(guī)律，自由落體規(guī)律等等，利用傳感器采集數據之后，都可以將相應的數據導入到Excel里面，利用擬合功能，找出水平位移、豎直位移與時間的關系，進而找到相應的規(guī)律。這些數據處理不僅更貼合真實的物理實驗探究，而且對培養(yǎng)學生采集實驗數據，處理數據的能力都不無裨益。

在物理學科的教學中有大量的演示實驗、學生實驗及自主探究實驗，其中有相當多的實驗需要學生采集數據，對數據進行分析，進而驗證規(guī)律或完成相關物理量的測量。數據處理分析能力是一個學生能否具備必要的實驗操作技能中很重要的一環(huán)，尤其是當要求學生需要自主探究的時候。Excel自帶的畫圖、統計、運算等等功能，不僅大大簡化學生的運算，節(jié)約了時間，甚至為學生利用數據分析建立自己的經驗公式提供了可能，這些都是傳統簡單的數據處理所無法給予的。另外，初高中階段學生接觸的大多數物理規(guī)律雖然很簡單，但是學生通過采集數據，分析、歸納數據，得出結論這樣整個研究過程的學習之后，自然就加深了對規(guī)律的理解，更加深了對物理研究方法的理解，使學生能夠更多的透過物理現象抓住本質。再者，初高中階段的多數物理規(guī)律都可以用公式表示出來。如果我們通過Excel的畫圖等功能把這些規(guī)律用圖像的形式展示出來，同樣會加深學生對規(guī)律的理解，數形結合更利于學生對規(guī)律的把握和應用。

利用數據科學的相關軟件將物理規(guī)律可視化，將物理探究的過程向學生展現出來，這可能成為物理教學的一大發(fā)展趨勢。作為一名物理教師，我們可以進行的相關研究還有很多。

參考文獻：

[1]徐子沛.大數據變革[M].南寧：廣西師范大學出版社，2012.

2.Emerging technologies in physics education -- Zosia A. C. Krusberg Mar 24 2007

3.大數據背景下的高中物理教學—論文網 2016-11-18

作者簡介：

田鵬（1979.7- ），男， 漢族，山東淄博人，碩士，高級教師，通訊郵箱：rdfztianpeng@gmail.com.