物理教育數據素養的培育

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信息時代給科學教育帶來的挑戰之一是在科學課程與教學之中貫徹探究式教學，挑戰之二是在科學課程與教學之中貫徹信息技術與科學課程整合(以下簡稱為“整合”)。然而，科學教育在將探究式教學與“整合”推向更深層次時卻遇到了困惑與困難。這既有理論研究不足的問題，也有科學教學實踐不夠的問題。

一、數據素養是一種基于計算機進行數據探究的科學素養

數據(Data)是載荷或記錄信息并按照一定規則排列組合的物理符號,是一種留下明確印跡的信息。數據可以是數字、文字、圖像,也可以是計算機代碼。對數據背景的解讀是獲得信息的一種途徑。在信息技術成為社會顯在技術的今天，科學素養包含著既相互區別又密不可分的3個方面，即理論素養、實驗素養和數據素養。理論素養是一種基于邏輯運算的素養，實驗素養是一種基于真實實驗的素養，而數據素養是一種基于計算機計算的素養。縱觀科學發展史,量化是科學的重要科學方法特征。物理學相對其他理科而言偏向于哲學的普遍方法層面,堪稱為其他自然學科的基石。經過開普勒、伽利略、牛頓、愛因斯坦等一大批科學家的努力,物理學已經從萌芽期走向成熟期。形成了一整套成熟的研究客觀世界的方法體系。其中伽利略的工作具有里程碑性質,他將實驗和數學引入自然科學研究,物理學因此而獲得突飛猛進的發展。物理學的發展同時也帶動了其他學科的發展。可以說,數學與實驗是物理學或者物理教育的兩只翅膀。在電子計算機出現之前的科學研究中,數據是研究目標的附屬品,是研究假設的驗證者。物理學家主要采用基于數學的理論手段和實驗手段來研究物理現象,早期具有良好科學素養的人應該具有理論素養和實踐素養。科學發展到近代,一方面實驗或實踐會產生巨大的數據,另一方面模擬也會產生大量的數據。雖然計算機可以輔助人們處理數據,處理速度大約每18周翻一倍，其存儲容量大約每9個月翻一番，但是實驗、實踐或模擬產生的數據迅速占滿可用的存儲空間。數據從來沒有像今天這樣受到如此廣泛地關注。面對龐雜的數據，研究結論對數據分析方法的依賴性空前增強，數據挖掘和知識發現隨之產生。科學家和工程師的工作方式也發生了變化。這些數據就像一個金礦，可以從中提取信息，還可以通過數據挖掘，將信息轉化成為有價值的知識。數據挖掘從2005年開始已經成為熱門的研究領域，具體案例涉及物理學、環境科學、經濟學、生命科學、管理科學、計算機科學等領域。

信息時代的科學除去理論與實驗，出現了第三種科學形態—模擬。物理學家的研究方式也發生了很大變化。首先，學科邊界走向消融，正像趙凱華先生所說的，有的時候很難從一個物理學家研究課題的字面意思來判斷他研究的問題是物理學課題，還是生命科學課題，或者經濟學課題。我們只能認為，只要系統采用物理學已經形成的獨特的研究方法來研究課題，就是在從事物理學研究。其次，當代的物理學家的工作越來越依賴于科學共同體的數據交流。最后，隨著傳感器等實驗手段和仿真模擬手段的發展，使得物理學家面臨海量的數據，物理學家需要采用現代數據挖掘手段發現科學規律。數據挖掘在有的時候只能通過觀察數據的關聯而發現有價值的東西。這和過去傳統的研究范式不同。

總之,一個具有良好科學素養的現代人除了具有理論素養和實驗(或者實踐)素養之外,還應該具有數據素養。比如伽利略在教堂做禮拜的過程中利用身體的脈搏計數,發現了教堂里吊燈擺動的等時性規律。再如具有數據素養的紅學專家則可以通過統計《紅樓夢》前80回和后40回的文言虛詞的使用頻率來確定《紅樓夢》前80回為曹雪芹撰寫,后40回為他人續寫。當代具有良好數據素養的人能夠掌握數據挖掘技術,在海量的數據中,探索數據的關聯或者規律,不斷地挖掘出新的科學數據價值。

二、貫徹數據探究是提高數據素養水平的基本途徑

因為科學素養包括理論素養、實驗素養和數據素養，所以科學探究包括理論探究、實驗探究和數據探究。探究式教學是提高科學素養水平的基本途徑，由此數據探究是提高數據素養水平乃至科學素養水平的基本途徑。討數據素養的指標構造對于評價數據探究、引領數據探究和提高科學素養水平具有重要意義。由此看出，科學思想、科學方法和科學精神是數據素養的重要內容。在物理教學中，數據素養主要體現于：其一，采集實驗或觀察數據；其二,計算科學數據；其三，模擬、圖景與思維；其四，交流與傳播科學知識。其中,模擬既是信息技術與物理教學整合的主要內容，又是一種重要的科學方法或科學形態。而數據探究是信息技術融合于物理教學的重要特征，也是提高數據素養水平乃至科學素養水平的重要途徑。

三、提升數據素養水平的建議

基礎物理教育要重視實驗和理論教育，但是也不能忽視數據素養教育。創新物理教育，提高物理教學效率，需要探討基于數據素養的物理課程與教學問題。依據數據探究理論提出如下建議：

1.培養數據價值感物理教學終究需要解決學生對物理知識的“信、懂、用”問題，必須將物理知識和實驗經驗、生活經驗、生產經驗結合起來。因此在物理教學中需要重視數據的觀測環節，要引導學生對于一些常見的物理數據或者物理量進行估計，并關注物理數據對于自身的意義和價值，還要激發學生科學探索的興趣和習慣等。

2.培養數據探究意識傳統物理教學重視培養學生數據處理能力,如強調習題的演練,但是傳統物理教學對數據探究意識和能力培養重視不夠。需要加強練習或者新授課中的思想實驗訓練,發揮圖景素養作用,幫助學生由模仿走向創新。數據探究意識首先表現為量化的意識。

3.培養數據探究能力探究式教學不僅包括實驗探究和理論探究，還包括數據探究，因此在物理教學中還應該重視數據實驗，特別是數據挖掘的方法教育。在數據的獲取(選定待研究的數據集、選擇合適的信息源)，數據的存儲(剔除冗余數據，選擇易用的存儲形式)，數據的分析(選定分析方法，知識發現，找到或修正研究問題)，數據的表達(選定表達形式，共享成果)中蘊含的大量數據探究方法和技巧。善于選用文字處理、圖像處理、信息集成的數字化工具，對物理知識內容進行重組、創作和研究。

4.開發基于科學方法的“整合”選修課后現代教學觀認為，教學應該注重具有普遍意義的方法教學。數字化學習環境、數字化學習資源和數字化學習方式為“整合”提供了必要條件。“整合”需要處理好與傳統物理課程的關系，開設基于科學方法的“整合”選修課程。