讓學生與技術發(fā)展同步，做大數(shù)據(jù)時代的數(shù)字科學家

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

隨著信息時代的進一步發(fā)展，海量數(shù)據(jù)已經(jīng)呈現(xiàn)，數(shù)碼產(chǎn)品的應用隨處可見，人類社會進入了大數(shù)據(jù)時代。大數(shù)據(jù)時代中人們運用的教學工具已經(jīng)落后于教育技術本身的發(fā)展，學生愛玩計算機，不愿上信息技術課，這是信息技術教師面臨的共性問題。有人說，學生對數(shù)碼產(chǎn)品和計算機比教師還熟悉呢，信息技術教師教技術比不過IT企業(yè)的產(chǎn)品培訓師，教創(chuàng)意比不過美術教師，信息技術課已經(jīng)沒有存在的必要了。這樣的觀點、這樣的言論，給我們提出了嚴峻的問題：信息技術課程應該教什么？應該怎么教，才能做一名合格的信息技術教師呢？探討新的技術環(huán)境下有效課程與教學問題具有理論和現(xiàn)實意義。數(shù)字科學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《新聞周刊》資深記者斯蒂芬·貝克在《當我們變成一堆數(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人信息組成的長長的“尾巴”，當我們點擊網(wǎng)頁、切換電視頻道、駕車穿過自動收費站、用信用卡購物、使用手機時信息已經(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，捕獲我們的詳細數(shù)據(jù)。一群新興的數(shù)學精英，正千方百計地以驚人的準確性，剖析我們的每個舉動，預測我們的行動計劃。他們神不知鬼不覺地，將我們買了什么、對什么感興趣、與誰墜入愛河的人間風光盡收眼底，就是為了巧妙地操控我們的行為。當今或許最為重要的文化趨勢是：在數(shù)據(jù)爆炸的世界里，懂得利用數(shù)據(jù)、運用數(shù)學的人們地位躥升。

此外，印度學者西蒙（Soman）在“數(shù)據(jù)挖掘基礎教程”中寫道：一方面實驗或?qū)嵺`會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)，另一方面模擬也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。面對龐雜的數(shù)據(jù)，研究結論對數(shù)據(jù)分析方法的依賴性空前增強，數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)隨之產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)就像一個金礦，可以從中提取信息，還可以通過數(shù)據(jù)挖掘，將信息轉化成為有價值的知識。數(shù)據(jù)挖掘從2005年開始已經(jīng)成為熱門的研究領域，同時也影響著科學研究的方式發(fā)生變化，具體案例涉及物理學、環(huán)境科學、經(jīng)濟學、生命科學、管理科學、計算機科學等幾乎所有的科學領域。

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

項華教授（2010年）認為，數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種利用數(shù)碼設備和相應軟件探索未知世界的科學素養(yǎng)，提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平乃至科學素養(yǎng)水平的有效途徑是數(shù)據(jù)探究。科學探究包括實物實驗探究、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)字科學家

2010年9月，在北京師范大學物理系項華教授主持的北京市教育科學“十一五”規(guī)劃課題“數(shù)字科學家計劃——基于數(shù)據(jù)探究的選修課程設計與試驗”指導下，我們體會到：數(shù)據(jù)探究是以計算機、網(wǎng)絡、傳感器等現(xiàn)代科學技術為載體，以數(shù)據(jù)為核心概念的探究活動，讓學生體驗數(shù)據(jù)探究的過程，提高學生的數(shù)據(jù)探究能力和科學素養(yǎng)水平。由此設計了景山學校“數(shù)字科學家”課程。

“數(shù)字科學家”定位成校本課程或校本選修課程，是一門將科學、技術、工程學和數(shù)學這4個領域以融合的方式整合而成的課程，是通過一個個具體的探究性學習案例，讓學生在掌握信息技術（技術）的基礎上，設計、開發(fā)和制作實驗裝置（工程），進行實踐活動，獲取數(shù)據(jù)，應用其中的數(shù)學原理，得到一個科學的結論，并嘗試用多種不同的方式表達科學結論。該課程期望培養(yǎng)能夠?qū)θ魏我粋€感興趣的問題都能選用適當?shù)?、科學的方法開展研究的“自由的研究者”。該課程特別關注幫助學生品味信息技術和科學的魅力，在探究與快樂之中播下未來科學家的種子。

“數(shù)字科學家”結合學生的知識基礎和認知發(fā)展水平，在突出趣味性和有益性的同時，突出數(shù)碼設備及數(shù)字科學家課程理念的滲透，具體教學內(nèi)容為：第一課：數(shù)字科學家概述（1課時）；第二課：Scratch程序設計初步（1課時）；第三課：反應時間及測定（4課時）；第四課：Face to face， Eye to Eye（人面探秘）（2課時）；第五課：鍵盤的研究（4課時）；第六課：血滴的研究（2課時）；第七課：足跡的研究（2課時）；第八課：指紋的研究（2課時）；第九課：汽車超速了嗎（2課時）。

本課程采用基于問題的小組探究式學習，即“教師主導，學生主體”探究型的學習模式。教師的作用是：創(chuàng)設情況，引出問題，引導學生提煉出核心問題—指導學生設計研究方案—點評學生研究方案，提出改進意見—指導學生實施。學生的活動流程為：在教師創(chuàng)設的情境或現(xiàn)實情境中，提出問題—根據(jù)問題提出解決辦法，設計探究方案—根據(jù)教師建議，修改探究—進行數(shù)據(jù)探究，獲取數(shù)據(jù)—處理分析數(shù)據(jù)，撰寫研究報告—評價反思、展示交流?！皵?shù)字科學家”的教學模式如下圖。

此外，“數(shù)字科學家”是在計算機教室的網(wǎng)絡環(huán)境下實施的，以學生發(fā)展為本，初步培養(yǎng)學生的科學思維方式、數(shù)據(jù)探究意識，介紹簡單可操作性強的科學分析方法，使學生能帶著興趣進行科學研究活動。因此，在課程資源和環(huán)境的設計上，采用一種基于WebQuest的組織形式，以主題探究的形式，融入軟件工具學習、網(wǎng)絡搜索、合作探究，制作成了數(shù)字科學家主題網(wǎng)站。

每一個探究任務包括：核心問題、任務指南、海量資源、做中學、交流與評價。

● “數(shù)字科學家”的實施及其效果分析

2011年3月，我們開始在初中一年級對“數(shù)字科學家”進行了兩輪試驗，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)場實際實驗采集的有效數(shù)據(jù)，在Excel軟件中對數(shù)據(jù)進行擬合，將數(shù)據(jù)以圖像和關系方程的形式展現(xiàn)出來，更直觀，便于比較，也能為進一步的數(shù)據(jù)挖掘、課堂內(nèi)容的延伸和發(fā)展打下基礎。

總體來講，第二輪的數(shù)字科學家課程跟第一輪的課程相比，在內(nèi)容上略作了改動，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”的教學理念。具體實施情況如下。

（1）從課程內(nèi)容上來看，第一輪中反應時間的研究中共設計了三個具體任務，即機械反應時間的探究、視覺反應時間的探究和具有選擇性結構的視覺反應時間的探究。第二輪中這一單元內(nèi)容的設計上降低了難度，增大了靈活性，加入了reaction這樣成型的小程序，加強了趣味性，使學生負擔變小，興趣增加，課堂更生動活潑，成果更多樣。

（2）在第一輪的課堂教學中比較關注Scratch程序的編寫，關注數(shù)據(jù)的采集方法，關注所涉及的技能的掌握落實，在上課過程中發(fā)現(xiàn)了學生整體借鑒他人成果的現(xiàn)象，有些學生死記硬背一些軟件儀器的操作，并沒有自主、積極地進行科學研究的欲望和態(tài)度。因此，在第二輪教學中教師將任務的設定權交予學生自己，讓他們設定要研究的主題。在學習使用Scratch和Excel等軟件和儀器時，也是首先由教師進行簡單的功能介紹、程序設計和數(shù)據(jù)采集與處理講解，然后由學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習任務。

學生在整個實驗的進行過程中，一直很積極地去探索方法，設計程序，采集數(shù)據(jù)。由于沒有具體方法的限制，所以學生的思路是開放的，設計是多樣的，結論是豐富的。一個學期結束后，一部分學生對程序的編寫比第一輪試驗的學生更進了一步，可以按照自己的目標制定計劃，編寫相關程序，有些學生甚至可以改寫Scratch中成型的程序，或者自己設計課堂目標外的程序。

有些學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。學生的興致增加了，積極性提高了，對科學的研究更感興趣了，本課程的預設目標正在逐步實現(xiàn)。

（3）從教學形式上來說，第一輪的課程中基本上是以教師介紹為主，學生在教師的講授中逐步掌握一些具體的知識和設計的要點，同實際學科的教學沒有太大的分別，只是涉及了Scratch編程的內(nèi)容以及校園網(wǎng)論壇的互動等互聯(lián)的內(nèi)容。大體的設計思路是：提出問題—設計實驗—進行實驗—采集數(shù)據(jù)—處理數(shù)據(jù)—分析結論得出結果。

但是在第二輪試驗中，從一開始就關注了學生的主體和學生活動。具體的設計過程是：學生分組—分配任務—根據(jù)大的目標設計本組的具體目標—針對目標小組討論得出實驗設計方案—對實驗方案進行改進和修正—進行實驗采集數(shù)據(jù)—分析數(shù)據(jù)得出結論。

需要說明的是，在實驗的設計、實施、總結階段都有學生的匯報和交流，同學們之間互相借鑒互相提問，使實驗方案及實施更具有效性和合理性，使數(shù)據(jù)探究的過程更加嚴謹。

（4）學生研究成果豐富。學生在兩輪的教學中都有所收獲，而且成果較上學期的內(nèi)容更豐富，更具有想象力。學生成果的具體形式有實驗設計、實驗報告、程序以及設計圖、數(shù)據(jù)表格、圖像等。種類多，實驗次數(shù)多，實驗數(shù)據(jù)更精準，實驗過程更流暢，更自主。體現(xiàn)了以學生為主體的課堂環(huán)境。學生的成果通過校園網(wǎng)互通，通過分組展示交流，這樣的課堂設計體現(xiàn)了互聯(lián)的意識，學生的興趣度大增。

在課程進行中，完成一個內(nèi)容后會有學生成果的現(xiàn)場交流和展示。每個小組都會上臺對本小組的研究成果進行說明，其他小組的同學會根據(jù)展示說明的同學的表現(xiàn)及內(nèi)容進行評價和打分，也會根據(jù)自己的想法提出贊許或改進的意見和建議。這樣的交流類似研究性學習，學生研究的內(nèi)容雖然有區(qū)別但是大目標是一致的，所以在陳述其方式方法以及成果展示的時候會有一定的比較和競爭意識。學生可以在這樣的交流中得到提高，在評價中形成更完善的方法，使學習更有效更富有積極性，達到更讓人驚喜的成績。

在課程的最后，學生通過筆試和問卷的形式進行了所謂的“考核”。從考核的結果來看，學生對技術的掌握較為到位，全班的水平?jīng)]有太大的差距；對本課程的收獲和體會，有的說知道了科學的研究程序和方法，有的說激起了自己進行科學研究的興趣，有的則表示還要進行其他研究內(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。兩輪課程進行的教案、教學資料、學生電子文檔、課堂實施錄像（20節(jié)）。

總之，經(jīng)過兩年的建設與實踐，“數(shù)字科學家”已經(jīng)成為我校的特色校本課程，能夠有效培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)探究意識和數(shù)據(jù)探究能力。同時，我們還應明確，信息技術教師首先要做終身學習的實踐者，要學會學習，努力與技術發(fā)展同步；其次要有開闊的視野，了解技術的發(fā)展及其在教學中的應用，做學生學習應用技術的引導者；最后還要做課程的開發(fā)者，技術的發(fā)展給人類的生活、人類的發(fā)展帶來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。