大數(shù)據(jù)時代下中學(xué)物理教育量化分析的應(yīng)用與探索

摘要：數(shù)據(jù)科學(xué)不僅在前沿的物理研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且在基礎(chǔ)物理教學(xué)中也能夠發(fā)揮舉足輕重的作用。如果能夠熟練應(yīng)用數(shù)據(jù)科學(xué)的武器，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及引導(dǎo)學(xué)生做科學(xué)探究方面就都能夠事半功倍。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)科學(xué)；物理實驗；Excel；大數(shù)據(jù)；統(tǒng)計；線性擬合

身處大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)科學(xué)成為一門新的學(xué)科，而數(shù)據(jù)科學(xué)家也成為一種新興的職業(yè)，越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域要與大數(shù)據(jù)打交道，要依靠數(shù)據(jù)科學(xué)家的分析去做決策。數(shù)據(jù)科學(xué)不僅僅能使用機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，通過大量數(shù)據(jù)的分析，找出隱藏在大量數(shù)據(jù)背后對的規(guī)律，為決策者提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持；其實，將數(shù)據(jù)科學(xué)的部分分析方法應(yīng)用到初高中的物理教學(xué)中，也會起到意想不到的效果，不僅能讓物理教學(xué)更貼近物理研究的本質(zhì)，而且還能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的物理課題研討，對學(xué)生的能力培養(yǎng)能起到事半功倍的作用。在具體教學(xué)過程中，我通過相關(guān)的實踐得到了很好的效果。

數(shù)據(jù)科學(xué)已經(jīng)在各個物理領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。比如利用數(shù)據(jù)科學(xué)的軟件及方法，一名普通的物理系學(xué)生通過研究美國激光干涉引力波天文臺公布的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)現(xiàn)引力波的存在；通過對超新星數(shù)據(jù)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(xué)也聯(lián)系并不密切。所以很多物理老師往往一聽數(shù)據(jù)科學(xué)就犯了難：我又不是數(shù)據(jù)科學(xué)家，我如何來使用數(shù)據(jù)分析軟件來輔助教學(xué)。誠然，數(shù)據(jù)科學(xué)有很多相關(guān)的軟件， 比如R、SAS等，一般都需要使用者有相關(guān)的編程經(jīng)驗及統(tǒng)計知識才能熟練應(yīng)用。但其實還有一款絕大多數(shù)老師都經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)科學(xué)軟件，只要進(jìn)行簡單的學(xué)習(xí)，相信絕大多數(shù)人都可以熟練應(yīng)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(xué)生成績統(tǒng)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，具備了常用的數(shù)據(jù)處理功能，如果能在教學(xué)中恰如其分的使用，就能夠?qū)⒔虒W(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主探究都能起到舉足輕重的作用。這樣一來，就能將數(shù)據(jù)科學(xué)的分析方法與物理教學(xué)充分的結(jié)合在一起，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維將帶來重要影響。

物理是一門實驗科學(xué)，所有的物理理論都是有相應(yīng)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(diǎn)。當(dāng)牛頓思考行星繞著太陽運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dāng)時精確測量出的重力加速度、月地距離，月球公轉(zhuǎn)周期等數(shù)據(jù)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(jù)萬有引力定律預(yù)測并成功發(fā)現(xiàn)了海王星，才徹底打消了人們的疑慮。同樣，物理教學(xué)也離不開實驗教學(xué)，而實驗數(shù)據(jù)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(guān)系，并給出具體的表達(dá)式，這對學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的處理實驗數(shù)據(jù)是一種很好的引導(dǎo)。以測量彈簧的勁度系數(shù)為例，傳統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)的方式是多次測量求平均， 或利用坐標(biāo)紙畫圖。坐標(biāo)紙畫圖的方式不僅費(fèi)時費(fèi)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(shù)據(jù)。我們僅僅需要采集好實驗數(shù)據(jù)，利用該軟件畫出拉力與彈簧長度的關(guān)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(shù)。不僅如此，我們還可以進(jìn)行各種擬合，比如探究平拋運(yùn)動的規(guī)律，自由落體規(guī)律等等，利用傳感器采集數(shù)據(jù)之后，都可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)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(guān)系，進(jìn)而找到相應(yīng)的規(guī)律。這些數(shù)據(jù)處理不僅更貼合真實的物理實驗探究，而且對培養(yǎng)學(xué)生采集實驗數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)的能力都不無裨益。

在物理學(xué)科的教學(xué)中有大量的演示實驗、學(xué)生實驗及自主探究實驗，其中有相當(dāng)多的實驗需要學(xué)生采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而驗證規(guī)律或完成相關(guān)物理量的測量。數(shù)據(jù)處理分析能力是一個學(xué)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(dāng)要求學(xué)生需要自主探究的時候。Excel自帶的畫圖、統(tǒng)計、運(yùn)算等等功能，不僅大大簡化學(xué)生的運(yùn)算，節(jié)約了時間，甚至為學(xué)生利用數(shù)據(jù)分析建立自己的經(jīng)驗公式提供了可能，這些都是傳統(tǒng)簡單的數(shù)據(jù)處理所無法給予的。另外，初高中階段學(xué)生接觸的大多數(shù)物理規(guī)律雖然很簡單，但是學(xué)生通過采集數(shù)據(jù)，分析、歸納數(shù)據(jù)，得出結(jié)論這樣整個研究過程的學(xué)習(xí)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(xué)生能夠更多的透過物理現(xiàn)象抓住本質(zhì)。再者，初高中階段的多數(shù)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(xué)生對規(guī)律的理解，數(shù)形結(jié)合更利于學(xué)生對規(guī)律的把握和應(yīng)用。

利用數(shù)據(jù)科學(xué)的相關(guān)軟件將物理規(guī)律可視化，將物理探究的過程向?qū)W生展現(xiàn)出來，這可能成為物理教學(xué)的一大發(fā)展趨勢。作為一名物理教師，我們可以進(jìn)行的相關(guān)研究還有很多。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐子沛.大數(shù)據(jù)變革[M].南寧：廣西師范大學(xué)出版社，2012.

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

3.大數(shù)據(jù)背景下的高中物理教學(xué)—論文網(wǎng) 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.