初中科學(xué)教材插圖數(shù)據(jù)圖像化處理特點(diǎn)與教學(xué)研究

阮慶元

[摘 要] 浙教版初中科學(xué)教材編排了30多幅關(guān)于數(shù)據(jù)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(yīng)的是事物局部與整體關(guān)系；條形圖反應(yīng)的是不同局部對(duì)同一指標(biāo)所表達(dá)顯著程度；折線圖反應(yīng)的是變化趨勢；面積圖強(qiáng)調(diào)總值趨勢變化。以這四種圖像的構(gòu)成特點(diǎn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)初中生數(shù)據(jù)圖像化處理意識(shí)、數(shù)據(jù)圖像化處理技巧與能力的培養(yǎng)，從而提升初中生理性思維能力。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)圖像化；信息處理；教材插圖

數(shù)據(jù)是對(duì)事實(shí)、概念或指令的一種表達(dá)形式。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中，抽取并推導(dǎo)出對(duì)于處理者來說是有價(jià)值、有意義的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)圖像化處理是數(shù)據(jù)可視化處理的重要方法，是一個(gè)轉(zhuǎn)化、解釋的過程，將賦予數(shù)據(jù)一定的意義而成為信息，從而實(shí)現(xiàn)直觀地洞察數(shù)據(jù)所隱藏的事物特征與變化規(guī)律。在這大數(shù)據(jù)時(shí)代，正確掌握處理數(shù)據(jù)的方法、提取有價(jià)值的信息，并做出切實(shí)有效的決策，是現(xiàn)代人所應(yīng)具備的基本能力。

浙江省在20世紀(jì)90年代初的基礎(chǔ)教育課程教材改革時(shí)，在初中階段實(shí)施了綜合科學(xué)課程，教材以豐富的插圖與文字互為補(bǔ)充，關(guān)于數(shù)據(jù)圖像化處理的插圖有37幅，其形象、便于理解的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字的逾越與延宕，直觀地傳遞出豐富的信息。數(shù)據(jù)圖像化處理的形式選擇與結(jié)果呈現(xiàn)，無不體現(xiàn)著理性的思維與科學(xué)的方法，這對(duì)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(xué)效果。

一、圓餅圖

“土壤成分”，教材編排了五個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，從定性的角度認(rèn)識(shí)土壤的組成，再通過土壤中空氣體積分?jǐn)?shù)等的測定，定量認(rèn)識(shí)土壤各成分占比，使學(xué)生獲得大量的數(shù)據(jù)。然后教材再以插圖的形式呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，如圖1所示，使壤土類土壤的組成結(jié)構(gòu)躍然而出。

從圓餅圖的構(gòu)成看，其主要構(gòu)成是將圓餅拆分成的若干個(gè)扇形，標(biāo)注的比例和提示性文字。從圓餅圖的信息表達(dá)看，一個(gè)圓代表著整體，每個(gè)扇形面積代表著局部。從圓餅圖的功能實(shí)現(xiàn)看，反應(yīng)了局部與整體的關(guān)系，即局部在整體中的所占比重。

因此，可以在圖1基礎(chǔ)上根據(jù)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(duì)圓餅圖的解讀，挖掘其隱藏的思維方法，使學(xué)生明白系統(tǒng)內(nèi)的各局部不是單純疊加或機(jī)械堆積，而是相互關(guān)聯(lián)、相互影響。當(dāng)其占比發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整體具有某種新的屬性和新的規(guī)律產(chǎn)生，從而初步形成整體與局部的關(guān)系，是反映客觀事物的統(tǒng)一性和可分性的基本觀點(diǎn)。

教材中，數(shù)據(jù)以圓餅圖作為處理形式的插圖：

①七年級(jí)上冊(cè)（圖2-43），脊椎動(dòng)物與無脊椎動(dòng)物的比例；七年級(jí)下冊(cè)（圖1-19），全國人口普查時(shí)老人的比例

②八年級(jí)上冊(cè)（圖1-1），水的分布；八年級(jí)下冊(cè)（圖2-25），地殼和人體里所含各種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；八年級(jí)下冊(cè)（圖4-14），壤土類土壤的組成；八年級(jí)下冊(cè)（圖4-43），陸地面積和農(nóng)用耕地

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

二、條形圖

“來自微生物的威脅”，教材先呈現(xiàn)一張不同季節(jié)男女生患流感人數(shù)的統(tǒng)計(jì)表，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖2，不同性別、不同季節(jié)患流感情況對(duì)比清晰可見。

從條形圖的構(gòu)成看，其主要構(gòu)成是在一個(gè)直角坐標(biāo)系上構(gòu)建若干個(gè)矩形，并標(biāo)注相應(yīng)的信息。從條形圖的信息表達(dá)看，每個(gè)矩形高低代表相應(yīng)條件（對(duì)應(yīng)于橫坐標(biāo)）指標(biāo)的顯著程度（對(duì)應(yīng)于縱坐標(biāo)）。從條形圖的功能實(shí)現(xiàn)看，反映了不同局部之間的關(guān)系，即局部與局部對(duì)同一指標(biāo)所表達(dá)的顯著程度。

因此，在不同季節(jié)流感的傳播性調(diào)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(jié)）差異，即春季發(fā)病率明顯高于其他季節(jié)，夏秋季發(fā)病率較低等；以及男女生在同一季節(jié)里的被感染情況，等等。通過對(duì)條形圖的解讀，學(xué)生明白局部與局部之間定量的對(duì)比關(guān)系，不僅體現(xiàn)于不同條件下對(duì)同一指標(biāo)達(dá)成的差異，更是反應(yīng)條件對(duì)局部變化的影響，整體中每個(gè)局部都相對(duì)于整體存在，當(dāng)局部以合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)建整體時(shí)，整體的功能就會(huì)大于局部功能之和。從而在思維層面培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，夯實(shí)局部，使整體功能實(shí)現(xiàn)最大化的基本思想。

教材中，數(shù)據(jù)以條形圖作為處理形式的插圖：

①八年級(jí)上冊(cè)（圖1-61），我國東部地區(qū)人均水資源擁有量隨維度變化圖

②九年級(jí)下冊(cè)（圖2-14），2010年中國人口金字塔；九年級(jí)下冊(cè)（圖3-8），不同季節(jié)患流感的人數(shù)；九年級(jí)下冊(cè)（圖4-4），能源消耗增加；九年級(jí)下冊(cè)（圖4-6），百戶家庭汽車擁有量；九年級(jí)下冊(cè)（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(diào)節(jié)”，教材在胰島素與血糖含量學(xué)習(xí)后，呈現(xiàn)正常人血糖含量變化曲線，如圖3。

從折現(xiàn)圖的構(gòu)成看，其主要構(gòu)成是在一個(gè)直角坐標(biāo)系上反應(yīng)某應(yīng)變量隨著某自變量的變化。從折線圖的信息表達(dá)看，折線上的每一個(gè)點(diǎn)都是自變量與應(yīng)變量之間的一一對(duì)應(yīng)。所有點(diǎn)連成的曲線高低波動(dòng)，反映了應(yīng)變量變化的趨勢，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變量未來走向的預(yù)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(gè)動(dòng)態(tài)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(dòng)，即處于動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)折線的變化、特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析、判斷和預(yù)測，這是折線圖法區(qū)別于表格法和其他圖像處理法最重要的功能。從而培養(yǎng)學(xué)生以發(fā)展的眼光去看待事物，一切事物都是變化發(fā)展的，它不但體現(xiàn)事物不斷更新，更反映了運(yùn)動(dòng)變化是物質(zhì)的根本屬性。

教材中，數(shù)據(jù)以折線圖作為處理形式的插圖：

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

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

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

四、面積圖

“人類的發(fā)展和環(huán)境問題”，教材呈現(xiàn)不同發(fā)展水平國家的人口增長，如圖4。

從面積圖的構(gòu)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(dá)的是曲線與橫坐標(biāo)即橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)某一自變量值圍成的面積，強(qiáng)調(diào)的是數(shù)量隨自變量的變化下總值趨勢的變化。

因此，在人類發(fā)展與環(huán)境的學(xué)習(xí)中，各種顏色的曲線不但反映了各不同發(fā)展水平國家在不同時(shí)間的人口變化趨勢，其圍成的面積教材以不同的顏色呈現(xiàn)，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到總量概念與總量的變化，以及未來的預(yù)測。這是單純的圓餅圖、條狀圖、折線圖等無法比擬的。通過對(duì)面積圖的解讀，使學(xué)生明白存在多條折線時(shí)，其圍成的面積除了總面積還有分項(xiàng)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(xiàng)值的變化，體現(xiàn)部分與整體的關(guān)系及發(fā)展態(tài)勢。

教材中，數(shù)據(jù)以面積圖作為處理形式的插圖：

①七年級(jí)下冊(cè)（圖4-21），北緯40°地區(qū)晝夜長短的年變化

②九年級(jí)下冊(cè)（圖4-2乙），不同發(fā)展水平國家的人口增長曲線

數(shù)據(jù)的圖形處理通常還有散點(diǎn)圖、組合圖，等等。教材對(duì)數(shù)據(jù)圖像化處理雖然只采用上述四種形式，但從初中生認(rèn)知特征看，初中階段是形成數(shù)據(jù)分析、處理意識(shí)的關(guān)鍵時(shí)期，數(shù)據(jù)圖像化處理的插圖不但引起學(xué)生關(guān)注和重視，還為初中生數(shù)據(jù)圖像化處理提供處理的模板；從學(xué)科特征看，不管是哪種圖形處理方式，都是作為工具學(xué)科的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)與概率學(xué)具體實(shí)踐演繹，更為重要的是數(shù)學(xué)提供了科學(xué)的法則——即嚴(yán)格地分析科學(xué)概念和數(shù)據(jù)原則，即使初中生對(duì)數(shù)據(jù)不僅僅停留在獲取層面，而是進(jìn)入處理的方法選擇、技巧利用層面。

當(dāng)前，我們的世界已經(jīng)進(jìn)入信息化時(shí)代，信息的大數(shù)據(jù)存在需要合適的處理、架構(gòu)使數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)出來顯得日益重要，從關(guān)于數(shù)據(jù)處理的插圖入手，讓學(xué)生學(xué)會(huì)揭示數(shù)據(jù)掩藏的規(guī)律及其本質(zhì)，既培養(yǎng)了初中生數(shù)據(jù)處理能力，也提升初中生理性思維能力。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]楊菊華.社會(huì)統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)處理技術(shù)——STATA軟件的應(yīng)用[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2008.

[2]方紅峰.浙江：為所有人的初中科學(xué)課程[J].基礎(chǔ)教育課程，2010（6）.

[3]朱清時(shí).義務(wù)教育教科書·科學(xué)[M].杭州：浙江教育出版社，2012.

[4]王耀村.浙教版初中《科學(xué)》教科書編寫特點(diǎn)探究[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版，2013（11）.

[5]美國科學(xué)促進(jìn)會(huì).中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)譯.面向全體美國人的科學(xué)[M].北京：科學(xué)技術(shù)普及出版社，2004.

[6]張定強(qiáng)，蔣會(huì)兵，王旭陽.高中生數(shù)據(jù)處理能力現(xiàn)狀調(diào)查及教學(xué)啟示[J].數(shù)學(xué)教育學(xué)報(bào)，2016（4）.

（責(zé)任編輯：張華偉）