設(shè)計介入青少年數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)

卜佳嬡

關(guān)鍵詞：青少年 數(shù)據(jù) 基于設(shè)計的學(xué)習(xí) 21世紀(jì)技能

引言

在過去的及時年里，數(shù)字技術(shù)對人們的日常生活產(chǎn)生了越來越大的影響，這種變化同樣也影響到了青少年的日常學(xué)習(xí)和生活。“21世紀(jì)技能”（21st Century Skills）被認(rèn)為是當(dāng)代青少年適應(yīng)未來生活所應(yīng)該具備的基本技能。21世紀(jì)技能包括以下三個方面的內(nèi)容：學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能，數(shù)字素養(yǎng)技能以及職業(yè)和生活技能，如圖1所示。學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能包括：批判性思考、解決問題的能力、溝通與協(xié)作的能力、創(chuàng)造和革新的能力。數(shù)字素養(yǎng)技能包括：信息素養(yǎng)、媒體素養(yǎng)、信息與通信技術(shù)素養(yǎng)。職業(yè)和生活技能包括：靈活性與適應(yīng)能力、主動性和自我導(dǎo)向、社交和跨文化交流能力、高效的生產(chǎn)力、領(lǐng)導(dǎo)力和責(zé)任感等。國內(nèi)外的一些學(xué)校已經(jīng)開始引起重視，并在日常教育中滲透這些能力的培養(yǎng)。

在數(shù)字素養(yǎng)的培養(yǎng)上，國內(nèi)外的一些學(xué)校已經(jīng)開始采取一些行動。比如增設(shè)相關(guān)課程，引進(jìn)相關(guān)教材器具等。學(xué)校之外的一些教育機(jī)構(gòu)也逐漸開始開設(shè)主打編程教育的特長班。一些玩具和教育廠商也在積極地開發(fā)培養(yǎng)青少年數(shù)字素養(yǎng)的玩具和教材。

數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)，在數(shù)據(jù)時代的背景下，理應(yīng)成為數(shù)字素養(yǎng)教育中的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。本研究的主要目的，就是探尋行之有效的方法，幫助青少年建立對“數(shù)據(jù)”這一概念的初步認(rèn)識。

一、基于設(shè)計的學(xué)習(xí)（Design-based Learning）的發(fā)展現(xiàn)狀

基于設(shè)計的學(xué)習(xí)，被作為一種方法，用于教授21世紀(jì)技能。早在20世紀(jì)80年代，加州州立理工大學(xué)教授Doreen Nelson就提出了基于設(shè)計的學(xué)習(xí)的概念，它是一種探究性的學(xué)習(xí)方法，可以讓青少年在這個過程中學(xué)到更多并提升綜合素質(zhì)。筆者在荷蘭作交換生的時候，有機(jī)會參觀當(dāng)?shù)氐囊凰袑W(xué)?；谠O(shè)計的學(xué)習(xí)方式已經(jīng)在技術(shù)課堂上得以應(yīng)用，在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生們提出問題，分析問題，并試圖解決這個問題，該學(xué)校也已經(jīng)引進(jìn)樂高的相關(guān)教程，學(xué)生可以完成模型組裝后并用軟件控制這些模型。在這樣的課堂中，學(xué)生更具主動性和挑戰(zhàn)性，能力也得到更大的提升?；谠O(shè)計的學(xué)習(xí)方式，也是本文在探索幫助青少年建立數(shù)據(jù)概念的方法的過程中，始終關(guān)注的部分。

二、青少年數(shù)據(jù)概念培養(yǎng)過程中的難點(diǎn)

（一）概念本身抽象難懂：劍橋詞典將數(shù)據(jù)（Data）定義為“信息，尤其是事實(shí)或數(shù)字，收集起來用于審查和考慮，并用于幫助決策，或以電子形式存儲和使用的信息”，將大數(shù)據(jù)（Big Data）定義為“由使用互聯(lián)網(wǎng)的人員生成的非常大的數(shù)據(jù)集只能通過特殊的工具和方法進(jìn)行存儲，理解和使用”。現(xiàn)代生活中，人們雖然每時每刻都在接觸數(shù)據(jù)、產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)作為計算機(jī)專業(yè)術(shù)語，再加上無形、種類多等特點(diǎn)，很難讓人們形比較清晰和全面的概念，對于認(rèn)知能力有限的青少年來說，認(rèn)識和理解數(shù)據(jù)變得更加困難。如何將抽象的概念以相對具體和有趣的方式呈現(xiàn)并使得青少年能與之互動成為本研究的難點(diǎn)之一。

（二）青少年的興趣難以調(diào)動：由于抽象難懂這一特點(diǎn)，青少年并不知道如何獲取相關(guān)的知識，也不愿意主動接觸這方面的內(nèi)容。在引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)的過程中，如何將抽象的內(nèi)容具體化，讓學(xué)習(xí)的過程變得有趣，激發(fā)青少年主動探索的欲望并結(jié)合他們的興趣點(diǎn)，成為培養(yǎng)青少年數(shù)據(jù)概念過程中基礎(chǔ)的一環(huán)也是十分重要的一環(huán)。

（三）很難和現(xiàn)有教育體系結(jié)合：傳統(tǒng)的中學(xué)教育中，其實(shí)已經(jīng)涉及數(shù)據(jù)相關(guān)知識的教育。比如數(shù)學(xué)學(xué)科中有統(tǒng)計學(xué)、圖表方面的知識，物理學(xué)中有速度、加速度等數(shù)據(jù)，生物學(xué)中有心跳、呼吸等生理數(shù)據(jù)，但是教育過程更加偏重于計算、繪圖、邏輯和記憶方面的內(nèi)容，沒有在教育的過程中介入數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)。這一方面是由于教師自身對于數(shù)據(jù)知識的匱乏，另一方面也是因?yàn)槭艿骄o張的教學(xué)計劃的限制。另外，由于不同學(xué)科之間的交流機(jī)會比較少，學(xué)生也很難把不同課堂擁有的資源和學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行融合，老師也沒有時間和精力了去研究自己學(xué)科之外的內(nèi)容，這也使得數(shù)據(jù)概念培養(yǎng)時，跨學(xué)科數(shù)據(jù)的利用成為一大困難。如果能將數(shù)據(jù)概念巧妙結(jié)合進(jìn)現(xiàn)有的課堂，并實(shí)現(xiàn)不同課堂之間數(shù)據(jù)的共享，將會給中學(xué)生數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)帶來事半功倍的效果。

（四）很難尋找與日常生活的結(jié)合點(diǎn)：說到數(shù)據(jù)，人么最先想到的是儲存在計算機(jī)里面的數(shù)據(jù)，會認(rèn)為高深莫測，離我們的生活十分遙遠(yuǎn)。這也是在青少年數(shù)據(jù)概念培養(yǎng)過程中的一個難題。但其實(shí)，數(shù)據(jù)往往是可以和人們的日常生活結(jié)合在一起的。人們在社交網(wǎng)絡(luò)上的每一個行為會存儲為一種數(shù)據(jù)，人們每天走的步數(shù)通過計步器統(tǒng)計并記錄下來也是一種數(shù)據(jù)，被拋擲起來的球體的速度、加速度、高度、運(yùn)動軌跡也都可以儲存為一種數(shù)據(jù)，如果能把數(shù)據(jù)的概念結(jié)合進(jìn)青少年的日常生活，將會更加有利于他們對于數(shù)據(jù)概念的理解，同時也能更好地激發(fā)他們的興趣。因而如何找到和青少年生活的結(jié)合點(diǎn)，需要大量的用戶觀察和調(diào)研，對于設(shè)計的實(shí)施有至關(guān)重要的作用。

（五）沒有合適的教材教具：說到數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)，這個概念對于老師來說同樣很抽象，他們也并不知道要教些什么、要怎樣教、又怎樣和自己已經(jīng)有的課程體系相結(jié)合，因而老師也需要一套系統(tǒng)的指南來指導(dǎo)自己如何展開數(shù)據(jù)概念的教學(xué)。因而本次設(shè)計的難點(diǎn)不僅在于設(shè)計教材教具供學(xué)生使用，設(shè)計教育的輔助工具供教師使用也是同樣重要的。目前市面上有針對青少年科學(xué)技術(shù)科普的書籍，有幫助他們培養(yǎng)編程能力和邏輯思維的設(shè)備，在研究領(lǐng)域也有根據(jù)相關(guān)教育理論開發(fā)的給老師使用的輔助課程設(shè)計的工具。這些都對項目的設(shè)計有一定的參考價值。

三、設(shè)計介入的要點(diǎn)

（一）跨學(xué)科：該研究首先確定了跨學(xué)科的方法對于數(shù)據(jù)概念的培養(yǎng)是有意義的。有學(xué)術(shù)研究表明，學(xué)科中的關(guān)鍵知識如果能在多學(xué)科情境下實(shí)踐，同一個概念如果能放在不同的情境之下，會促進(jìn)我們對概念的理解?；谶@一研究基礎(chǔ)，我們展開對于學(xué)校中跨學(xué)科合作可行性的研究。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，教師對于跨學(xué)科的方式是十分認(rèn)可的，認(rèn)為跨學(xué)科的方式有助于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)，并且教師也有意愿和其他學(xué)科的老師進(jìn)行合作式教學(xué)。但是，教師也表示出跨學(xué)科合作中遇到的困難，比如不知道如何著手跨學(xué)科合作，擔(dān)心占用太多時間影響正?？颇康膶W(xué)習(xí)等。因而我們最終確定的設(shè)計方向是，數(shù)據(jù)概念的教育應(yīng)該是跨學(xué)科的，但是該教育系統(tǒng)會有統(tǒng)一的跨學(xué)科合作規(guī)劃來指導(dǎo)教師如何展開跨學(xué)科合作，通過這樣的方式來保證跨學(xué)科合作的效果，也讓老師更加清楚自己要做的事情。

（二）產(chǎn)生數(shù)據(jù).分析數(shù)據(jù).運(yùn)用數(shù)據(jù)全流程的培養(yǎng)：培養(yǎng)過程不僅應(yīng)該是跨學(xué)科的，也應(yīng)該是全流程的。全流程也建立在跨學(xué)科的基礎(chǔ)上。這樣學(xué)生可以在A課堂制作用于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備，在B產(chǎn)生數(shù)據(jù)，在c課堂分析數(shù)據(jù)，最后在D課堂運(yùn)用數(shù)據(jù)。比如，在通用技術(shù)課上，學(xué)生自己動手制作了用于收集數(shù)據(jù)的設(shè)備。接著他們攜帶這個設(shè)備來到了體育課堂，在進(jìn)行體育運(yùn)動、體質(zhì)測試或者游戲的時候獲得一系運(yùn)動相關(guān)的數(shù)據(jù)。接著，他們攜帶這些數(shù)據(jù)來到了物理課堂，在學(xué)習(xí)運(yùn)動相關(guān)的知識的時候，他們可以拿出這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行速度、加速度、拋物運(yùn)動、時間、距離等概念的解釋，可以參照運(yùn)動產(chǎn)生的可視化圖形來猜測運(yùn)動的時候人的行為發(fā)生了哪些變化，甚至是運(yùn)用學(xué)生自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些復(fù)雜的物理計算。最后，在藝術(shù)課堂，學(xué)生可以嘗試將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，或者運(yùn)用已經(jīng)生成的數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行一些藝術(shù)創(chuàng)作。如果有需要，學(xué)生最后還也可以回到技術(shù)課堂，對整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行反思和總結(jié)，對相關(guān)數(shù)據(jù)的概念進(jìn)行深化理解，實(shí)現(xiàn)了整個學(xué)習(xí)過程的閉環(huán)。對于學(xué)生來說，他們不僅學(xué)習(xí)到了數(shù)據(jù)相關(guān)的知識，也對其他合作學(xué)科的相關(guān)知識有了更好的理解，分析問題和邏輯思維的能力也得以提升。對于授課老師來說，原本晦澀難懂的知識點(diǎn)變得更加具體，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣因?yàn)樽约簲?shù)據(jù)的介入得到了充分調(diào)動，教學(xué)效果也會產(chǎn)生明顯提高。最為重要的是，一次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以被多個課堂進(jìn)行多次利用，沒有浪費(fèi)數(shù)據(jù)，沒有讓學(xué)生們只是沉浸在產(chǎn)生數(shù)據(jù)的快樂中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了最充分的利用。

（三）學(xué)生自己產(chǎn)生數(shù)據(jù)：人們總是傾向于關(guān)注和自己相關(guān)的內(nèi)容，對于青少年來說更是如此。股市的數(shù)據(jù)、人口大數(shù)據(jù)可能并不能引起青少年對于數(shù)據(jù)概念的興趣，但是如果數(shù)據(jù)是與青少年日常生活息息相關(guān)并且是他們自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，那么，會對他們產(chǎn)生非常大的吸引力。這一點(diǎn)也是我們在用戶訪談過程中的出的結(jié)論。在這種使用情境下，每一個數(shù)據(jù)都反映了用戶的行為變化，用戶甚至可以通過控制行為來影響數(shù)據(jù)的變化。比如學(xué)生可以通過加速跑的方式來使得自己的心跳加速，也可以通過拋擲球的高度和方向來影響球體的運(yùn)動軌跡，在這些過程中，學(xué)生可以很容易發(fā)現(xiàn)自己行為和數(shù)據(jù)變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其中的樂趣，鍛煉思考和分析的能力。潛移默化的過程中，學(xué)生就掌握了數(shù)據(jù)連續(xù)和中斷、數(shù)據(jù)的影響因素等概念。同時，通過為每一位學(xué)生建立數(shù)據(jù)儲存的賬號，學(xué)生可以對自己感興趣的數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間的記錄和觀察，通過數(shù)據(jù)的對比，無效數(shù)據(jù)的管理，來對數(shù)據(jù)有更加深刻的理解。與此同時，學(xué)生也會更加關(guān)注自身行為，更加了解自己，這也算是該教育系統(tǒng)的一個附加價值。

（四）軟硬件結(jié)合：該方案對于數(shù)據(jù)主要有兩方面的需求。一方面，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和采集，這就需要一個裝有不同傳感器的硬件設(shè)備，青少年可以與之互動產(chǎn)生數(shù)據(jù)。另一方面，需要呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。這就需要一個軟件界面來將數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)在上面，方便學(xué)生查看和分析。因而該產(chǎn)品是一件軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品。和現(xiàn)在市面上已經(jīng)有的能夠獲取數(shù)據(jù)的硬件不同，這個硬件將是由學(xué)生自己拼裝組成的，同時也是個性化的，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器并制作不同的設(shè)備形狀。這樣不僅有利于增進(jìn)學(xué)生對于數(shù)據(jù)概念的理解，也能提升他們的動手能力。而且基于硬件這一實(shí)體設(shè)備的學(xué)習(xí)，也能讓學(xué)習(xí)的過程更加具象化。

（五）教師更加自由化的課程設(shè)計：盡管系統(tǒng)會給老師提供給一份指南來指導(dǎo)教師的課程設(shè)計，但是通過對老師的調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，對于教師來說，靈活性是他們認(rèn)為授課過程中的一個十分重要的因素。靈活性主要表現(xiàn)在三個方面。即不同學(xué)科的老師可以結(jié)合自己的課程需要對該教育系統(tǒng)進(jìn)行靈活應(yīng)用;老師可以根據(jù)學(xué)生的不同水平對于教學(xué)計劃作出靈活的調(diào)整;學(xué)?？梢愿鶕?jù)自己的教學(xué)計劃來安排教學(xué)所持續(xù)的時間。因而，該方案對于教師課程的指導(dǎo)不是固定不變的，而是可以加入自己的想法，靈活修改的。教師課程設(shè)計指南基于已有的理論研究.教育蜘蛛地圖（Educational Spider Map），如圖2所示。

圖3中的表格涉及課程設(shè)計過程中所應(yīng)該考慮的一系列問題，如：學(xué)習(xí)的目標(biāo)、內(nèi)容、方式、教材、地點(diǎn)、時間、教師的角色、評估的標(biāo)準(zhǔn)等。教師課程設(shè)計指南從這十個方面對老師的課程設(shè)計進(jìn)行引導(dǎo)，幫助老師明確設(shè)計課程時所應(yīng)該考慮的維度，有助于提高老師課程設(shè)計的質(zhì)量和速度，同時又給老師提供了較大的設(shè)計空間。

四、各相關(guān)配件設(shè)計

產(chǎn)品最終以工具箱的形式呈現(xiàn)，學(xué)生用的工具箱中包含：模塊化智能硬件、pc端軟件和任務(wù)卡片。教師的工具箱中還會額外包含教師課程設(shè)計指南。

（一）模塊化智能硬件：該硬件如圖4所示：學(xué)生拿到工具箱的時候，該硬件并未拼裝完成，僅僅是六邊形薄片、Arduino板、一系列傳感器等元件和一些制作過程中會用到的工具。學(xué)生需要自行組裝，將這些零散的元件組成不同的模塊單元，這里模塊單元分為：電池模塊、Arduino模塊和傳感器模塊，不同模塊用不同的顏色表示，學(xué)生可以利用這些模塊進(jìn)行單一傳感器或多傳感器設(shè)備的組裝。是一個從元件到模塊到設(shè)備的過程。在這個過程中，學(xué)生對于這些電子元件會有更加深刻的認(rèn)識、動手能力和合作能力得以提升。而產(chǎn)出的設(shè)備也是完全個性化的，每個設(shè)備形狀和功能都會不盡相同。這個設(shè)備用于收集各種學(xué)生們感興趣的數(shù)據(jù)，供之后的數(shù)據(jù)分析和運(yùn)用過程使用。

（二）PC端軟件：圖5為PC端軟件顯示的數(shù)據(jù)動態(tài)圖形。學(xué)生和硬件互動時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會實(shí)時地反應(yīng)在頁面上。學(xué)生可以通過觀察發(fā)現(xiàn)自己行為和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，找到影響數(shù)據(jù)變化的因素等。除了實(shí)時顯示數(shù)據(jù)可視化圖形這一功能之外，軟件還可以圖片或視頻的形式記錄某一時刻的數(shù)據(jù)圖形或某一時間段的數(shù)據(jù)變化，這些圖片和視頻可以發(fā)送至軟件自帶的社群當(dāng)中，學(xué)生之間可以相互交流，教師也可以將這些素材運(yùn)用到自己的課堂之中，比如讓同學(xué)們猜測這是哪一位同學(xué)的數(shù)據(jù)，分析當(dāng)時發(fā)生了什么等。老師也可以在平臺上發(fā)布一些主題挑戰(zhàn)，調(diào)動學(xué)生們的積極性，做出更多的探索。

（三）任務(wù)卡片：任務(wù)卡片根據(jù)傳感器不同，分為不同類別，每個類別下面又有可以訓(xùn)練到不同方面能力的各種任務(wù)。任務(wù)卡片是一系列紙質(zhì)卡片，卡片的顏色和傳感器模塊的顏色一致，卡片形狀為三角形，多個三角形拼合在一起可以形成五邊形，這也是每名學(xué)生所應(yīng)該完成的最低標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)數(shù)量，如圖6。卡片上會標(biāo)明任務(wù)的難度和訓(xùn)練的能力，方便學(xué)生根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇，也方便老師為不同年級的學(xué)生選擇對應(yīng)的任務(wù)。之所以沒有將任務(wù)卡片做成電子版本放在軟件中而是做成實(shí)體卡片，目的在于通過這種可以觸摸的方式，讓已經(jīng)完成的任務(wù)和未完成的任務(wù)更加直觀，學(xué)生因此可以明確自己的進(jìn)程，并且可以獲得更大的成就感，老師也可以通過卡片更加方便地了解每一位學(xué)生的情況。

（四）教師課程設(shè)計指南：教師課程設(shè)計指南以一張大卡片的形式存在，工具箱中會為老師提供多張該卡片供老師使用，如圖7?？ㄆ巷@示的是教育蜘蛛地圖（Educational spider Map）上所涉及的內(nèi)容，教師完成一張卡片的填寫之后，會更加明確把握課程的設(shè)計方向。

除此之外，還有三張基于教育蜘蛛地圖的課程計劃參考，如圖8。展現(xiàn)了不同課程間合作的三種可能。橫坐標(biāo)表示不同的課程科目，縱坐標(biāo)即為教育蜘蛛地圖的不同方面。能在老師不知道如何設(shè)計課程的時候提供選擇，也能夠幫助老師產(chǎn)生靈感。

結(jié)論

文章研究設(shè)計介入青少年數(shù)據(jù)概念培養(yǎng)的問題，研究過程進(jìn)行了大量的用戶訪談和文獻(xiàn)查閱工作。最終形成了一套能夠與現(xiàn)有教育體系相結(jié)合的、從產(chǎn)生數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)，再到運(yùn)用數(shù)據(jù)的全流程的教育體系，在這個過程中，學(xué)生能夠?qū)?shù)據(jù)產(chǎn)生興趣，對數(shù)據(jù)概念有初步了解。動手能力、解決問題的能力、與人合作等能力也能有所提高。該產(chǎn)品系統(tǒng)在學(xué)校的測試中，也得到老師和學(xué)生的良好反饋，證明跨學(xué)科合作、基于動手的學(xué)習(xí)等形式在青少年數(shù)據(jù)概念培養(yǎng)過程中的有效性。

模塊化的設(shè)計理念使得產(chǎn)品具有很強(qiáng)的可拓展性，隨著傳感器的數(shù)量和種類的擴(kuò)展，學(xué)生可以進(jìn)行更加豐富、深入的數(shù)據(jù)研究。

當(dāng)然現(xiàn)有系統(tǒng)也存在一些不足。比如產(chǎn)品材質(zhì)的選擇不夠耐用，數(shù)據(jù)可視化過程中的一些技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題等。這些都是產(chǎn)品在日后的迭代過程中所應(yīng)該著重關(guān)注的問題。