中小學數(shù)據(jù)科學教育的國際比較

鈕新顏

隨著大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)爆炸增長帶來了新的科學領域——數(shù)據(jù)科學。人們逐漸認識到數(shù)據(jù)科學作為一門重要的學科體系應該在教育體系中得到重視。中小學信息技術課程正面臨從技術消費者到技術創(chuàng)造者的轉型時期，除了增加編程內容之外，還應該努力增加一些數(shù)據(jù)科學的內容，從而能夠創(chuàng)造一個更加指向滿足學生未來發(fā)展需要的課程體系。因此，筆者綜合審視了世界各國和地區(qū)的融入信息技術課程的數(shù)據(jù)科學教育，以期為我國信息技術課程改革和發(fā)展提供可借鑒的經(jīng)驗。

數(shù)據(jù)科學能力框架

國際上已經(jīng)有了一些關于數(shù)據(jù)科學能力框架的研究成果，筆者遴選了一些典型的數(shù)據(jù)科學能力框架并進行了比較，具體如下頁表1所示。[1]

盡管方法不同，但不同框架所包含的能力有很大程度的重疊。無論是在個人還是組織層面，都包括訪問數(shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)質量、進行分析、解釋結果以及（在大多數(shù)框架中）合乎道德地使用數(shù)據(jù)所必需的技能。總之，這些框架清楚地表明，數(shù)據(jù)科學能力框架是復雜的，涉及各種能力。

各個國家和地區(qū)的數(shù)據(jù)科學教育

1.英國的數(shù)據(jù)科學教育

英國的數(shù)據(jù)科學教育走在了世界前列，英國皇家學會在2019年發(fā)布了《數(shù)據(jù)科學技能的力量》報告。該報告是對當前英國數(shù)據(jù)科學領域的廣泛探索，它著眼于數(shù)據(jù)專業(yè)人員的需求及近年來需求的變化。筆者利用這一分析確定了四個主要行動領域：發(fā)展基礎知識和技能、提高專業(yè)技能和培養(yǎng)人才、促進人才流動和共享以及以良好管理的方式擴大對數(shù)據(jù)的訪問。

英國皇家學會的另一份報告《中小學課程中數(shù)據(jù)科學的整合》確定了數(shù)據(jù)科學技能在數(shù)學、計算、科學和人文學科中的存在程度，并顯示了數(shù)據(jù)科學技能正在被教授。[2]數(shù)據(jù)技能已經(jīng)在英國全國中小學課程中普遍存在。而在計算課程中規(guī)定了各個階段的數(shù)據(jù)科學教育內容，具體如下：①關鍵階段2的計算課程培養(yǎng)學生對算法和編程技能的理解，重點是邏輯推理，以解釋簡單算法是如何工作的。學生必須把問題分解成更小的部分來解決問題，在程序中使用順序、選擇和重復，以及處理變量和各種形式的輸入輸出。他們還必須使用各種軟件分析、評估和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息。②關鍵階段3是學生在計算中認真學習數(shù)據(jù)科學的關鍵階段，特別是算法、計算建模、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結構的正式研究。課程規(guī)定，在關鍵階段3，學生應設計、使用和評估模擬現(xiàn)實世界問題和物理系統(tǒng)狀態(tài)和行為的計算抽象，理解反映計算思維的幾個關鍵算法，并適當使用數(shù)據(jù)結構。關鍵階段4的計算課程要求最低，反映了GCSE計算是可選的。英國的數(shù)據(jù)科學教育已經(jīng)浸潤在計算課程體系之中，但是仍然有許多不足之處需要完善和發(fā)展。

英國將具體的數(shù)據(jù)素養(yǎng)的內涵做了一些界定，主要包括如下內容：①學生能計劃他們需要什么樣的數(shù)據(jù)來回答他們的問題嗎？這包括設計帶有適當?shù)亩噙x選項的調查問卷，以及了解他們可以使用什么設備。②學生能收集數(shù)據(jù)嗎？這包括識別他們可以親自或在線收集數(shù)據(jù)的不同方式。③學生能分析數(shù)據(jù)嗎？這包括從他們擁有的數(shù)據(jù)中識別模式和趨勢，以及能夠使用這些數(shù)據(jù)回答問題。④學生能出示數(shù)據(jù)嗎？這包括圖形、信息圖形，以及能夠“讀取”他人數(shù)據(jù)的圖形。⑤學生能討論他們應該/不應該提供/要求的數(shù)據(jù)嗎？這包括認識到如何使用數(shù)據(jù)，以及討論是否希望以這種方式使用數(shù)據(jù)的倫理。

2.美國的數(shù)據(jù)科學教育

美國的計算機科學教育體系中一直都有數(shù)據(jù)科學教育的一席之地。雖然美國一直比較強調計算機科學教育，但在計算機科學教師協(xié)會制訂的K-12階段計算機科學標準中，一整條線都被賦予了數(shù)據(jù)和分析，并為高中生設定了清晰的目標，如“創(chuàng)建交互式數(shù)據(jù)可視化”和“使用數(shù)據(jù)分析工具和技術來識別代表復雜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模式”。因此，用代碼進行數(shù)據(jù)可視化和分析仍然有很大的空間。美國CSTA標準中“數(shù)據(jù)與分析”模塊具體要求如下頁表2所示。[3]

除了英美之外，其他很多國家和地區(qū)都高度重視數(shù)據(jù)科學教育。例如，日本將數(shù)據(jù)科學和人工智能作為其信息技術教育的支柱內容。國際上的信息技術教育既強調編程教育、人工智能教育，也將數(shù)據(jù)科學作為很重要的內容之一。

融入信息技術課程中的數(shù)據(jù)科學教育思考

1.加強對數(shù)據(jù)科學基礎教育的重視程度

國家高度重視大數(shù)據(jù)建設及應用，很多高校都開設了大數(shù)據(jù)等相關專業(yè)。但在數(shù)據(jù)科學教育體系中，數(shù)據(jù)科學基礎教育至關重要，要從小培養(yǎng)社會公民的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，因此，要在基礎教育體系中加強數(shù)據(jù)科學教育，我們要站在時代發(fā)展的戰(zhàn)略高度統(tǒng)籌謀劃數(shù)據(jù)科學基礎教育的建設與發(fā)展。

2.明晰數(shù)據(jù)科學教育的實施途徑

通過英美等國家的資料可以看出，數(shù)據(jù)科學教育不是只通過一個途徑就可以培養(yǎng)的，數(shù)學、信息技術教育等學科都可以培養(yǎng)數(shù)據(jù)素養(yǎng)。因此，我們要在相應課程標準修訂之際，將數(shù)據(jù)科學教育融入到各學科課程內容體系之中。信息技術教育正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)內容向新型課程轉變，數(shù)據(jù)科學教育應該作為重要內容納入其中。缺乏了數(shù)據(jù)科學教育的信息技術教育必然不能夠支撐起指向未來的人才發(fā)展，而沒有了信息技術教育作為載體的數(shù)據(jù)科學教育必然會喪失其技術優(yōu)勢，成為無本之源。

3.做好數(shù)據(jù)科學教育的師資培育

發(fā)展數(shù)據(jù)科學教育的首要制約條件就是師資，沒有優(yōu)秀師資的支撐就難以很好地實施數(shù)據(jù)科學教育。數(shù)據(jù)科學教育師資培育不僅要加強在職師資的培訓和發(fā)展，使其能夠掌握數(shù)據(jù)科學教育的知識、技能和方法，能夠懂得數(shù)據(jù)科學教育應該教什么、怎么教，更要將數(shù)據(jù)科學教育內容納入師范生教育體系中，不斷地重構和優(yōu)化師范生教育體系和內容，使他們能夠適應未來的教育。

參考文獻：

[1]Data Literacy： What It Is and How to Measure It in the Public Service.[DB/OL].[2021-02-22].https：//www150.statcan.gc.ca/n1/pub/11-633-x/11-633-x2019003-eng.htm

[2]the Integration of Data Science in the Primary and Secondary.[DB/OL].[2021-02-22].https：//royalsociety.org/～/media/policy/Publications/2018/2018-07-16-integration-of-data-science-primary-secondary-curriculum.pdf.

[3]CSTA K-12 Computer Science Standards， Revised 2017.[DB/OL].[2021-02-22].http：//www.csteachers.org/standards.