ESP：大數(shù)據(jù)時(shí)代科學(xué)教育整合的一種解決方案

項(xiàng)華

科技與科學(xué)教育因社會(huì)發(fā)展的不同階段而肩負(fù)著不同的使命，也因時(shí)代的進(jìn)步而日益走向社會(huì)舞臺(tái)的中心。過去的科技與科學(xué)教育的使命定位在發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)和傳遞科學(xué)知識(shí)，今天的科技與科學(xué)教育則肩負(fù)著提高每一個(gè)公民的科學(xué)素養(yǎng)水平，破解能源、生態(tài)、環(huán)境與社會(huì)等發(fā)展危機(jī)的難題，引領(lǐng)人類文明可持續(xù)發(fā)展的重要使命。隨著人類走進(jìn)信息時(shí)代，并由此走向大數(shù)據(jù)時(shí)代，各種矛盾日益凸顯，科技與科學(xué)教育面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

大數(shù)據(jù)時(shí)代科技與科學(xué)教育面臨著諸多的問題

首先，科學(xué)出現(xiàn)了新的形態(tài)?，F(xiàn)代科學(xué)之父伽利略是個(gè)里程碑式的人物，正是伽利略明確地將實(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理方法引入到了科學(xué)研究之中，科學(xué)才得以系統(tǒng)而迅速地發(fā)展。從那時(shí)起，科學(xué)家們開始以實(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理的方式認(rèn)識(shí)自然世界，科學(xué)因此形成了兩種形態(tài)，其一是實(shí)物實(shí)驗(yàn)形態(tài)，其二是數(shù)學(xué)推理形態(tài)。隨著科學(xué)發(fā)展到今天的大數(shù)據(jù)時(shí)代，一些科學(xué)家和工程師離不開借助計(jì)算機(jī)手段研究事物，科學(xué)出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)的第三種形態(tài)——計(jì)算形態(tài)。各個(gè)學(xué)科的邊界變得模糊，科學(xué)研究的范式有了新的變化。以前學(xué)科分化越來越精細(xì)，但是科學(xué)發(fā)展到今天，信息科學(xué)、納米技術(shù)、生物科學(xué)和生命科學(xué)、認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)被公認(rèn)為最具革命性的學(xué)科領(lǐng)域，這四種科技的整合，將對人類社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響，并可能再次改變我們?nèi)祟惖奈锓N。學(xué)科在高度分化的基礎(chǔ)之上開始走向?qū)W科之間的滲透和融合，特別是開始走向自然與人的融合。基于計(jì)算機(jī)的整合是當(dāng)今科學(xué)發(fā)展與突破的必由之路。但是如何整合卻是仁者見仁智者見智之事。

其次，技術(shù)的高速發(fā)展帶來了日益嚴(yán)重的社會(huì)問題。比如生命科學(xué)中的克隆技術(shù)直接挑戰(zhàn)人類社會(huì)傳統(tǒng)的倫理問題；對于自然界的無節(jié)制索取，帶來了日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化危機(jī)等。此外，物質(zhì)生活的豐富與網(wǎng)絡(luò)的言論自由帶來了日益高漲的民主與平等的社會(huì)訴求。這些問題可能直接源自高速發(fā)展的科技，以致于我們的精神與理解出現(xiàn)相對滯后。諸多危機(jī)與問題要得到根治，除了需要加快人類智慧文明發(fā)展，還需要科技與科學(xué)教育的進(jìn)一步高度發(fā)展，此所謂解鈴還須系鈴人?？茖W(xué)史上，科學(xué)家們?yōu)槿祟惙e累了豐富的化解人類危機(jī)的智慧與知識(shí)。

最后，一方面“科教興國”得到普遍共識(shí)，人們開始懂得在科學(xué)教育之信息化方面投入大量的人力和物力；另一方面人們對技術(shù)的發(fā)展給生存環(huán)境構(gòu)成影響認(rèn)識(shí)不足，主要表現(xiàn)在看不到現(xiàn)代教育技術(shù)的革命性影響潛力，或者在現(xiàn)代教育技術(shù)面前感到茫然。這種狀況除了造成設(shè)備因?yàn)殚e置而帶來的嚴(yán)重浪費(fèi)現(xiàn)象之外，還限制了我們破解當(dāng)今科技與科學(xué)教育難題的思考與方法。

為了解決諸多危機(jī)與沖突，需要探討各種可行而有效的解決方案。通過分析大數(shù)據(jù)時(shí)代的科學(xué)教育的現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，如果只是從局部進(jìn)行個(gè)別改動(dòng)，問題難以有效地得到解決，當(dāng)今的科學(xué)教育問題要想從根本上得以解決，必須運(yùn)用系統(tǒng)觀念，從整體上改變或者構(gòu)建科學(xué)教育體系，換句話講，需要從整合的角度才能提出可行的解決方案。

數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃

針對大數(shù)據(jù)時(shí)代人類面臨的諸多危機(jī)，人們提出了一些對策與良方，其中影響最大的是國際21世紀(jì)教育委員會(huì)在向聯(lián)合國教科文組織（UNIESCO）提出的21世紀(jì)教育的四大支柱策略：（1）學(xué)會(huì)認(rèn)知（Learning to know）：培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用認(rèn)知工具求知，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)會(huì)探究知識(shí)，學(xué)會(huì)構(gòu)建知識(shí)。即培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知方法，引導(dǎo)學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)、探究和意義構(gòu)建的途徑獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)能力。（2）學(xué)會(huì)做事（Learning to do） ：既要學(xué)會(huì)實(shí)踐，也要學(xué)會(huì)創(chuàng)造。重視建造可供學(xué)生參與的環(huán)境，激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)習(xí)者通過環(huán)境的交互作用，通過實(shí)踐，通過做事獲得知識(shí)和能力。（3）學(xué)會(huì)合作（Learning to together） ：要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)與他人共同生活，就要學(xué)會(huì)合作生活，合作學(xué)習(xí)，從過去的集中教學(xué)方式到個(gè)別學(xué)習(xí)方式，到現(xiàn)在提倡的協(xié)作學(xué)習(xí)。（4）學(xué)會(huì)生存（Learning to be） ：學(xué)會(huì)生活、學(xué)會(huì)做人、學(xué)會(huì)自身的發(fā)展。既要傳授知識(shí)，還要注重能力和高尚情操的培養(yǎng)。

在科學(xué)教育領(lǐng)域之中形成了一種強(qiáng)調(diào)親自動(dòng)手學(xué)習(xí)科學(xué)的潮流。在美國、法國、英國、加拿大等國的國家科學(xué)課程改革方案中，科學(xué)探究被列為課程目標(biāo)和課程體系的關(guān)鍵而基本的要素?！皩W(xué)習(xí)必須是主動(dòng)的”已成為國際上基本的教育理念。其中影響較大的有“做中學(xué)”、“Hands-on”（動(dòng)手做）、“Minds-on”（動(dòng)腦做）、“STEM”（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）等科學(xué)教育實(shí)踐。這些科學(xué)教育實(shí)踐旨在使學(xué)生以科學(xué)的方法學(xué)習(xí)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)方法、思維方法、學(xué)習(xí)態(tài)度的培養(yǎng)。

這些先進(jìn)的科學(xué)教育理念與實(shí)踐推動(dòng)了科學(xué)教育的創(chuàng)新與實(shí)踐。但是實(shí)踐表明，一個(gè)好的理念要想轉(zhuǎn)化為教學(xué)行為，往往需要一個(gè)較長時(shí)期的培訓(xùn)與轉(zhuǎn)化過程，這個(gè)過程是艱難的，特別是對于教師和學(xué)生需要具有一定的專業(yè)理解能力。能否綜合上述先進(jìn)的科學(xué)教育理念，提出一種直觀、易懂而且有效的科學(xué)教育模式的推廣方案呢？數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃（E-Scientist Project， ESP）給出了一種大數(shù)據(jù)時(shí)代下科學(xué)教育模式的推廣方案。

所謂數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃，就是一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下以提高每一位學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)水平為宗旨，以探究式教學(xué)為鮮明特征，以科學(xué)思想、科學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法為核心，播種未來科學(xué)家種子的教學(xué)模式的推廣方案。

數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃主要有兩方面特征，其一，數(shù)字科學(xué)家是一種科學(xué)教育模式符號(hào)，以“科學(xué)家”符號(hào)將抽象的科學(xué)教育理念人物化和直觀化，即準(zhǔn)確地表述了現(xiàn)代的科學(xué)教育理念，也便于師生理解與實(shí)施。榜樣的力量是無窮的，雖然科學(xué)不能解決人類所有的問題，但是科學(xué)家們?yōu)槲覀兎e累的知識(shí)、思想、方法、科學(xué)精神在過去和將來都是破解社會(huì)難題的重要途徑；其二，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮大數(shù)據(jù)環(huán)境下第三種科學(xué)形態(tài)的育人功能，這是當(dāng)今科技與科學(xué)教育創(chuàng)新的重要切入點(diǎn)。

數(shù)字科學(xué)家的教學(xué)模式是在WebQuest（基于網(wǎng)絡(luò)的主題探究）模式的基礎(chǔ)上改造而成的。主要有以下五個(gè)模塊：（1）核心問題：WebQuest的核心是設(shè)置一個(gè)開放性的問題。這個(gè)問題設(shè)定了WebQuest的清晰目標(biāo)，鼓勵(lì)學(xué)生回顧原先掌握的知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)者進(jìn)一步探索的動(dòng)機(jī)。（2）任務(wù)指南：提供一個(gè)“腳手架”，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)、經(jīng)歷和體驗(yàn)專家的思維過程?！澳_手架”將令人望而生畏的探究項(xiàng)目打碎成若干個(gè)片段，引導(dǎo)學(xué)生研究較為復(fù)雜的科學(xué)問題。（3）海量資源：創(chuàng)建一些到其他互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)的鏈接來共享網(wǎng)絡(luò)資源。通過運(yùn)用多樣化的互聯(lián)網(wǎng)資源，可以為不同學(xué)習(xí)水平或不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)生提供信息資源。（4）實(shí)施“做中學(xué)”：要提供高層次的思維指南，體現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)理念，保證動(dòng)腦和動(dòng)手的教學(xué)方式落到實(shí)處。（5）交流與評價(jià)：WebQuest一般用量規(guī)提供了自我評估的標(biāo)準(zhǔn)，提示學(xué)生已經(jīng)學(xué)到了什么，并鼓勵(lì)把這種探究的經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。評價(jià)人員可以是教師，也可以是家長和同學(xué)。

數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃產(chǎn)生于筆者主持的北京市教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題《數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃：基于數(shù)據(jù)探究理論的物理選修課程建設(shè)與研究》（2010年立項(xiàng)），已經(jīng)在北京景山學(xué)校、北京一零一中學(xué)、北京師范大學(xué)亞太實(shí)驗(yàn)學(xué)校等學(xué)校展開實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目在課題階段探討了校本特色選修課程的建設(shè)，但是隨著課題研究的深入開展，數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃已經(jīng)不再局限于校本選修課程，開始運(yùn)用到正規(guī)的物理課堂教學(xué)；也不僅局限在物理學(xué)科教學(xué)，已經(jīng)開始運(yùn)用到小學(xué)高年級的科學(xué)課程與教學(xué)；還不僅局限在學(xué)?？茖W(xué)教學(xué)，已經(jīng)開始運(yùn)用于北京市東城區(qū)青少年科技館的科普性質(zhì)科學(xué)課程，并配合教學(xué)，于2013年11月成功地舉辦了北京市東城區(qū)“數(shù)碼探科學(xué)”大賽。大賽令人耳目一新，引起了學(xué)者和教師的廣泛關(guān)注。著名教育家顧明遠(yuǎn)先生在頒獎(jiǎng)會(huì)上講到，這次大賽讓人們看到了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們在數(shù)碼探究中有模有樣，學(xué)到了科學(xué)思想、科學(xué)方法，體驗(yàn)到了數(shù)碼探究的樂趣。

經(jīng)過三年的探索與實(shí)踐，數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃已經(jīng)從課題研究轉(zhuǎn)向項(xiàng)目推廣的初期階段。初步建設(shè)了數(shù)字科學(xué)家網(wǎng)站，形成了一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下的科學(xué)教育模式，也形成數(shù)字科學(xué)家課程的教師培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，還形成低、中、高端數(shù)字環(huán)境裝備下課程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)具備了在更大范圍試驗(yàn)與推廣的條件。

數(shù)據(jù)探究理論——數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃的基石

探討破解大數(shù)據(jù)時(shí)代的科學(xué)教育難題的途徑涉及大而復(fù)雜的社會(huì)問題，僅憑經(jīng)驗(yàn)而沒有理論的指導(dǎo)是難以理解與完成的。但是數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃已經(jīng)形成了一些基本的概念與教學(xué)原理。這些基本概念與教學(xué)原理構(gòu)成了所謂的數(shù)據(jù)探究理論。數(shù)據(jù)探究理論是數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃的基石。

信息（Information）是數(shù)據(jù)探究理論的邏輯起點(diǎn)。何謂信息？這是一個(gè)復(fù)雜而神奇的概念，學(xué)者們有著不同的見解，美國數(shù)學(xué)家和控制論創(chuàng)始者維納不得已這樣定義信息：信息就是信息，既非物質(zhì)，也非能量。筆者考慮到人的因素，對信息進(jìn)行了如下的定義：信息既不是物質(zhì)，也不是能量，而是物質(zhì)的波-粒二像性與人相互作用的存在形式。

數(shù)據(jù)（Data）是數(shù)據(jù)探究理論的另一個(gè)重要概念。數(shù)據(jù)是載荷或記錄信息而留下的明確印跡。數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、文字、圖像、錄像，也可以是計(jì)算機(jī)代碼等。對數(shù)據(jù)背景的解讀是獲取意義的一種途徑。數(shù)據(jù)背景是接收者針對特定數(shù)據(jù)的意義準(zhǔn)備，即當(dāng)接收者了解數(shù)據(jù)序列的規(guī)律，并知道每個(gè)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)組合的指向性目標(biāo)和含義時(shí)，便可以獲得數(shù)據(jù)所載荷的意義。觀察數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)挖掘就是對數(shù)據(jù)背景的解讀過程。數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃的核心環(huán)節(jié)在于信息觀測、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)價(jià)值與交流。

探究式教學(xué)是一種以科學(xué)探究為基本特征的教學(xué)模式，其實(shí)質(zhì)是引導(dǎo)學(xué)生通過類似科學(xué)家的探索過程理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)。依據(jù)科學(xué)的三種形態(tài)，將探究式教學(xué)分成實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)學(xué)推理探究和數(shù)據(jù)探究。所謂數(shù)據(jù)探究是一種基于計(jì)算機(jī)的探究式教學(xué)，是提高學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平的必要途徑。數(shù)據(jù)探究與其說是一種適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的手段和途徑，不如說是大數(shù)據(jù)時(shí)代的一種生活理念和生活態(tài)度。

數(shù)據(jù)探究在教師觀、學(xué)生觀、學(xué)習(xí)觀和評價(jià)觀上均具有新的內(nèi)涵。簡單介紹如下：（1）教師是數(shù)據(jù)探究的促進(jìn)者與合作者。（2）學(xué)生是具有創(chuàng)造能力的學(xué)習(xí)主體。數(shù)據(jù)探究應(yīng)該把學(xué)生置于一個(gè)有社會(huì)意義的團(tuán)體中，培養(yǎng)“共生性”與“交互性”，體驗(yàn)創(chuàng)造的意義和價(jià)值。還應(yīng)該體現(xiàn)STS教育，強(qiáng)調(diào)人對自然、社會(huì)、人生的責(zé)任和義務(wù)。（3）數(shù)據(jù)探究是一個(gè)建構(gòu)的、社會(huì)化的綜合體驗(yàn)過程。學(xué)習(xí)者總是依據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)、心理結(jié)構(gòu)和信念來選擇一些信息或者數(shù)據(jù)，從中經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘得到推論，并根據(jù)推論來構(gòu)建關(guān)于世界的認(rèn)識(shí)。（4）評價(jià)是開放、多元的反饋過程。數(shù)據(jù)探究評價(jià)認(rèn)為學(xué)習(xí)是一種建構(gòu)獨(dú)特意義的過程，注重對于探究過程的評價(jià)，關(guān)注評價(jià)的開放性與多元性。

總之，數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃在理論與實(shí)踐上為我們提供了一種大數(shù)據(jù)時(shí)代科學(xué)教育整合的解決方案。

注：本文系北京市教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃課題《數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃：基于數(shù)據(jù)探究理論的物理選修課程建設(shè)與研究》（課題編號(hào)：DBB10077）的研究成果。

（作者單位：北京師范大學(xué)物理系）