加強(qiáng)科學(xué)實(shí)踐，提高學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)

沈躍群

【編者按】數(shù)據(jù)意識(shí)是新時(shí)代每一個(gè)學(xué)生必須具備的科學(xué)素養(yǎng)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“利用測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點(diǎn)”的提法，以及運(yùn)用數(shù)據(jù)等描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程，都強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)的重要性。

教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)知數(shù)據(jù)的意義和價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)，發(fā)展數(shù)據(jù)意識(shí)，為提升科學(xué)素養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。具體而言，教師可從催發(fā)數(shù)據(jù)需求、經(jīng)歷數(shù)據(jù)搜集、討論分析數(shù)據(jù)、反思數(shù)據(jù)誤差和彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失等方面入手，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)。本專輯的兩篇文章對(duì)此進(jìn)行了探索。

【摘 要】信息化時(shí)代，數(shù)據(jù)素養(yǎng)已成為當(dāng)代學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)之一。良好的數(shù)據(jù)素養(yǎng)可以幫助學(xué)生正確判斷事物并做出決策。在教學(xué)中，加強(qiáng)科學(xué)實(shí)踐，通過課外數(shù)據(jù)調(diào)查，運(yùn)用數(shù)據(jù)觀察描述事物特征和變化，沿著思維發(fā)展階梯有層次地分析解讀數(shù)據(jù)等實(shí)踐活動(dòng)，可有效提高學(xué)生數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)倫理等數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)實(shí)踐 數(shù)據(jù)素養(yǎng) 教學(xué)策略

學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)知識(shí)、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)倫理等數(shù)據(jù)素養(yǎng)需要教師有意識(shí)地培養(yǎng)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，“利用測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點(diǎn)”“利用觀察、實(shí)驗(yàn)等各種方法獲得數(shù)據(jù)，用科學(xué)語(yǔ)言、概念圖、統(tǒng)計(jì)圖表等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，運(yùn)用所學(xué)科學(xué)原理、思維方法和數(shù)學(xué)方法處理數(shù)據(jù)，建構(gòu)解釋，得出結(jié)論，判斷結(jié)論與假設(shè)是否一致”。因此，會(huì)用數(shù)據(jù)表征物體的某些特點(diǎn)，會(huì)收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，解讀數(shù)據(jù)得出基于數(shù)據(jù)的結(jié)論，是重要的科學(xué)探究能力。

一、科學(xué)實(shí)踐在培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)中的作用

1.提供真實(shí)數(shù)據(jù)情境。

核心素養(yǎng)是個(gè)體在與各種真實(shí)情境持續(xù)的互動(dòng)中，不斷解決問題和創(chuàng)生意義的過程中形成的。離開科學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)無(wú)法得到有效培養(yǎng)。通過課內(nèi)、課外多形式的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷數(shù)據(jù)的收集、處理、分析和應(yīng)用過程，從而深入了解數(shù)據(jù)在生活和科學(xué)研究中的意義和價(jià)值，可以幫助學(xué)生更好地理解數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)。

2.增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技能。

在科學(xué)研究中，學(xué)生需要提出問題，收集有效數(shù)據(jù)、處理和分析數(shù)據(jù)、解讀數(shù)據(jù)背后的意義、運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行決策等，這些技能的獲得離不開科學(xué)實(shí)踐。豐富多樣的科學(xué)探究、工程實(shí)踐活動(dòng)可為學(xué)生提供訓(xùn)練場(chǎng)，提高學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力。

3.培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析思維。

數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模、基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論并推理論證、運(yùn)用數(shù)據(jù)分析方法創(chuàng)造性解決問題，這些思維能力的培養(yǎng)都離不開科學(xué)實(shí)踐。科學(xué)實(shí)踐有助于發(fā)展學(xué)生的邏輯思維和數(shù)據(jù)分析能力。

4.提升數(shù)據(jù)表達(dá)能力。

在科學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生需要將分析結(jié)果以適當(dāng)?shù)姆绞匠尸F(xiàn)出來；在研討交流過程中，團(tuán)隊(duì)成員需要相互協(xié)作、交流和分享數(shù)據(jù)、信息，在交流中理解他人的數(shù)據(jù)和觀點(diǎn)，學(xué)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)疑，并表達(dá)自己的數(shù)據(jù)見解。這些有助于提升學(xué)生的數(shù)據(jù)表達(dá)能力。

二、提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)的路徑和方法

1.開展生活調(diào)查，增強(qiáng)數(shù)據(jù)意識(shí)。

數(shù)據(jù)意識(shí)即對(duì)數(shù)據(jù)的敏感性和認(rèn)知能力，能夠意識(shí)到數(shù)據(jù)在解決問題和決策中的重要性，以及能夠主動(dòng)地去尋找、獲取和利用數(shù)據(jù)。生活中的數(shù)據(jù)無(wú)處不在，缺少的是得到關(guān)注。在毫升概念建構(gòu)過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生做課外調(diào)查，在家中或超市調(diào)查10種以上液體容積，并做好記錄；返校后，在實(shí)驗(yàn)室抽簽完成挑戰(zhàn)性任務(wù)，用550毫升的礦泉水瓶取500毫升、250毫升、300毫升和200毫升水，4人組成一個(gè)小組，每人抽到不同簽，誤差在10毫升以內(nèi)的為優(yōu)秀。這個(gè)活動(dòng)引發(fā)學(xué)生參與熱情，在調(diào)查中學(xué)生發(fā)現(xiàn)，某飲料滿瓶正好是500毫升，且礦泉水瓶中間凹凸設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)意義，云紋線下第5條溝正好是250毫升。而生活中，廚房中的米醋、醬油等瓶子都可以成為量器。

其他還有很多物理量同樣可以通過調(diào)查、挑戰(zhàn)性任務(wù)測(cè)試等方法進(jìn)行訓(xùn)練，如質(zhì)量單位“克”，教師可引導(dǎo)學(xué)生知道50克相當(dāng)于一個(gè)雞蛋的質(zhì)量，100克相當(dāng)于一杯小酸奶的質(zhì)量，以此增加學(xué)生生活中的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使其加強(qiáng)感知，形成主動(dòng)關(guān)注意識(shí)的習(xí)慣。

2.引導(dǎo)數(shù)據(jù)描述，提高表征能力。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，“利用測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)描述物體的某些特點(diǎn)”“運(yùn)用數(shù)據(jù)等描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系及變化過程”，都強(qiáng)調(diào)了用數(shù)據(jù)描述的重要性。數(shù)據(jù)是物體某個(gè)特征的重要指征，如礦物硬度，學(xué)生閱讀礦物特征卡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)石英和螢石顏色、光澤、透明度、條痕顏色等特征都基本相同，但硬度不同，若要區(qū)分這兩種礦物就必須鑒定硬度，螢石的莫氏硬度為4，石英的莫氏硬度為7；用小鋼刀能在螢石上劃出痕跡，在石英上不能。由此可見，正確認(rèn)知數(shù)據(jù)的意義和價(jià)值，能提高精準(zhǔn)測(cè)量與表達(dá)數(shù)據(jù)的意識(shí)。

除用數(shù)據(jù)描述事物的某個(gè)特征，記錄與比較事物的變化過程更體現(xiàn)了數(shù)據(jù)價(jià)值。例如，觀察記錄綠豆發(fā)芽、生長(zhǎng)變化過程，除了用“種皮破裂，長(zhǎng)出胚根”這樣的定性語(yǔ)言描述，教師要引導(dǎo)學(xué)生測(cè)量，用數(shù)據(jù)描述“胚根長(zhǎng)多少厘米”。這樣的記錄方法能夠提供更多有價(jià)值的信息?？傊?，觀察生物體的生長(zhǎng)變化都可以用定性與定量相結(jié)合的方法來觀察、描述、記錄，提高數(shù)據(jù)表達(dá)意識(shí)。

此外，在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)制作小車，教師要求學(xué)生在設(shè)計(jì)圖上除了標(biāo)注形狀、結(jié)構(gòu)，還要標(biāo)注規(guī)格、材料等。這樣，學(xué)生的設(shè)計(jì)活動(dòng)會(huì)更接近于設(shè)計(jì)師的工作。

3.指導(dǎo)分析解讀，發(fā)展數(shù)據(jù)能力。

數(shù)據(jù)素養(yǎng)中最重要的是數(shù)據(jù)能力，包括數(shù)據(jù)的收集、整理、處理、分析和解讀等方面的能力，其中數(shù)據(jù)分析解讀是重點(diǎn)、也是難點(diǎn)。

（1）任務(wù)驅(qū)動(dòng)，催生收集需求。

挑戰(zhàn)性問題或挑戰(zhàn)性任務(wù)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使其產(chǎn)生主動(dòng)收集數(shù)據(jù)的需求。如，當(dāng)學(xué)生探究了1分鐘擺動(dòng)60次的擺，擺繩長(zhǎng)度大約為25厘米后，教師可適時(shí)提出拓展任務(wù)：那么1分鐘擺動(dòng)50次、40次、30次、20次的擺，擺繩長(zhǎng)度分別是多少厘米？

學(xué)生在1分鐘擺動(dòng)60次的擺的基礎(chǔ)上推測(cè)，1分鐘擺動(dòng)50次的擺，擺繩長(zhǎng)度可能是30厘米或大于30厘米。到底是多少，他們很想馬上試試。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，收集數(shù)據(jù)成為學(xué)生的自主探究需求，他們不斷測(cè)試、推測(cè)、調(diào)整、再測(cè)試、再推測(cè)……當(dāng)發(fā)現(xiàn)1分鐘擺動(dòng)50次的擺，擺繩長(zhǎng)度大約是35厘米時(shí)，他們就會(huì)推測(cè)1分鐘擺動(dòng)40次的擺，擺繩長(zhǎng)度可能大約是45厘米，理由是每分鐘擺動(dòng)60次的擺25厘米，50次的擺35厘米，那么40次應(yīng)當(dāng)增加10厘米以上。這樣的估計(jì)對(duì)不對(duì)，需要學(xué)生驗(yàn)證。只要給足時(shí)間，在好奇心驅(qū)使下學(xué)生會(huì)持續(xù)自主探索，直到尋找到問題的答案。在這樣的科學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生不斷實(shí)踐，不斷修正猜想，不斷在潛意識(shí)中尋找數(shù)據(jù)變化規(guī)律，不斷發(fā)展數(shù)據(jù)解讀與推理能力。

（2）轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，優(yōu)化呈現(xiàn)方式。

收集到大量數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)或者轉(zhuǎn)化，以幫助學(xué)生更好地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的信息。折線圖、柱狀圖、餅狀圖等是常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，可以讓數(shù)據(jù)變得更加直觀和易于理解。如，筆者在教學(xué)“沉浮與水位變化研究”時(shí)，往體積40立方厘米的小盒子里依次增加10克重量，觀察盒子放入水中時(shí)的水位變化情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)（如表2）。

為幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和蘊(yùn)含的信息，清晰找到數(shù)據(jù)背后的趨勢(shì)和規(guī)律，筆者讓學(xué)生轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，制成折線圖（如圖1），完成畫圖后組內(nèi)思考與討論：

①質(zhì)量增加時(shí)水位是怎樣變化的？與你的猜想一致嗎？

②質(zhì)量影響水位變化嗎？怎樣影響？

③在表格“……”處寫出你的推測(cè)。交流推測(cè)理由。

④觀察浮時(shí)數(shù)據(jù)表中質(zhì)量、水位變化的數(shù)值，你有特別發(fā)現(xiàn)嗎？

筆者以問題為支架，引導(dǎo)先完成測(cè)量與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的小組進(jìn)入思考階段，觀察數(shù)據(jù)是否支持先前猜想；從物體放入水中后的水位變化，可以獲得哪些信息。當(dāng)一個(gè)沉的物體放入水中，水位變化即它排開的最大水量（即它的體積）；浮的物體，排開的水量即它的重量（質(zhì)量）。其中的相關(guān)性如表3所示。

這樣的呈現(xiàn)方式可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)有趣的規(guī)律，并能用規(guī)律進(jìn)行推理，解決實(shí)際問題，有效提升了學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)。

（3）分層解讀，發(fā)展分析思維。

①比較與分類，識(shí)別信息。

先讀懂?dāng)?shù)據(jù)記錄表，后比較數(shù)據(jù)。教師要注意引導(dǎo)學(xué)生橫向比較數(shù)據(jù)、縱向比較數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性。如教學(xué)“沉浮與水位變化研究”一課，研討過程如下。

生1：質(zhì)量增加時(shí)，水位是逐漸上升的。但是，等到這個(gè)物體已經(jīng)完全浸沒在水中的時(shí)候，水位不變了。與我們的猜想是一致的。

師：質(zhì)量影響水位嗎？

生1：影響。從我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，物體質(zhì)量是10克、20克、30克、40克的時(shí)候，盒子是浮的。質(zhì)量會(huì)影響水位上升。

師：浮的時(shí)候是影響的，沉的時(shí)候呢？

生（齊）：不影響。

②分析與綜合，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

從數(shù)據(jù)表到圖形，分段解讀。教師引導(dǎo)學(xué)生分別研討沉的階段和浮的階段，水位變化與物體質(zhì)量、體積之間的關(guān)系，挖掘數(shù)據(jù)信息，找到轉(zhuǎn)折點(diǎn)。過程如下。

生2：我回答上面第三個(gè)問題，我們推測(cè)水位上升一直都是40毫升，不會(huì)變，沉浮情況是一直都是沉。

師：怎么解釋后面這個(gè)不變的數(shù)據(jù)？

生2：因?yàn)閺?0克開始，后面一直是沉的，所以我們基本上可以確定，質(zhì)量只要在50克以上，體積不變，它都是沉的。

師：你認(rèn)為這個(gè)40是什么？

生2：這個(gè)40我認(rèn)為應(yīng)該是這個(gè)盒子的體積。

師：同意嗎？是它排開的最大水量，就是它的體積。所以再重的話，排開的水量能更多嗎？

生2：不會(huì)，因?yàn)橐呀?jīng)是最大排開的水量了。

生3：最后，我們推測(cè)出一個(gè)結(jié)論，就是如果它是全部沉下去的話，水位上升的毫升數(shù)和盒子的體積是一樣的。如果它是浮著的話，那么水位上升的毫升數(shù)和盒子的質(zhì)量是一樣的。

師：當(dāng)浮的時(shí)候，浮力等于重力。

生3：一克水大約等于一毫升，所以我們做出這樣一個(gè)推測(cè)。

師：大家有沒有聽明白他說的？他說一克水就是一毫升，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)上的規(guī)律。我們把它轉(zhuǎn)化成折線圖，來看看能不能找到這個(gè)規(guī)律？（投影展示折線圖。）

師：同學(xué)們，看這個(gè)圖，你們還有推測(cè)嗎？

生3：我們推測(cè)假設(shè)質(zhì)量是70克、80克、90克，它的水位上升都是40毫升。到了40克再也不會(huì)上去了。

師：因?yàn)槭裁矗?/p>

生3：因?yàn)樗砰_的水量已經(jīng)到了最大值。

師：如果在40毫升以內(nèi)呢？

生3：40毫升以內(nèi)的話，它是浮著的狀態(tài)，所以說，如果它的質(zhì)量是10克的話，那么它水位上升的就是10毫升，即質(zhì)量是多少，水位就上升多少。

③辯證與推理，遷移應(yīng)用。

通過前面的數(shù)據(jù)研討，學(xué)生發(fā)現(xiàn)40克是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并找到了規(guī)律：浮的狀態(tài)，水位上升毫升數(shù)就是物體質(zhì)量。下一步，學(xué)生要深入分析折線圖，充分挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律的價(jià)值，推導(dǎo)出新的信息，解決實(shí)際問題。

師：現(xiàn)在，我在盒子里裝了3顆5克的鋼珠，共15克。根據(jù)折線圖，你們覺得水位會(huì)上升多少？

生：15毫升。

師：假如25克呢？（生齊：25毫升）50克呢？（生說50毫升，立即改口40毫升）。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候……

生（齊）：因?yàn)橐呀?jīng)下沉了。

師：那么，倒過來看一下，如果我現(xiàn)在不知道這個(gè)盒子里裝的物體有多重。我裝了這樣一個(gè)大鋼珠，它排開了34毫升的水。整個(gè)有多重，你知道嗎？

生：34克。

師：你們能從折線圖上找到推測(cè)依據(jù)嗎？看縱軸……（指導(dǎo)解讀折線圖）今天，我們有一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)，看水位變化可以知道什么？

生（齊）：物體的質(zhì)量。

師：什么情況下的質(zhì)量？

生（齊）：浮著的時(shí)候。

借助折線圖可以雙向推理：看橫軸，知道物體質(zhì)量就可以推測(cè)出沉浮，并推測(cè)出在水中排開的水量，水位上升情況；反之，看縱軸，由水位上升情況可以推測(cè)出浮的物體的質(zhì)量，及物體在水中的沉浮狀態(tài)。最后，讓學(xué)生創(chuàng)造性解決問題：僅用裝水刻度杯，能否測(cè)出一塊不規(guī)則石頭的體積和質(zhì)量。解決方案是放入水中，水位上升毫升數(shù)就是它的體積，而質(zhì)量，只要借助空盒子讓物體浮于水面就可以了。同樣浮的物體，質(zhì)量和體積也可以用觀察水位變化的方法知道，只要沉沒水中就可以測(cè)得體積。

綜上所述，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)素養(yǎng)不僅是科研工作者和數(shù)據(jù)分析師的專利，更是廣大學(xué)生需要掌握的基本技能。教學(xué)中，教師可通過生活數(shù)據(jù)調(diào)查、應(yīng)用數(shù)據(jù)描述、有層次地分析數(shù)據(jù)等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)來提升學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

（作者單位：浙江省湖州市南潯區(qū)錦繡實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

參考文獻(xiàn)：

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［2］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.