21世纪，信息技术和网络技术迅速发展，数据信息呈现爆炸式增长的态势，人类逐渐进入大数据时代。如何有效地从海量的信息中收集、分析和利用数据？无论是科研工作者还是普通公民，生活在这个社会中的个体都需要具备一定的数据素养。当今，数据素养正逐渐成为个人生存与发展的必备素养，对个体发展的成功与否起关键作用。中学是培养数据素养的基础时期和关键阶段。物理实验是发展学生数据素养的绝佳载体。
今天分享的文章基于文献研究和理论分析提出数据素养的新定义，从数据意识、数据处理和数据阐释三个维度设计初中生数据素养培养目标体系。在数字化条件下开展物理实验教学对发展学生数据素养作用显著，应从数据的视角看数字化实验，在数字化实验中提高学生数据素养。
基于物理数字化实验的
初中生数据素养培养探究
文 | 张利平 刘平瑶 夏小俊 柏毅
随着数据对科研工作以及生产生活的影响日益增强，数据素养已被学界广泛关注。何谓数据素养，目前尚无统一定义，教育界对数据素养内涵的认识也在不断深化。目前，引用较多的是美国的Hogenboom于2011年提出的定义，即“数据素养是阅读、解释、分析、批判性思考统计数据以及将统计数据作为证据的能力”。数据素养体现在数据敏感性、数据收集能力、数据分析与处理能力、数据决策能力、数据思辨能力等方面。国内较早提出数据素养的是北京师范大学的项华教授。他认为，数据素养是满足个体自身需求的获取数据或信息，产生经验，或者通过数据挖掘而产生知识的一种科学素养。数据素养的核心是数字环境下的科学思想、方法、习惯和精神。笔者在国内学者的研究基础上，尝试完善数据素养的定义：数据素养指能够以有效的且合乎伦理的方式生产、收集、描述、分析、解释相关数据，从而帮助人们解决现实问题的一种思维习惯与实践能力，主要包括数据意识、数据处理、数据阐释三方面能力。数据素养是新时代个人生存与发展的重要能力，而中小学阶段是培养这一素养的基础时期。21世纪初，虽然大型国际教育会议或测试项目中尚未明确言及数据素养，但其主要内涵已经显露其中。例如，在2003年的TIMSS评测框架中，从内容领域来看，数据方面的主题有“数据的收集和组织”“数据表达”“数据解释”“不确定性和概率”。这一评测领域及其子维度同时适用于四年级和八年级。在2007、2011年这两轮的TIMSS数学测评中，对于八年级学生其内容领域中关于“数据和概率”的主题有“数据的组织和表达”“数据解释”“机会（概率基础）”。同样，2012年PISA测试（数学测评）主题主要包括数据产生、数据分析和数据呈现及推断与概率，原来的数量、空间和图形、变化和关系及不确定性，被调整为数量、空间和图形、变化和关系及不确定性和数据，个体对数据图标的理解与分析被突出。上述测验涵盖了与数据活动有关的能力测试（见表1）。数据素养在初中生必备能力之列。
欧美一些国家已经展开了一系列针对中学生的数据素养培养的项目教学，而我国数据素养教育尚处于摸索阶段。我国尽快在中小学阶段开展数据素养教学十分必要。《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》科学探究目标中，对七至九年级学生在搜集证据、处理信息、解释结果等方面提出要求：“（1）能从多种信息源中选择有关信息；（2）能进行一系列观察、比较和测量；（3）会记录和处理观察、测量的结果；（4）将证据与科学知识建立联系，得出基本符合证据的解释；（5）能注意与预想结果不一致的现象，并做出简单解释；（6）能用语言、文字、图表、模型等方式表达探究的过程和结果。”笔者参考陈娜萍设计的初中生数据素养评价指标，兼顾《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》对科学探究的要求，从数据意识、数据处理、数据阐释三个维度，梳理初中生数据素养培养目标及其与各维度的关系（见表2）。数据素养的发展具有阶段性——从特征指标1到指标11，难度呈梯度升高。
从发展过程看，数据素养源于计算素养，并由其中的统计素养衍生而来。统计教学对于发展学生数据素养起奠基作用。数据素养的培养并非仅依赖于数学学习，更在于各种科学实验探究，特别是物理实验探究。笔者以服务学生科学探究为主旨设计实验，引导学生获取事实与证据，参与解释、检验与评价，以及表达与交流等活动。这样教学非常有利于发展学生数据素养：一方面可以提高学生对科学探究的理解与操作能力；另一方面其探究过程本身就包含数据素养的各个培养维度。对于初中生而言，实验方法与仪器是否能有效支持学生参与科学探究（尤其是物理实验探究）对于培养学生数据素养尤为重要，而数字化实验软硬件的科学应用恰恰为这一实践提供了极大的便利。数字化实验是运用数字化实验系统，对实验过程和结果进行实时显示、监控、记录、图像绘制及数据处理与分析的一类实验。数字化实验系统包括各类传感器、数据采集器、计算机及相关配套实验软件。实验过程中，教师借助传感器探测实验数据，实时向数据采集器传输，并将有关信息转化为数字形式传输到电脑端。学生通过运行实验软件包来采集并处理数据。师生利用数字化实验系统不仅能在短时间内采集和处理大量数据，而且能够检测信号量的微小变化和瞬间变化，并实时显示、存储、传输、统计、拟合、分析实验数据。在实验教学中，数据素养体现在如下过程：（1）通过设计实验，产生数据；（2）通过记录测量，采集数据；（3）通过制作图表，描述数据；（4）通过模拟整合，分析数据；（5）运用数据描述结论，解释数据。实验教学过程与数据素养各维度的对应情况见表3。表3 实验过程中的具体事件与数据素养培养的对应关系
笔者以“熔化与凝固”DIS实验课为例具体介绍。本课教学目标是引导学生通过探究实验发现固体熔化和凝固时温度变化的规律，总结晶体与非晶体不同的熔化特点。相对传统模式而言，在实验教学中运用数字化手段对于发展学生数据素养可以达到事半功倍的效果。在传统实验条件下，学生通常会遇到如下困难：实验器材组装难度大（对应于数据意识阶段） ；实验难度大，数据不准确，描点作图耗时长，图像不理想（对应于数据收集和数据描述阶段）；课堂时间有限，探究不充分，结论较简单（对应于数据分析与数据阐释阶段）。在DIS实验系统支持下，师生安装很简便，测温很准确，短时间内可多次（自动）采样，大大节省实验时间。学生在实验中的主要任务不再是描点作图，而是思考如何选取采样频率与作图数据，以及运用数据描述图像，并通过对比两类物质（晶体与非晶体）的图像来解释现象，得出结论。在此实验中，学生运用DIS实验设备很快得到水的凝固与冰的熔化曲线，以及蜡的熔化与凝固曲线，同时通过对比这两条曲线，发现两种物质在熔化与凝固状态下呈现不同的物理特性。在此基础上，教师要求学生对两组实验图像进行辨析，并且通过问题串引领学生探究两种物质各自的熔化、凝固特点：（1）在两张图像（如图1和图2）中找到表示蜡与冰熔化的图线？（2）两段曲线有什么区别？（3）冰在熔化的过程中，曲线中的平缓过程表示什么？（4）在冰熔化的过程中，见到它试管中呈现为何种状态？最终，学生通过分析，总结出晶体与非晶体熔化凝固的特点。
研究发现，在大部分传统实验中，学生要拿出40%的实验时间用于数学计算和描点作图，精力主要集中在数据采集和数据描述方面，而用于探究的时间所剩无几，只有5%左右。在数字化实验中，上述两部分数据处理的时间仅占整个实验耗时的3%，计算、描点、作图等工作都由计算机完成。学生的主要关注点在于根据数据进行探究或推测结论，并对最终结果进行拟合。从图3可以看出，数字化实验中学生可以将54%的时间用于探索研究。
传统实验与数字化实验在学生数据素养培养的各个维度均有所涉及，然而，从其在体现各数据素养维度下的实验操作中所用的时间来看，传统实验侧重描点、作图等部分的教学，可培养学生的数据收集与数据描述等低阶数据素养；而在数字化实验强调学生对于数据拟合、描述规律等部分的教学，有利于发展学生的数据分析与数据阐述等高阶数据素养。从国际大型的学生综合能力测评中发现，数据素养正日益成为学生必备素养，初中是学生数据素养培养的基础阶段。笔者参考《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》与相关研究，将初中生数据素养分为数据意识、数据收集、数据描述、数据分析、数据阐释五个维度，对应11个由低阶到高阶的能力指标。分析物理实验案例可知，传统实验中教师要求学生将大部分精力投入在数据收集与数据描述两个低阶维度上，而对数据分析与数据阐释等高阶数据素养能力的培养较为欠缺；在数字化实验中，教师将学生在数字运算与描点作图方面的数据处理能力进行了适度弱化，注重学生的数据推测、拟合等探究过程，而这一过程正对应于数据分析等数据素养的高阶能力。总之，数字化实验弥补了传统实验在培养学生高阶数据素养方面的不足。因此，在初中科学实验中科学应用数字化手段能有效提高初中生的数据素养。信息化不断发展，关于数据素养的研究必将逐渐深化。当然，笔者对于初中生数据素养的研究也需进一步完善：一是关于数据素养的定义以及初中生数据素养培养目标没有定论，尚待进一步科学论证；二是实验案例有限，相关研究结论需在今后教学中进行大面积验证与完善。（作者张利平、刘平瑶系东南大学硕士研究生；夏小俊系东南大学讲师、博士；柏毅系东南大学教授、STEAM教育评价专家委员会专家，中国教育学会科学教育分会常务理事）文章来源 | 《中小学数字化教学》2021年第2期
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