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1、0让学生与技术发展同步，做大数据时代的数字科学家“数字科学家”课程的开发与尝试内容提要：数据探究能力是大数据时代人们的科学素养的重要组成部分，为了有效提高学生的数据探究意识和数据探究能力，根据相关的教学理论，设计与实施了“数字科学家”课程。试验表明：“数字科学家”能够提高学生对于学习信息技术和科学的兴趣，能够促使学生与技术发展同步，从而提高学生利用数码设备或软件未知世界的能力。主 题 词： 数据探究 “数字科学家”课程 随着信息时代的进一步发展,海量数据已经呈现，数码产品的应用随处可见，人类社会进入了大数据时代。大数据时代中人们运用的教学工具已经落后于教育技术本身的发展, 学生爱玩计算机，不愿
2、上信息技术课，这是信息技术教师面临的共性问题。有人说，信息技术课已经沦为微软产品的培训课，还有人说，学生对数码产品和计算机比老师还熟悉呢，信息技术教师教技术比不过 IT 企业的产品培训师，教创意比不过美术老师，信息技术课已经没有存在的必要了。这样的观点、这样的言论，给我们提出了严峻的问题：信息技术课程应该教什么？应该怎么教，做一名合格的信息技术教师呢？探讨新的技术环境下有效课程与教学问题具有理论和现实意义。数字科学家这门课程就是在大数据背景下诞生的。一、数据素养与数据探究美国新闻周刊资深记者斯蒂芬贝克在当我们变成一堆数字 （英文版为Numerati ）一书中指出：每一天，我们的身后都拖着一条由
3、个人信息组成的长长的“尾巴” ，当我们点击网页、切换电视频道、驾车穿过自动收费站、用信用卡购1物、使用手机时信息已经产生。而雅虎、Google 这样的公司，正在以平均每人、每月 2500 条信息的速度，捕获我们的详细数据。一群新兴的数学精英，正千方百计地以惊人的准确性，剖析我们的每个举动，预测我们的行动计划。他们神不知鬼不觉地，将我们买了什么、对什么感兴趣、与谁坠入爱河的人间风光尽收眼底，就是为了巧妙地操控我们的行为。当今或许最为重要的文化趋势是：在数据爆炸的世界里，懂得利用数据、运用数学的人们地位蹿升。此外，印度学者西蒙（Soman）在“数据挖掘基础教程”中写道：一方面实验或实践会产生巨大的
4、数据，另一方面模拟也会产生大量的数据。面对庞杂的数据，研究结论对数据分析方法的依赖性空前增强，数据挖掘和知识发现随之产生。这些数据就像一个金矿，可以从中提取信息，还可以通过数据挖掘，将信息转化成为有价值的知识。数据挖掘从 2005 年开始已经成为热门的研究领域，同时也影响着科学研究的方式发生变化，具体案例涉及物理学、环境科学、经济学、生命科学、管理科学、计算机科学等几乎所有的科学领域。数据从来没有像今天这样受到如此广泛地关注，因此大数据时代的数据挖掘是我们信息时代教师课程创新面临的重大机遇与挑战。鉴于此，北京师范大学物理系项华教授提出了数据素养的概念及其观测的指标体系。项华教授（2010 年）
5、认为，数据素养是一种利用数码设备和相应软件探索未知世界的科学素养，提高学生数据素养水平乃至科学素养水平的有效途径是数据探究。科学探究包括实物实验探究、理论探究和数据探究三种方式。数据素养的观测指标体系如下。表一：数据素养观测的指标体系一级指标二级指标 数字化环境说明2量化的观念估计数据的价值，剔除错误数据符号感图景的观念基于 STS 理念的数据价值取向数据价值善于运用数来表达与交流由数据产生科学问题发现数据关系和结构数据挖掘方法模糊与统计方法数据挖掘数学方法数据素养养数据观测与数据获取采用各种方法获取数据实验是检验量化正确性的标准软件：Word，Excel，PowerPoint，Matlab，
6、Scratch，几何画板， QQ影音，Mr.Captor，acdsee 等。计算机，传感器，常用测量工具和实验仪器。计算机网络机房，与互联网相联的网络环境，搜索引擎，各类专业在线数据库等。二、数据探究理念下的一种课程“数字科学家”2010 年 9 月，在北京师范大学物理系项华教授主持的北京市教育科学“十一五”规划课题“数字科学家计划基于数据探究的选修课程设计与试验”指导下，我们体会到：数据探究是以计算机、网络、传感器等现代科学技术为载体，以数据为核心概念的探究活动，让学生体验数据探究的过程，提高学生的数据探究能力和科学素养水平。并设计了景山学校“数字科学家”课程。“数字科学家”定位成校本课程或
7、校本选修课程，是一门将科学、技术、工程学、和数学这 4 个领域以融合的方式整合3而成的课程，是通过一个个具体的探究性学习案例，让学生在掌握信息技术（技术）的基础上，设计、开发和制作实验装置（工程） ，进行实践活动，获取数据，应用其中的数学原理，得到一个科学的结论，并尝试用多种不同的方式表达科学结论。该课程期望培养能够对任何一个感兴趣的问题都能选用适当的、科学的方法开展研究的“自由的研究者” 。该课程特别关注帮助学生品味信息技术和科学的魅力，在探究与快乐之中播下未来科学家的种子。“数字科学家”结合学生的知识基础和认知发展水平，在突出趣味性和有益性的同时，突出数码设备及数字科学家课程理念的渗透，具
8、体教学内容如下：第一课：数字科学家概述（1 课时）第二课：Scratch 程序设计初步（1 课时）第三课：反应时间及测定（4 课时）第四课：Face to face, Eye to Eye(人面探秘)（2 课时）第五课：键盘的研究（4 课时）第六课：血滴的研究（2 课时）第七课：足迹的研究（2 课时）第八课：指纹的研究（2 课时）第九课：汽车超速了吗？（2 课时）本课程采用基于问题的小组探究式学习，即“教师主导，学生主体” 探究型的学习模式。教师的作用是：创设情况，引出问题，引导学生提练出核心问题指导学生设计研究方案点评学生研究方案，提出改进意见指导学生实施。学生的活动流程为：在教师创设的情境
9、或现实情境中，提出问题根据问题提出解决办法，设计探究方案根据教师建议，修改探究进行数据探究，获取数据处理分析数据，撰写研究报告评价反思、展示交流。“数字科学家”的教学模式图如下：4学生主体，合作探究教师主导，过程参与基于问题的小组探究活动引出核心问题获取数据撰写报告分组协作明确分工规划设计程序功能编写程序调试应用指导学生设计方案点评方案提出改进意见评价反思展示交流图 1：“数字科学家”的教学模式图此外， “数字科学家”是在计算机教室的网络环境下实施的，以学生发展为本，初步培养学生的科学思维方式、数据探究意识，介绍简单可操作性强的科学分析方法，使学生能带着兴趣进行科学研究活动。因此，在课程资源和
10、环境的设计上，采用一种基于 WebQuest 的组织形式，以主题探究的形式，融入软件工具学习、网络搜索、合作探究，制作成了数字科学家主题网站。每一个探究任务包括：核心问题、任务指南、海量资源、做中学、交流与评价。“核心问题”子页截图如下：5图 2：“核心问题”子页截图“交流讨论”子页截图如下：图 3. “交流讨论”子页截图三、 “数字科学家”的实施及其效果分析2011 年 3 月，我们开始在初中一年级对“数字科学家”进行了两轮试验， 本课程数据采集数据分析的方式基本是利用现场实际实验采集的有效数据，在 Excel 软件中对数据进行拟合，将数据以图像和关系方程的形式展现出来，更直观，便于比较，也
11、为进一步的数据挖掘、课堂内容的延伸和发展打下基础。 6总体来讲，第二轮的数字科学家课程跟第一轮的课程相比，在内容上略作了改动，形式上也做了较大的调整，使得该课程更加符合“数字科学”的教学理念。具体实施情况如下。1从课程内容上来看，第一轮中反应时间的研究中共设计了三个具体任务，即机械反应时间的探究、视觉反应时间的探究和具有选择性结构的视觉反应时间的探究。第二轮中这一单元内容的设计上减低了难度，增大了灵活性，加入了 reaction这样成型的小程序，加强了趣味性，使学生负担变小，兴趣增加，课堂更生动活泼，成果更多样。2在第一轮的课堂教学中比较关注 Scratch 程序的编写，关注数据的采集方法，关
12、注所涉及的技能的掌握落实，在上课过程中发现了学生整体借鉴他人成果的现象，有些学生死记硬背一些软件仪器的操作，并没有自主的积极的进行科学研究的欲望和态度。因此，在第二轮教学中教师将任务的设定权交予学生自己，让他们自己设定自己要研究的主题。在学习使用Scratch 和 excel 等软件和仪器之时，也是首先由教师进行简单的功能介绍、程序设计和数据采集与处理讲解，然后由学生通过自己的努力及与他人的合作，努力利用他们手中所具有的仪器完成先学习任务。学生在整个实验的进行过程中，一直很积极的去探索方法，设计程序，采集数据。由于没有具体方法的限制，所以学生的思路是开放的，设计是多样的，结论是丰富的。一个学期
13、结束后，一部分学生对程序的编写比第一轮试验的学生更进了一步，可以按照自己的目标制定计划，编写相关程序，有些学生甚至可以改写 scratch 中成型的程序，或者自己设计课堂外目标的程序。有些学生下课后久久不愿离开教室与老师探讨课上的问题，或交流自己的成果。学生的兴致增加了，积极性提高了，对科学的研究更感兴趣了，本课程的预设目标正在逐步实现。3从教学形式上来说：第一轮的课程中基本上是以教师介7绍为主，学生在教师的讲授中逐步的掌握一些具体的知识和设计的要点，同实际学科的教学没有太大的分别，只是涉及了Scratch 编程的内容以及校园网论坛的互动等互联的内容。大体的设计思路是这样的：提出问题设计实验进
14、行实验采集数据处理数据分析结论得出结果。但是在第二轮试验中，从一开始就关注了学生的主体和学生活动。具体的设计过程是这样的：学生分组分配任务根据大的目标设计本组的具体目标针对目标小组讨论得出实验设计方案对实验方案进行改进和修正进行实验采集数据分析数据得出结论。需要说明的是，在实验的设计、实施、总结阶段都有学生的汇报和交流，同学们之间互相借鉴互相提问，使实验方案及实施更具有效性和合理性，使数据探究的过程更加严谨。4学生研究成果丰富学生在两轮的教学内容中都有所收获，得到了自己的成果，而且成果较上学期的内容更丰富，更具有想象力。学生成果的具体形式有实验设计、实验报告、程序以及设计图和数据表格、图像等。
15、种类多，实验次数多，实验数据更精准，实验过程更流畅，更自主。体现了以学生为主体的课堂环境。学生的成果通过校园网互通，通过分组展示交流，这样的课堂设计体现了互联的意识，学生的兴趣度大增。在课程进行中，完成一个内容后会有学生成果的现场交流和展示。每个小组都会上台对本小组的研究成果进行说明，其他小组的同学会根据展示说明的同学的表现及内容进行评价和打分，也会根据自己的想法提出赞许或者改进的意见和建议。这样的交流类似研究性学习，但由于学生研究的内容虽然有区别但是大目标是一致的，所以在陈述其方式方法以及成果展示的时候会有一定的比较和竞争意识。学生可以在这样的交流中得8到提高，在评价中形成更完善的方法，使学
16、习更有效跟富有积极性，达到更让人惊喜的成绩。在课程的最后，学生通过笔试和问卷的形式进行了所谓的“考核” 。从考核的结果来看，学生对技术的掌握较为到位，全班的水平没有太大的差距；对本课程的收获的体会中学生各抒己见，有的说知道了科学的研究程序和方法，有的说激起了自己进行科学研究的兴趣，有的同学则表示还要进行其它研究内容的愿望。看到这么多炽热的文字，让作为本课程教师的我很受鼓舞，所以暗下决心，在下个学期中的教学中将更加精彩。5教师论文成果丰富：（1）论文反应时间测定的教学设计与反思“数字科学家”数据探究意识与能力的培养初探 ，入选并在十五届全球华人计算机教育应用大会（GCCCE2011）做了主题发言；（2）论文“数字科学家” “Face to Face”的教学设计、实施与反思入选并在第十七届全球华人计算机教育应用大会（GCCCE2013）了主题发言；（3）论文数字科学家:培养自由的研
