苗壯

摘 要： 本文通過分析大數(shù)據(jù)物理教學(xué)應(yīng)用對(duì)實(shí)驗(yàn)裝備建設(shè)的客觀要求，提出大數(shù)據(jù)應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有諸多優(yōu)勢(shì)，是大數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域應(yīng)用的突破口的觀點(diǎn)，探討大數(shù)據(jù)時(shí)代中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)化的必要性和策略，在此基礎(chǔ)上建議有條件的中學(xué)將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間整合起來，開展新型信息化教學(xué)模式下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù) 中學(xué)物理 教學(xué)創(chuàng)新

2012年10月，美國教育部發(fā)布了《通過教育數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析促進(jìn)教與學(xué)》的報(bào)告。這一報(bào)告的發(fā)布，宣告了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)校，分析變革教育”的教育大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨，掀起人類教與學(xué)的又一次變革[1]。筆者以“大數(shù)據(jù)and教育”為條件在CNKI（中國知網(wǎng)）檢索發(fā)現(xiàn)，僅2013年和2014年上半年就有120篇相關(guān)論文公開發(fā)表。當(dāng)然，不論是美國教育部的報(bào)告還是國內(nèi)學(xué)者的研究，都是從大數(shù)據(jù)對(duì)教育決策、教育評(píng)價(jià)和個(gè)性化教育等宏觀方面入手展開論述的，對(duì)于在一線教學(xué)中如何具體應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的討論很少（僅有一篇公開發(fā)表），這說明大數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于剛剛起步階段，技術(shù)遠(yuǎn)未成熟。盡管如此，大數(shù)據(jù)思維值得教育工作者們思考和學(xué)習(xí)。受大數(shù)據(jù)思維的啟發(fā)，筆者將中學(xué)物理教學(xué)的困境進(jìn)行排查，認(rèn)為將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于開展個(gè)性化學(xué)習(xí)、挖掘翻轉(zhuǎn)課堂等新型教學(xué)模式的過程數(shù)據(jù)、有效克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)操作考核諸多弊端等優(yōu)勢(shì)，是大數(shù)據(jù)教育應(yīng)用的突破口。當(dāng)然，大數(shù)據(jù)技術(shù)的物理教學(xué)應(yīng)用對(duì)實(shí)驗(yàn)裝備建設(shè)提出新的要求。以下就相關(guān)問題做初步探討，力求為實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合和改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有價(jià)值的新思路。

一、大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)思維

大數(shù)據(jù)是繼物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算之后信息化領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)技術(shù)。麥肯錫全球研究院報(bào)告《大數(shù)據(jù)：創(chuàng)新、競(jìng)爭(zhēng)和生產(chǎn)力的下一個(gè)前沿》認(rèn)為大數(shù)據(jù)是大小超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具的抓取、存儲(chǔ)、管理和分析能力的數(shù)據(jù)群[2]。當(dāng)然，規(guī)模和處理速度的變化僅僅是大數(shù)據(jù)的表象，更重要的是對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值認(rèn)識(shí)的深化。隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的不斷積累，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大小達(dá)到PB級(jí)甚至EB級(jí)，這些海量的數(shù)據(jù)看似雜亂，但通過分析挖掘后發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)群之間實(shí)際上有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，隱藏穩(wěn)定的規(guī)律性。因此，人們開始對(duì)過去不被重視的數(shù)據(jù)和記錄進(jìn)行各種分析和挖掘，典型的事例是2009年，google公司在全世界甲型H1N1流感暴發(fā)的幾周前，成功預(yù)測(cè)了流感傳播，而且具體到特定的地區(qū)，2014年google公司又成功應(yīng)用大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了世界杯足球賽的16強(qiáng)。這些預(yù)測(cè)背后的邏輯不是因果關(guān)系，而是相互關(guān)系；對(duì)數(shù)據(jù)的要求不是精確性，而是混雜性；關(guān)注的不是隨機(jī)樣本，而是全體數(shù)據(jù)。其實(shí)這就是大數(shù)據(jù)思維。

二、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)入中學(xué)教育的最佳切入點(diǎn)。

大數(shù)據(jù)是一種思維，但它首先是一種技術(shù)。雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景，但是要讓大數(shù)據(jù)在改進(jìn)中學(xué)教學(xué)中發(fā)揮作用仍面臨不少困境和挑戰(zhàn)。首先面臨的是技術(shù)難題，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步，尚處于市場(chǎng)培育的前期，各種相關(guān)技術(shù)還很不扎實(shí)，直接可以用于教學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型和軟件產(chǎn)品少之又少。而且中學(xué)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器普遍沒有數(shù)據(jù)采集功能，更談不上數(shù)據(jù)共享和分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)備方式僅限于實(shí)驗(yàn)報(bào)告這一種人工手段。然而，在中學(xué)各科的實(shí)驗(yàn)儀器中，物理實(shí)驗(yàn)以電參數(shù)反映測(cè)量結(jié)果的儀器最多，即便是非電測(cè)量儀器的結(jié)果，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的難度也最低。所以，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室是最容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)化的，加之中學(xué)物理教師總體上是最熟悉傳感器和數(shù)字化原理的學(xué)科教師，理所當(dāng)然應(yīng)該成為大數(shù)據(jù)引入中學(xué)教學(xué)的排頭兵。可以說基礎(chǔ)教育從物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代的路徑最短，難度最低，最具可行性。

三、將中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字化，搬開數(shù)據(jù)采集和積累的絆腳石。

目前，已經(jīng)有不少中學(xué)建有物理探究實(shí)驗(yàn)室，配套有DIS采集系統(tǒng)，但是這些DIS系統(tǒng)僅僅用于部分教學(xué)模塊中的個(gè)別探究實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集、分析處理，大量的常規(guī)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)還在使用信息時(shí)代之前的老式教學(xué)儀器，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件顯然不能采集海量數(shù)據(jù)并滿足挖掘數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備要求。因此，要讓中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的要求，必須創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)裝備建設(shè)，使之具備實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程的數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存功能，搬開實(shí)驗(yàn)教學(xué)邁向大數(shù)據(jù)時(shí)代的絆腳石。未來中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)當(dāng)突破普通實(shí)驗(yàn)室和探究實(shí)驗(yàn)室的界限，通過改造和更新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，使之盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，對(duì)于部分無法數(shù)字化的儀器，可以采用人工智能、圖像分析等技術(shù)使之具備與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。同時(shí)，所有物理實(shí)驗(yàn)室應(yīng)全部配備數(shù)字化信息采集系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DIS Lab），使DIS成為所有實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是僅限于探究實(shí)驗(yàn)室。

四、將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，突破實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的信息孤島。

目前中學(xué)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全都通過數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，傳感器和數(shù)據(jù)采集器受到線纜的約束限制，不僅使用不便，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組都是一個(gè)小小的信息孤島，不利于信息共享。而物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，可將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理[3]。所以，未來實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必須立足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線藍(lán)牙傳感器代替有線傳感器，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有傳感器建成小型物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，這樣既避免線纜障礙，又避免傳感器數(shù)量的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享和儀器的協(xié)同工作，增加小組間交互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，提高DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用效率。理想的圖景應(yīng)當(dāng)是學(xué)生何時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，使用哪臺(tái)儀器設(shè)備，進(jìn)行哪些操作，都可以自動(dòng)記錄下來，并上傳到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，積累學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)挖掘提供原料。

五、大數(shù)據(jù)應(yīng)用，不應(yīng)忽視教學(xué)過程視頻的采集和存儲(chǔ)。

任何學(xué)科教學(xué)過程的本身就是重要的數(shù)據(jù)和教學(xué)資源，物理教學(xué)也不例外。因此，在使用物聯(lián)網(wǎng)、DIS系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和積累之后，很有必要將物理教學(xué)過程的視頻資料采集和積累下來。相對(duì)而言，視頻數(shù)據(jù)的采集技術(shù)比較成熟，對(duì)于教師授課和學(xué)生活動(dòng)的總體情況可以在實(shí)驗(yàn)室安裝“多點(diǎn)自動(dòng)追蹤攝像視頻采集系統(tǒng)”完成，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻的采集可以為每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組配備帶攝像功能的平板電腦完成。通過安裝“多點(diǎn)自動(dòng)追蹤攝像視頻采集系統(tǒng)”和配備平板電腦，實(shí)驗(yàn)室既可以在師生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行的同時(shí)自動(dòng)錄制實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)場(chǎng)景的音視頻，生成多路畫面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)全程的課堂教學(xué)視頻資源，又可以將學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)資源生成，發(fā)揮管理上的價(jià)值，同時(shí)這些視頻經(jīng)過整理、切片后又可以發(fā)布到網(wǎng)上，供下期學(xué)生提前觀看，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代的“先學(xué)后教”和教師物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自我反思，便于開展微視頻教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等新型信息化模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，“大數(shù)據(jù)”正在改變我們的思維方式和行為方式。目前，全國各地都按照教育部的要求，加快“三通兩平臺(tái)”建設(shè)進(jìn)度，推進(jìn)教育教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合，試行“翻轉(zhuǎn)課堂”、微課教學(xué)等新型信息化教學(xué)模式[4]。理念的超前和腳踏實(shí)地的探索對(duì)教育創(chuàng)新十分重要，建議有條件的中學(xué)和物理老師可以嘗試按照本文提出的思路，建設(shè)中學(xué)物理“未來實(shí)驗(yàn)室”，開展基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的物理教學(xué)實(shí)踐，讓“翻轉(zhuǎn)課堂”、“微課程”、“慕課”等信息信化教學(xué)模式在基礎(chǔ)教育中生根發(fā)芽，讓基于大數(shù)據(jù)思維的學(xué)習(xí)分析早日在中學(xué)物理教育中充分發(fā)揮威力。

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