摘要： 本文基于文獻研究和理論分析提出數(shù)據(jù)素養(yǎng)的新定義，從數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)闡釋三個維度設(shè)計初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)目標體系。在數(shù)字化條件下開展物理實驗教學對發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)作用顯著，應(yīng)從數(shù)據(jù)的視角看數(shù)字化實驗，在數(shù)字化實驗中提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)素養(yǎng);數(shù)字化實驗;初中生

數(shù)據(jù)是用于存儲和記錄信息的載體，它可以通過觀察、測量以及計算等方式得出，其形式通常包括數(shù)字、文本、圖像或言語等。21世紀，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)爆炸式增長的態(tài)勢，人類逐漸進入大數(shù)據(jù)時代。如何有效地從海量的信息中收集、分析和利用數(shù)據(jù)？無論是科研工作者還是普通公民，生活在這個社會中的個體都需要具備一定的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。當今，數(shù)據(jù)素養(yǎng)正逐漸成為個人生存與發(fā)展的必備素養(yǎng)，對個體發(fā)展的成功與否起關(guān)鍵作用。中學是培養(yǎng)數(shù)據(jù)素養(yǎng)的基礎(chǔ)時期和關(guān)鍵階段。物理實驗是發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的絕佳載體。

一、數(shù)據(jù)素養(yǎng)概述

隨著數(shù)據(jù)對科研工作以及生產(chǎn)生活的影響日益增強，數(shù)據(jù)素養(yǎng)已被學界廣泛關(guān)注。何謂數(shù)據(jù)素養(yǎng)，目前尚無統(tǒng)一定義，教育界對數(shù)據(jù)素養(yǎng)內(nèi)涵的認識也在不斷深化。目前，引用較多的是美國的Hogenboom于2011年提出的定義，即“數(shù)據(jù)素養(yǎng)是閱讀、解釋、分析、批判性思考統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及將統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為證據(jù)的能力”^[1]。數(shù)據(jù)素養(yǎng)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)敏感性、數(shù)據(jù)收集能力、數(shù)據(jù)分析與處理能力、數(shù)據(jù)決策能力、數(shù)據(jù)思辨能力等方面。國內(nèi)較早提出數(shù)據(jù)素養(yǎng)的是北京師范大學的項華教授。他認為數(shù)據(jù)素養(yǎng)是滿足個體自身需求的獲取數(shù)據(jù)或信息，產(chǎn)生經(jīng)驗，或者通過數(shù)據(jù)挖掘而產(chǎn)生知識的一種科學素養(yǎng)。數(shù)據(jù)素養(yǎng)的核心是數(shù)字環(huán)境下的科學思想、方法、習慣和精神^[2]。筆者在國內(nèi)學者的研究基礎(chǔ)上，嘗試完善數(shù)據(jù)素養(yǎng)的定義：數(shù)據(jù)素養(yǎng)指能夠以有效的且合乎倫理的方式生產(chǎn)、收集、描述、分析、解釋相關(guān)數(shù)據(jù)，從而幫助人們解決現(xiàn)實問題的一種思維習慣與實踐能力，主要包括數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)闡釋三方面能力。

二、初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)

（一）國際測試中的初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)

數(shù)據(jù)素養(yǎng)是新時代個人生存與發(fā)展的重要能力，而中小學階段是培養(yǎng)這一素養(yǎng)的基礎(chǔ)時期。21世紀初，雖然大型國際教育會議或測試項目中尚未明確言及數(shù)據(jù)素養(yǎng)，但其主要內(nèi)涵已經(jīng)顯露其中。例如，在2003年的TIMSS評測框架中，從內(nèi)容領(lǐng)域來看，數(shù)據(jù)方面的主題有“數(shù)據(jù)的收集和組織”“數(shù)據(jù)表達”“數(shù)據(jù)解釋”“不確定性和概率”。這一評測領(lǐng)域及其子維度同時適用于四年級和八年級。在2007、2011年這兩輪的TIMSS數(shù)學測評中，對于八年級學生其內(nèi)容領(lǐng)域中關(guān)于“數(shù)據(jù)和概率”的主題有“數(shù)據(jù)的組織和表達”“數(shù)據(jù)解釋”“機會（概率基礎(chǔ)）”^[3]。同樣，2012年P(guān)ISA測試（數(shù)學測評）主題主要包括數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及推斷與概率^[4]，原來的數(shù)量、空間和圖形、變化和關(guān)系及不確定性，被調(diào)整為數(shù)量、空間和圖形、變化和關(guān)系及不確定性和數(shù)據(jù)，個體對數(shù)據(jù)圖標的理解與分析被突出。上述測驗涵蓋了與數(shù)據(jù)活動有關(guān)的能力測試（見表1）。數(shù)據(jù)素養(yǎng)在初中生必備能力之列。

（二）初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)目標體系

歐美一些國家已經(jīng)展開了一系列針對中學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)的項目教學，而我國數(shù)據(jù)素養(yǎng)教育尚處于摸索階段。我國盡快在中小學階段開展數(shù)據(jù)素養(yǎng)教學十分必要。《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011年版）》科學探究目標中，對七至九年級學生在搜集證據(jù)、處理信息、解釋結(jié)果等方面提出要求：“（1）能從多種信息源中選擇有關(guān)信息;（2）能進行一系列觀察、比較和測量;（3）會記錄和處理觀察、測量的結(jié)果;（4）將證據(jù)與科學知識建立聯(lián)系，得出基本符合證據(jù)的解釋;（5）能注意與預(yù)想結(jié)果不一致的現(xiàn)象，并做出簡單解釋;（6）能用語言、文字、圖表、模型等方式表達探究的過程和結(jié)果?！?sup>[5]筆者參考陳娜萍設(shè)計的初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)評價指標^[6]，兼顧《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011年版）》對科學探究的要求，從數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)闡釋三個維度，梳理初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)目標及其與各維度的關(guān)系（見表2）。數(shù)據(jù)素養(yǎng)的發(fā)展具有階段性——從特征指標1到指標11，難度呈梯度升高。

從發(fā)展過程看，數(shù)據(jù)素養(yǎng)源于計算素養(yǎng)，并由其中的統(tǒng)計素養(yǎng)衍生而來。統(tǒng)計教學對于發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)起奠基作用。數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)并非僅依賴于數(shù)學學習，更在于各種科學實驗探究，特別是物理實驗探究。筆者以服務(wù)學生科學探究為主旨設(shè)計實驗，引導(dǎo)學生獲取事實與證據(jù)，參與解釋、檢驗與評價，以及表達與交流等活動。這樣教學非常有利于發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)：一方面可以提高學生對科學探究的理解與操作能力;另一方面其探究過程本身就包含數(shù)據(jù)素養(yǎng)的各個培養(yǎng)維度。對于初中生而言，實驗方法與儀器是否能有效支持學生參與科學探究（尤其是物理實驗探究）對于培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)尤為重要，而數(shù)字化實驗軟硬件的科學應(yīng)用恰恰為這一實踐提供了極大的便利。

三、借助數(shù)字化實驗發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)

（一）數(shù)據(jù)視域下的數(shù)字化實驗

數(shù)字化實驗是運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，對實驗過程和結(jié)果進行實時顯示、監(jiān)控、記錄、圖像繪制及數(shù)據(jù)處理與分析的一類實驗。數(shù)字化實驗系統(tǒng)包括各類傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)配套實驗軟件。實驗過程中，教師借助傳感器探測實驗數(shù)據(jù)，實時向數(shù)據(jù)采集器傳輸，并將有關(guān)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式傳輸?shù)诫娔X端。學生通過運行實驗軟件包來采集并處理數(shù)據(jù)。師生利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)不僅能在短時間內(nèi)采集和處理大量數(shù)據(jù)，而且能夠檢測信號量的微小變化和瞬間變化，并實時顯示、存儲、傳輸、統(tǒng)計、擬合、分析實驗數(shù)據(jù)。

在實驗教學中，數(shù)據(jù)素養(yǎng)體現(xiàn)在如下過程：（1）通過設(shè)計實驗，產(chǎn)生數(shù)據(jù);（2）通過記錄測量，采集數(shù)據(jù);（3）通過制作圖表，描述數(shù)據(jù);（4）通過模擬整合，分析數(shù)據(jù);（5）運用數(shù)據(jù)描述結(jié)論，解釋數(shù)據(jù)。實驗教學過程與數(shù)據(jù)素養(yǎng)各維度的對應(yīng)情況見表3。

（二）在數(shù)字化實驗中培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)

筆者以“熔化與凝固”DIS實驗課為例具體介紹。本課教學目標是引導(dǎo)學生通過探究實驗發(fā)現(xiàn)固體熔化和凝固時溫度變化的規(guī)律，總結(jié)晶體與非晶體不同的熔化特點。相對傳統(tǒng)模式而言，在實驗教學中運用數(shù)字化手段對于發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)可以達到事半功倍的效果。

其一，操作過程更便捷。

在傳統(tǒng)實驗條件下，學生通常會遇到如下困難：實驗器材組裝難度大（對應(yīng)于數(shù)據(jù)意識階段） ;實驗難度大，數(shù)據(jù)不準確，描點作圖耗時長，圖像不理想（對應(yīng)于數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)描述階段）;課堂時間有限，探究不充分，結(jié)論較簡單（對應(yīng)于數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)闡釋階段）。

在DIS實驗系統(tǒng)支持下，師生安裝很簡便，測溫很準確，短時間內(nèi)可多次（自動）采樣，大大節(jié)省實驗時間。學生在實驗中的主要任務(wù)不再是描點作圖，而是思考如何選取采樣頻率與作圖數(shù)據(jù)，以及運用數(shù)據(jù)描述圖像，并通過對比兩類物質(zhì)（晶體與非晶體）的圖像來解釋現(xiàn)象，得出結(jié)論。在此實驗中，學生運用DIS實驗設(shè)備很快得到水的凝固與冰的熔化曲線，以及蠟的熔化與凝固曲線，同時通過對比這兩條曲線，發(fā)現(xiàn)兩種物質(zhì)在熔化與凝固狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的物理特性。在此基礎(chǔ)上，教師要求學生對兩組實驗圖像進行辨析，并且通過問題串引領(lǐng)學生探究兩種物質(zhì)各自的熔化、凝固特點：（1）在兩張圖像（如圖1和圖2）中找到表示蠟與冰熔化的圖線？（2）兩段曲線有什么區(qū)別？（3）冰在熔化的過程中，曲線中的平緩過程表示什么？（4）在冰熔化的過程中，見到它試管中呈現(xiàn)為何種狀態(tài)？最終，學生通過分析，總結(jié)出晶體與非晶體熔化凝固的特點^[7]。

其二，時間分配更合理。

研究發(fā)現(xiàn)，在大部分傳統(tǒng)實驗中，學生要拿出40%的實驗時間用于數(shù)學計算和描點作圖，精力主要集中在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)描述方面，而用于探究的時間所剩無幾，只有5%左右。

在數(shù)字化實驗中，上述兩部分數(shù)據(jù)處理的時間僅占整個實驗耗時的3%，計算、描點、作圖等工作都由計算機完成。學生的主要關(guān)注點在于根據(jù)數(shù)據(jù)進行探究或推測結(jié)論，并對最終結(jié)果進行擬合。從圖3可以看出，數(shù)字化實驗中學生可以將54%的時間用于探索研究^[8]。

傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗在學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)的各個維度均有所涉及，然而，從其在體現(xiàn)各數(shù)據(jù)素養(yǎng)維度下的實驗操作中所用的時間來看，傳統(tǒng)實驗側(cè)重描點、作圖等部分的教學，可培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)描述等低階數(shù)據(jù)素養(yǎng);而在數(shù)字化實驗強調(diào)學生對于數(shù)據(jù)擬合、描述規(guī)律等部分的教學，有利于發(fā)展學生的數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)闡述等高階數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

從國際大型的學生綜合能力測評中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)素養(yǎng)正日益成為學生必備素養(yǎng)，初中是學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)階段。筆者參考《義務(wù)教育初中科學課程標準（2011年版）》與相關(guān)研究，將初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)分為數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)闡釋五個維度，對應(yīng)11個由低階到高階的能力指標。分析物理實驗案例可知，傳統(tǒng)實驗中教師要求學生將大部分精力投入在數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)描述兩個低階維度上，而對數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)闡釋等高階數(shù)據(jù)素養(yǎng)能力的培養(yǎng)較為欠缺;在數(shù)字化實驗中，教師將學生在數(shù)字運算與描點作圖方面的數(shù)據(jù)處理能力進行了適度弱化，注重學生的數(shù)據(jù)推測、擬合等探究過程，而這一過程正對應(yīng)于數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)素養(yǎng)的高階能力。總之，數(shù)字化實驗彌補了傳統(tǒng)實驗在培養(yǎng)學生高階數(shù)據(jù)素養(yǎng)方面的不足。因此，在初中科學實驗中科學應(yīng)用數(shù)字化手段能有效提高初中生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

信息化不斷發(fā)展，關(guān)于數(shù)據(jù)素養(yǎng)的研究必將逐漸深化。當然，筆者對于初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的研究也需進一步完善：一是關(guān)于數(shù)據(jù)素養(yǎng)的定義以及初中生數(shù)據(jù)素養(yǎng)培養(yǎng)目標沒有定論，尚待進一步科學論證;二是實驗案例有限，相關(guān)研究結(jié)論需在今后教學中進行大面積驗證與完善。

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（作者張利平、劉平瑤系東南大學碩士研究生;夏小俊系東南大學講師、博士;柏毅系東南大學教授、STEAM教育評價專家委員會專家，中國教育學會科學教育分會常務(wù)理事）