数字科学家计划

——大数据时代科学教育整合的一种解决方案

针对大数据时代人类面临的诸多危机，人们提出了一些对策与良方，其中影响最大的是国际21 世纪教育委员会向联合国教科文组织（UNIESCO）提出的21 世纪教育的四大支柱策略。①学会认知（Learning to Know）：培养学生学会运用认知工具求知，学会发现问题，学会探究知识，学会构建知识。即培养学生认知方法，引导学生通过发现、探究和意义构建的途径获取知识，培养学生的继续学习能力。②学会做事（Learning to Do）：既要学会实践，也要学会创造。重视建构可供学生参与的环境，激发学生兴趣，使学习者通过环境的交互作用，通过实践，通过做事获得知识和能力。③学会合作（Learning to Together）：要培养学生学会与他人共同生活，就要学会合作生活、合作学习，从过去的集中教学方式到个别学习方式，到现在提倡的协作学习。④学会生存（Learning to Be）：学会生活、学会做人、学会自身发展。既要传授知识，还要注重能力和高尚情操的培养。

著名教育家顾明远为“数码探科学”大赛优秀作品集题词

科学教育领域形成了一种强调亲自动手学习科学的潮流。在美国、法国、英国、加拿大等国的国家科学课程改革方案中，科学探究被列为课程目标和课程体系的关键而基本的要素。“学习必须是主动的”已成为国际上基本的教育理念。其中影响较大的有“做中学”、“Hands-On”（动手做）、“Minds-On”（动脑做）、“STEM”（科学、技术、工程、数学）等科学教育实践。这些科学教育实践旨在使学生以科学的方法学习知识，强调学习方法、思维方法、学习态度的培养。

这些先进的科学教育理念与实践推动了科学教育的创新与实践，但是实践表明，一个好的理念要想转化为教学行为，往往需要较长时期的培训与转化过程。这个过程是艰难的，特别是教师和学生需要具有一定的专业理解能力。能否综合上述先进的科学教育理念，提出一种直观、易懂而且有效的科学教育模式的推广方案呢？数字科学家计划（E-Scientist Project,ESP）给出了一种大数据时代下科学教育模式的推广方案。

所谓数字科学家计划，就是在大数据环境下以提高每一位学生科学素养水平为宗旨，以探究式教学为鲜明特征，以科学思想、科学方法和数据挖掘方法为核心，播种未来科学家种子的教学模式的推广方案。

数字科学家计划主要有两方面特征：其一，数字科学家是一种科学教育模式符号，以“科学家”符号将抽象的科学教育理念人物化和直观化，既准确地表述了现代的科学教育理念，也便于师生理解与实施。榜样的力量是无穷的，虽然科学不能解决人类所有的问题，但是科学家们为我们积累的知识、思想、方法、科学精神过去是将来也是破解社会难题的重要途径。其二，强调发挥大数据环境下第三种科学形态的育人功能，这是当今科技与科学教育创新的重要切入点。

“数字科学家”的教学模式是在WebQuest（基于网络的主题探究）模式的基础上改造而成的，主要有5 个模块。①核心问题：WebQuest 的核心是设置一个开放性的问题。这个问题设定了WebQuest 的清晰目标，鼓励学生回顾原先掌握的知识，激发学习者进一步探索的动机。②任务指南：提供一个“脚手架”，引导学生设计、经历和体验专家的思维过程。“脚手架”将令人望而生畏的探究项目打碎成若干个片段，引导学生研究较为复杂的科学问题。③海量资源：创建一些到其他互联网站点的链接来共享网络资源。通过运用多样化的互联网资源，可以为不同学习水平或不同学习方式的学生提供信息资源。④实施“做中学”：要提供高层次的思维指南，体现“做中学”的教学理念，保证动脑和动手的教学方式落在实处。⑤交流与评价：WebQuest 一般用量规提供自我评估的标准，提示学生已经学到了什么，并鼓励把这种探究的经验扩展到其他领域。评价人员可以是教师，也可以是家长和同学。

数字科学家计划产生于北京师范大学项华教授的北京市教育科学“十一五”规划课题（数字科学家计划：基于数据探究理论的物理选修课程建设与研究，2010 年立项），已经在北京景山学校、北京一〇一中学、北京师范大学亚太实验学校等学校展开实验。该项目在课题阶段探讨了校本特色选修课程的建设，但是随着课题研究的深入开展，数字科学家计划已经不再局限于校本选修课程，开始运用到正规的物理课堂教学；也不仅局限在物理学科教学，已经开始运用到小学高年级的科学课程与教学；还不仅局限在学校科学教学，已经开始运用于北京市东城区青少年科技馆的科普性质科学课程，并配合教学，于2013 年11 月成功举办了北京市东城区学生“数码探科学”大赛。大赛令人耳目一新，引起了学者和教师的广泛关注。著名教育家顾明远先生在颁奖会上讲到，这次大赛让人们看到了大数据环境下的教学实践，同学们在数码探究中有模有样，学到了科学思想、科学方法，体验到了数码探究的乐趣。

“数码探科学”大赛一等奖获奖题目

第一届

1 数码相机快速测量正投亮度可行性探究

2 顾家庄桥拥堵问题的探究

3 物体下落与水花高度的关系

4 液体表面的张力和秘密

5 树叶燃烧引发森林大火趋势的探究

6 酸奶对馒头发酵程度影响的探究

7 手指反应时间的测试与评估

8 北京雾霾天气探究

9 光的颜色对东亚钳蝎生长的影响

10 螃蟹的脚步

11 中国的大陆海岸线到底有多长

12 人的反应速度与安全驾驶的关系

13 LED 灯频闪现象探究

14 外置制冷片减少数码相机噪点的实践探究

15 梅西耶天体摄影专用星图的探究与制作

第二届

1 4个品牌酸奶对面团发酵影响效果的探究

2 天空中的云朵究竟有多高？

3 利用数码相机探究与制作家用燃气炉灶节能装置

4 糖葫芦状水流的探究

5 两只眼睛的奥秘

6 利用微信取证治理小广告的探究

7 做饭对PM2.5 影响情况的探究

8 视觉暂留时间测定

9 计算机与人工图像识别模式结合高效搜索近地小行星

10 运用Scratch 传感器板探究声控灯原理

11 足球比赛中大禁区附近射门最佳方式的探究

12 轮胎花纹对摩擦力的影响

13 物体撞击水面产生水花大小和水柱高低的探究

14 蓝光和红光补光对植物生长的影响

15 对人脸黄金比例是否会遗传的探究

16 关于望月在农历十五、十六出现概率的探究

17 影响鞋底防滑性能的因素的探究

18 浅析起跑时的角度问题

19 不同土壤对小麦发芽和幼苗前期生长的影响

20 用数码相机记录与发现黄瓜卷须的生长规律

21 一滴水体积的探究

22 央视大楼“颜值”探秘——兼论日照强度、能见度、PM2.5 之间的关系

23 树木的耐寒程度与冬季自我保护方法之关系

经过3 年的探索与实践，数字科学家计划已经从课题研究转向项目推广的初期阶段。初步建设了“数字科学家”网站，形成了一种大数据环境下的科学教育模式，也形成了“数字科学家”课程的教师培训经验，还形成低、中、高端数字环境装备的课程实施经验，已经具备了在更大范围试验与推广的条件。

“数字科学家”课程教材样例

数据探究理论

——数字科学家计划的基石

探讨破解大数据时代的科学教育难题的途径涉及大而复杂的社会问题，仅凭经验而没有理论指导是难以理解与完成的。但是，数字科学家计划已经形成了一些基本的概念与教学原理。这些基本概念与教学原理构成了所谓的数据探究理论。数据探究理论是数字科学家计划的基石。

信息（Information）是数据探究理论的逻辑起点。何谓信息？这是一个复杂而神奇的概念，学者们有着不同的见解，美国数学家和控制论创始者维纳不得已这样定义信息: 信息就是信息，既非物质，也非能量。北京师范大学项华教授考虑到人的因素，对信息进行了如下的定义：信息既不是物质，也不是能量，而是物质的波- 粒二象性与人相互作用的存在形式。

数据（Data）是数据探究理论的另一个重要概念。数据是载荷或记录信息而留下的明确印迹。数据可以是数字、文字、图像、录像，也可以是计算机代码等。对数据背景的解读是获取意义的一种途径。数据背景是接收者针对特定数据的意义准备，即当接收者了解数据序列的规律，并知道每个数据或数据组合的指向性目标和含义时，便可以获得数据所载荷的意义。观察数据或者数据挖掘就是对数据背景的解读过程。数字科学家计划的核心环节在于信息观测、数据挖掘和数据价值与交流。

探究式教学是一种以科学探究为基本特征的教学模式，其实质是引导学生通过类似科学家的探索过程理解科学概念和科学本质。依据科学的3种形态，将探究式教学分成实物实验探究、数学推理探究和数据探究。数据探究是一种基于计算机的探究式教学，是提高学生数据素养水平的必要途径。数据探究与其说是一种适应大数据时代的手段和途径，不如说是大数据时代的一种生活理念和生活态度。

在传统的探究中，大家更多的是利用和运用数学建模的思想来解决问题，学习更多的是从脑到手。而数据探究则采用工程的方法，使我们可以从手到脑，更多地运用模拟的方法、仿真的形式来探索一些实际问题的科学真相与原因，“数字科学家”就是基于此类知识构建和开设的兴趣课程。

——“数字科学家”概念提出者、北京师范大学项华教授

数据探究在教师观、学生观、学习观和评价观上均具有新的内涵。①教师是数据探究的促进者与合作者。②学生是具有创造能力的学习主体。数据探究应该把学生置于一个有社会意义的团体中，培养“共生性”与“交互性”，体验创造的意义和价值。还应该体现STS 教育，强调人对自然、社会、人生的责任和义务。③数据探究是一个建构的、社会化的综合体验过程。学习者总是依据已有经验、心理结构和信念来选择一些信息或者数据，从中经过数据挖掘得到推论，并根据推论来构建关于世界的认识。④评价是开放、多元的反馈过程。数据探究评价认为学习是一种建构独特意义的过程，注重对于探究过程的评价，关注评价的开放性与多元性。

总之，数字科学家计划在理论与实践上为我们提供了一种大数据时代科学教育整合的解决方案。

“数码探科学”大赛

优秀作品赏析

基于“数字科学家”课程的“数码探科学”大赛获奖作品体现了“数码探科学”的核心价值。这可以从东城区和平里第一小学六（2）班一等奖获得者任可晗同学的“顾家庄桥拥堵问题的探究”窥见一斑。

（1）问题提出：爸爸下班总是从东五环开车回来，但经常被堵在顾家庄桥前面。我希望能让爸爸早点回来，能让更多的爸爸下班早点回家。

（2）探究意义：让辛苦工作一天的爸爸早点回家。让更多的家长早点回家。 希望能减少交通拥堵。 希望通过减少堵车，降低PM2.5 排放。

（3）探究过程：以下两图简略地反映了数码探究的过程。

数码探究流程图

从Google 地图下载的卫星地图

（4）得出结论：造成来广营桥与顾家庄桥之间经常性堵车的原因是三道交汇，大量汽车同时汇入五环主路，造成车间距变短，车速下降，形成车流瓶颈。

（5）提出建议：在来广营桥东提前分流一部分去天通苑、北苑的车辆。提前为此区段留出空间。加宽车道，留出缓冲区。

任可晗同学的课题源于生活，探究过程规范，数据采集采用了亲身观察、互联网、北京市交通委网站的各时段路况图、Google 地图。论证采用了多种手段：Google 地图的实例、路况图实例、计算论证、动画演示论证。结论明确、建议合理，是典型的大数据环境下的数据探究活动。

本文由刘四旦摘编自项华、陶春主编《播种未来科学家的种子：北京市东城区青少年科学技术学院“数码探科学”大赛优秀作品集》一书。“数码探科学大赛”是与“数字科学家”课程配套的活动。在活动中，借助手机、网络等身边唾手可得的条件，同学们几乎可以探索任何一个自己感兴趣的科学问题。两届大赛涌现出了大量的优秀作品。本书辑选了第二届“数码探科学”大赛获奖选手的22个优秀作品。在此基础上，增加了大赛组织者、优秀指导教师的理论研究成果，和学生家长的感受与点评。

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