1、 “数字科学家”课程测定反应时间的教学设计与反思数据探究意识与能力的培养初探段捷 毛澄杰 吴俊杰北京景山学校 【摘要】 在科学研究过程中，数据分析是非常重要和关键的一步。数字科学家课程以学生发展为本，重点在于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，使学生能本着严谨踏实的态度进行课堂上以及课外的科学研究活动。本文为一堂实际教学课的介绍和分析，其教学设计重在让学生了解科学研究方法的内涵并在教师的指导下进行简单的程序设计及数据处理。课程内容涉及物理、信息技术、化学等学科，是对多学科交叉内容教学的大胆探究。【关键词】 数字科学家、反应时间、数据探究意识、数据素养1.
2、引言“数字科学家”是一门基于科学方法的可供推广的选修课程，旨在丰富基础教育阶段理科选修课程的种类，进一步推进信息技术与物理课程整合以及科学探究式教学，提高学生的数据素养水平乃至科学素养水平。信息时代的科学研究除了有传统的实验研究和理论研究，还出现一种新形态计算。目前理科实验中，已经引入与计算机、多媒体、传感器相关的实验。这些实验的出现对学生和教师的问题处理能力提出了更高的要求。目前学校的信息技术课程，缺乏与之相关的实际应用范例。这种教学模式难以激起学生对信息技术知识的兴趣和学习动力。以综合性的科学问题为载体，使学生在任务驱动下学习信息技术知识，提高科学探究能力，可以很好地促进信息技术课程的学习
3、。随着社会的进步，科技手段的提高，越来越多的行业需要计算机辅助进行数据信息的收集和处理工作。该课程所强调的信息素养或者数据素养可以为学生步入社会做好必要的能力准备。数据素养的提出有其信息社会的基础，也有其理科特殊性的基础，还有其深层次信息技术与理科整合的基础。2.相关的数据素养理论分析所谓的数据素养（Data Literacy）是满足个体自身需求的获取数据或者信息、产生经验或者通过数据挖掘而产生知识的一种科学素养。它是科学教育目的、信息教育目的、人文教育目的的交集。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。提高学生探索兴趣，帮助学生掌握科学方法，是提高数据素养水平的重要途径。数据
4、素养是科学方法、信息技术和人文精神的整合。从科学的视角看，考察数据素养要特别关注两点：其一，科学属于经验学科。实验或者实践在物理学及其教育中处于特殊地位，应该注意挖掘数据的经验价值。其二，数学使得科学在逻辑道路上走得更远，数学也是一种重要的数据挖掘方法，应该注意挖掘数据的逻辑价值。英国学者贝尔纳曾指出“如果学生不能够以某种方式亲自参加科学发现的过程，就绝对无法使他充分了解现有科学知识的全貌。 ”在科学研究过程中，数据分析是非常重要和关键的一步。在现在的学科教育中，大部分学生们只会对简单的表格数据进行最基本的分析和处理，而忽略了实验的设计、数据的采集以及更有效的分析探究等对科学素养形成具有重要意
5、义的过程。 “数字科学家 ”以学生发展为本，重点在于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，使学生能本着严谨踏实的态度进行课堂上以及课外的科学研究活动。关于反应时间的探究是“数字科学家”选修课程的第一单元第一节，重在让学生了解科学研究方法的内涵并在教师的指导下进行简单的程序设计及数据处理。课程内容涉及物理、信息技术、化学等学科，是对多学科交叉内容教学的大胆探究。下面通过这节课的教学设计与实施来探讨数据意识和能力的培养问题。3.反应时间的测定教学设计与实施情况分析3.1教学目标分析本课程在七年级数学实验班中开展，学生具有较强的数学分析能力，对科学知识的掌握有一
6、定的广度，但缺乏深度探究；曾开展过简单研究性学习，效果良好；对计算机知识掌握程度差异较大，没有系统的进行过数据处理方面的训练。鉴于这些基本条件，反应时间测定这节课的教学目标设定如下：（1）知识与能力：知道反应时间的概念；了解 Scratch 的基本功能，能够编写简单的Scratch 程序并应用其解决实际问题； 掌握 Excel 的求差、求平均值、选出最大值及最小值的方法。（2）过程与方法：通过小游戏得出反应时间的概念；通过课堂介绍及教师实际操作演示，学生能了解 Scratch 的基本功能，能独立完成简单程序的编写；通过教师演示及课堂实践掌握 Excel 的部分功能。（3）情感、态度与价值观：激
7、发研究的热情，建立科学的思维方式。3.2.教学过程的设计、实施情况分析鉴于学生的年龄和知识特点，利用课堂学生参与游戏调动课堂气氛，引出概念内涵；使用小型软件编写简单小程序，和学生一起测量按键时间并比较，在“竞争”中掌握真知；在适当重复的计算机工具的使用中，提高学生对计算机工具使用的熟练程度以及选择合适软件的能力，以提高学生的数据素养。重要的几步教学过程如下：3.2.1.反应时间概念的探究 （1）游戏活动探究反应时间内涵本课是连续击键反应时间的探究，正确界定反应时间的概念尤为重要。我设计了很简单的学生游戏来从活动中总结出具体的概念。具体的游戏分两个部分：看谁动得快请两名同学分别站立在讲台的两边，
8、听老师的口令做先关动作：举手或抬脚等，经过几轮比赛，通过正确做出反应的快慢程度分出胜负。其他未参加比赛的同学注意观察比赛同学的表现，参与评判。萝卜蹲请四名同学在讲台前站成一排，教师给他们分配角色分别为红萝卜、黄萝卜、蓝萝卜以及绿萝卜。教师说明规则（听到自己对应的颜色后下蹲）后，游戏开始。随着“红萝卜蹲、蓝萝卜蹲、绿萝卜蹲完黄萝卜蹲.”的口令，学生们进行游戏，通过听口令正确完成动作的质量、快慢最终分出胜负，其他学生作为评审协助选出优胜的选手。（2）师生共探讨反应时间的概念科学探究的第一步是明确问题，也就是概念的界定。抽象概念的界定往往是很困难的，本设计通过学生全体参与的游戏设计，把反应时间的概念
9、先以游戏活动的形式体现出来，再以讨论总结的方式概括归纳，形成具体的文字。学生对游戏的热情高涨，不论能否亲身参与，都会认真投入其中，教师在游戏过程中需要在关键过程时给予必要的提醒。游戏进行完，学生经讨论很快就得出了反应时间的四个过程，这时候就可以引出文字性的定义。我们可以总结出反应时间的四个组成部分，即感应器（人耳）接收信息所用时间；中央处理器（人脑）分析信息所用的时间；中央处理器（人脑）做出判断所用的时间；执行机构（四肢等）做出反应所用的时间。这样的设计对于抽象概念的建立是有效的，而这种从具体活动中去探寻其内在本质的科学道理是数字科学课程教学中有效的教学策略。显而易见的是，学生参与活动后，对理
10、解其内涵的文字的记忆变得很轻松。3.2.2.用 Scratch 测量按键反应时间 实验的设计由 MIT Media Lab 开发的 Scratch 是一种适于 8 岁以上孩子的跨平台图形化编程语言（graphical programming language） ，该工具利用图形化界面，包括控制，动画，事件，逻辑，运算等等。实例：测量按键时间利用 Scratch 设计简单程序，测定连续按键的时间间隔。其原理为：每按下空格键（或其他键）时，计时器便记录下当时的时刻并加入到已经设定好的时间链表中，相邻两次时间数据之差即为连续按键反应时间。具体实施过程如下：图 1 为用 Scratch 编辑的测量按键
11、时间的小程序：用此程序可以在按下空格键的时候记录当时的时间，如图 2：这些数据可以利用先关操作导出到 TXT 文件中，如图 3：这样就得到了一组关于按键反应时间的真实数据。图 1 图 2 图 3学生之前对 Scratch 可以说是完全的陌生，但此款编程软件界面设计鲜艳，形象卡通，操作命令图形化，因此在实际教学过程中，学生表现出很大的兴趣。Scratch 中的菜单栏和工具栏中涉及的内容较多，而本课只需对控制（空格是否被按下） 、侦测（计时器） 、变量（建立时间链表）三个命令加以说明。实施时教师先做演示示范，得出数据链表，再请学生上前模仿演示，最后全体学生集体实践，得到 50 个左右的数据。随后指
12、导学生将这些数据输出。在科学探究活动中，数据的采集是很重要的一步。针对某一项研究课题，我们需要的是大量有价值的正确数据。比起以往学生用尺、表等一些常用的实物工具去测量物理量，本课采用计算机技术来完成数据的采集，可以满足大量采集数据的要求。按每个学生至少采集一到两百个数据来推算，全班采集的数据至少可以达到几千个。同以往的实验比较，在数据采集量上有了极大的提高。用计算机采集数据提升了学生的数据探究意识，为探究数据规律打下了坚实的基础。3.2.3.用 Excel 处理数据 数据的处理从 Scratch 中输出的数据是按键时刻的时间列表，没有时间间隔的数据（我们可以用改善 Scratch 程序的办法达
13、到直接记录时间间隔的效果，但由于学生对 Scratch 软件仅仅处于认识的过程中，所以对程序的改进将在以后进行） ，也不利于对所采集数据进行进一步的计算分析，因此我们需要用其他软件对输出的数据进行再处理。实例：用 Excel 处理 Scratch 输出的数据由于 Scratch 的特殊性，这些数据只能以 TXT 文件的形式输出，因此需要再将 TXT 文件中的数据复制到 Excel 中进行一系列的处理：建立数据表（排除干扰数据，保留有效数据） 、为数据列命名、写序号、用公式求时间间隔、求平均值、求最大值、求最小值等。在处理数据的过程中，需着重关注以下几个方面的问题：（1）数据表的建立在处理数据前
14、，一定要正确的建立实用的数据表格。表格中要体现实验的次数、所采集数据的种类及名称等。对本节课的实验，所建立的数据表格部分如下（见图 4，供参考） 。（2）利用简单的公式进行计算得出有效的研究数据在 Excel 中可以对所采集的基本数据进行公式计算（求差、求平均、求最大、求最小等） ，得出我们本节课需要的数据。图 4利用求差公式得出按键时间间隔；（如图 5）这里所说的有效数据是将数据进行筛选后剩下的数据。由于按键时会出现“按住没放开”和“按到但没按下”两种情况，所以我们有必要在用 Excel 进行更深入的数据处理之前将它们排除掉。具体的两种情况如图 4 和图 5 所示；图 5 求差 图 6（第三
15、排:按住没放开） 图 7（第三排:按到但没按下）利用求平均公式得出按键间隔时间的平均值（如图 8） ；利用求最大、最小公式选出本次实验数据中的最大最小值，也就是按键间隔的最长最短时间（如图 9） 。图 8 求平均 图 9 四组计算数据学生接受新知的重要过程之一就是实践，所以应该在知识技术讲授后给学生制定任务并促其完成。本课设计是让学生完成三组（每组不少于 50 个数据）测量，导出数据并用软件完成数据的处理工作。在此过程中，要给予必要的指导，纠正关键的错误。 实验中我们得到了大量的真实数据，它们能反映出一定的结论（按键反应时间） ，我们需要及时的分析和处理这些数据。而从实验中得出的成百上千的数据
16、如果用人力进行处理将是一项浩大的工程，我们需要技术的手段帮助我们实现这个目标，将困难的事情简单化。Excel 是学生比较熟悉的软件，也是一款比较强大的数据处理软件。在运用这款软件处理数据的过程中，学生们体会到了其优越性，锻炼了数据处理能力，增强了数据探究意识。此外，每名学生都会在课堂上得出一百到两百个真实数据，还会有几十个计算结果，从全班来看，就有几千个数据和几百个计算结果。我们可以把这些数据和结果做成一个数据库，在下面的课程中分析处理得出全班的反应时间，并对个人和班级的数据进行分析，找规律得结论。4.结束语本课是学生亲自参与到科学发现过程中并进行科学探究活动的开始，是单学科教育到学科整合的探
17、索。从实施过程看，在老师的指导下，学生积极的进行着有意思的、数字化的科学探究活动：通过游戏活动得出了反应时间的概念，通过 Scratch 程序采集了大量的真实有效的数据，通过 Excel 处理了从程序中采集的数据，基本完成了一次科学探究的内容。从实施效果看，学生初步形成了数据探究的意识，掌握了数据处理的方法，知道了采集数据的方式。 “数字科学家” 旨在通过了解涵义设定实验计划进行实验处理实验数据分析实验数据得到科学结论的过程，使学生形成科学的思维方式，从而能更好的并能独立的进行一系列科学探究活动。课后跟学生进行了交流，学生们对这样的科学探究活动很感兴趣，特别对游戏印象深刻，对概念可以从理解上进行阐述，对数据探究的模式也有了一定的认识。本课从实际效果上达到了一定的目标，然而对理念的再深化、技术的再熟练还需要进一步的开展有针对性的更具体的课堂和课外科学探究活动来完成。随着课程的进行，希望我们都可以成为掌握科学方法，具备数据探究意识的“数字科学家” 。附注1 项华,吴俊杰,付雷,王颍川.数字科学家计划:基于数据探究的科学选修课程设计与试验.现代教育理论与实践指导全书C.北京:现代教育出版社,2010(6),546-5492 项华 ,梁森山 ,吴俊杰.Ledong Scratch 互动教学平台的应用与研究.教学仪器与实验.J.北京:教育部教学仪器研究所,2011(1),16
