數(shù)據(jù)探究：信息時(shí)代通向科學(xué)素質(zhì)教育的“直通車”

項(xiàng)華+++毛澄潔

提高素質(zhì)水平需要有良好的生理基礎(chǔ)，也需要有良好的素養(yǎng)水平。人們一般從科學(xué)、信息、人文三個(gè)不同角度認(rèn)識(shí)素質(zhì)，相應(yīng)地產(chǎn)生了科學(xué)素質(zhì)、信息素質(zhì)和人文素質(zhì)等概念。本文從科學(xué)素質(zhì)的視角展開論述。科學(xué)教育的內(nèi)涵總是隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷進(jìn)化著。最初的科學(xué)教育是人們對(duì)自然界零星經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)與傳遞，隨后科學(xué)有了系統(tǒng)性發(fā)展，科學(xué)教育的任務(wù)主要是傳授知識(shí)。隨著科學(xué)與技術(shù)逐漸走上社會(huì)舞臺(tái)中心，其負(fù)面影響相對(duì)加大，科學(xué)教育除去傳授知識(shí)，更要考慮環(huán)境影響、能力培養(yǎng)、情感樹立等問題。當(dāng)今世界的科技進(jìn)步日新月異，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻地改變著人類的思維、生產(chǎn)和生活方式，也深刻地展示了人類的發(fā)展前景。與此同時(shí)，各種機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，人的科學(xué)素質(zhì)從沒有像今天這樣備受關(guān)注?？茖W(xué)素質(zhì)的內(nèi)涵總是隨著時(shí)代的變遷而不斷地發(fā)生進(jìn)化，其中信息素養(yǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代人的科學(xué)素質(zhì)進(jìn)化的重要條件，于是科學(xué)教育領(lǐng)域產(chǎn)生了科學(xué)信息素養(yǎng)的概念。

但是，科學(xué)信息素養(yǎng)是什么？有效地提高學(xué)生科學(xué)信息素養(yǎng)水平的途徑與方法主要有哪些？諸如此類的問題是擺在人們面前迫切需要解決的問題，既關(guān)系到科學(xué)教育目的的有效實(shí)現(xiàn)問題，也關(guān)系到信息環(huán)境下有效教與學(xué)的途徑和方法問題。因此解決好這些問題，對(duì)于構(gòu)建新型課堂教學(xué)模式，建設(shè)“人人皆學(xué)、處處可學(xué)、時(shí)時(shí)能學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會(huì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

科學(xué)信息素養(yǎng)是大數(shù)據(jù)時(shí)代人的科學(xué)素質(zhì)進(jìn)化的重要條件

素質(zhì)與素養(yǎng)是兩個(gè)密切相關(guān)的概念。素質(zhì)主要是用來表征一個(gè)人的大腦或者中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)于外界刺激的敏感性的概念；而素養(yǎng)是一個(gè)人的素質(zhì)進(jìn)化的必要內(nèi)部刺激條件。大腦由很多的神經(jīng)細(xì)胞組成，人剛出生時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞只有50%是連接的，到3歲時(shí)，人的記憶力、智商、信息處理能力都已經(jīng)固定，大腦基本處于停止發(fā)育的狀態(tài)。但大腦是一個(gè)適應(yīng)性很強(qiáng)的器官，我們也許不能改變大腦的信息處理能力，卻能夠通過經(jīng)驗(yàn)的輸入來改變大腦的一些結(jié)構(gòu)，促進(jìn)神經(jīng)元進(jìn)一步生長(zhǎng)。神經(jīng)元具有可塑性，以便讓大腦適應(yīng)生命中新的刺激?？茖W(xué)教育本身就是提升大腦的可塑性的過程，我們需要對(duì)大腦進(jìn)行不斷的刺激，這種刺激保持每天幾個(gè)小時(shí)，一周出現(xiàn)7天，就會(huì)產(chǎn)生有趣的變化。

人的科學(xué)素質(zhì)在生活與生產(chǎn)實(shí)踐中始終處于進(jìn)化之中。如今的“數(shù)字一代”每天都會(huì)花很多時(shí)間使用數(shù)字化設(shè)備，等于大腦在不斷地接受這種刺激，強(qiáng)化了某些神經(jīng)連接，導(dǎo)致在視覺學(xué)習(xí)和視覺信息處理上有較強(qiáng)的神經(jīng)元連接。這使得現(xiàn)代人更喜歡最新的在線視聽覺信息來源，喜歡即時(shí)的、有趣的學(xué)習(xí)。

進(jìn)入21世紀(jì)，基于自然界單一性的科學(xué)統(tǒng)一性被確認(rèn)，納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)和認(rèn)知科學(xué)走向聚合，加快了技術(shù)進(jìn)步的速度，并且可能會(huì)再次改變我們的物種，其深遠(yuǎn)意義可以媲美人類數(shù)十萬代以前人類學(xué)會(huì)口頭語言。21世紀(jì)的結(jié)構(gòu)正在形成一個(gè)由比特、基因、神經(jīng)元和原子要素構(gòu)成的立體圖景，如圖1所示，這種立體圖景基于計(jì)算機(jī)手段整合而建構(gòu)?？茖W(xué)探究出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)手段的第三種形態(tài)——計(jì)算。

圖1 21世紀(jì)的結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算形態(tài)成為科學(xué)探索的新常態(tài)。在某些問題中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)現(xiàn)象能夠很好地吻合。比如，圖2-a是科學(xué)家采用計(jì)算機(jī)手段做的潰壩水流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，與圖2-b的真實(shí)潰壩水流實(shí)驗(yàn)高度吻合。

a 計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)屏幕照片 b 真實(shí)實(shí)驗(yàn)照片

圖2 潰壩水流的計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比

當(dāng)代科學(xué)家、工程師和普通民眾生活在大數(shù)據(jù)環(huán)境之中，往往需要借助計(jì)算機(jī)手段協(xié)同攻關(guān)，通過計(jì)算的方式解決科學(xué)問題。這里的數(shù)據(jù)泛指能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別與處理的信息，包括視頻、音頻和文檔等信息，數(shù)據(jù)的單位是比特。一方面實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，另一方面虛擬仿真也會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。雖然計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度大約每18周翻1倍，其存儲(chǔ)容量大約每9個(gè)月翻一番，但是實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐或虛擬仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)迅速占滿存儲(chǔ)空間。這些數(shù)據(jù)就像一個(gè)金礦，人們可以從中提取信息，再通過信息加工，形成科學(xué)知識(shí)。

現(xiàn)代具有良好科學(xué)素養(yǎng)的人不僅要具有理論素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，而且要具有科學(xué)信息素養(yǎng)。所謂科學(xué)信息素養(yǎng)，是一種借助計(jì)算機(jī)或者信息技術(shù)手段，在海量的數(shù)據(jù)中探索與發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)或者規(guī)律，解決科學(xué)問題的潛能。顯然，科學(xué)信息素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)、信息素養(yǎng)和人文素養(yǎng)的交集，如圖3所示。

針對(duì)科學(xué)信息素養(yǎng)的定義，可以構(gòu)建出科學(xué)信息素養(yǎng)的觀測(cè)模型，如圖4所示?？茖W(xué)信息素養(yǎng)主要包括科學(xué)信息態(tài)度、科學(xué)信息知識(shí)、科學(xué)計(jì)算的典型經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)信息方法等維度，其核心是對(duì)科學(xué)信息的理解。

圖4 科學(xué)信息素養(yǎng)觀測(cè)模型（項(xiàng)華，2014年）

其中，科學(xué)信息態(tài)度指對(duì)于科學(xué)信息的意識(shí)、興趣和精神等；科學(xué)信息知識(shí)指關(guān)于科學(xué)的核心概念、核心歷史和信息知識(shí)等；科學(xué)計(jì)算的典型經(jīng)驗(yàn)指運(yùn)用計(jì)算機(jī)手段解決科學(xué)問題的意識(shí)和基本能力；科學(xué)信息方法指常見的解決科學(xué)問題的計(jì)算機(jī)手段；最后，所謂的對(duì)科學(xué)信息的理解是測(cè)評(píng)科學(xué)信息素養(yǎng)的核心，指對(duì)科學(xué)本質(zhì)、信息與媒介本質(zhì)和人文本質(zhì)的理解，它將決定對(duì)其他科學(xué)信息素養(yǎng)四個(gè)維度的理解深度。

由此可見，基于大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)于核心素質(zhì)的基本訴求，科學(xué)信息素養(yǎng)成為當(dāng)代科學(xué)素質(zhì)進(jìn)化的重要條件。有必要探討在課程標(biāo)準(zhǔn)、教材與教學(xué)評(píng)價(jià)之中有效實(shí)施科學(xué)信息素養(yǎng)教育的途徑和方法。

數(shù)據(jù)探究是提高學(xué)生科學(xué)信息素養(yǎng)水平的直接手段