教學(xué)：數(shù)據(jù)科學(xué)在高中信息技術(shù)課程中的教學(xué)實(shí)施

劉晶

高中信息技術(shù)課程中有多個(gè)模塊涉及數(shù)據(jù)科學(xué)。由于選擇性必修模塊和選修模塊是必修模塊的延展與深化，以相當(dāng)專業(yè)化的體系進(jìn)行學(xué)生個(gè)性化的發(fā)展，在此暫不探討。下面針對數(shù)據(jù)科學(xué)在“必修1：數(shù)據(jù)與計(jì)算”和“必修2：信息系統(tǒng)與社會”兩個(gè)模塊展開教學(xué)梳理。

數(shù)據(jù)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中的內(nèi)容分類

針對數(shù)據(jù)科學(xué)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以細(xì)化為多個(gè)環(huán)節(jié)來進(jìn)行設(shè)計(jì)分類：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理……項(xiàng)目學(xué)習(xí)中往往涉及相關(guān)的多個(gè)環(huán)節(jié)，不同模塊中的針對性也不一樣，必修一模塊更側(cè)重?cái)?shù)據(jù)處理，必修二模塊更側(cè)重?cái)?shù)據(jù)管理，其他內(nèi)容也相互補(bǔ)充，因此，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行一定的側(cè)重選擇與處理。

數(shù)據(jù)科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法

1.把數(shù)據(jù)作為信息處理的基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)是信息的符號表示;信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是對數(shù)據(jù)的語義解釋。數(shù)據(jù)是一切信息處理的基礎(chǔ)。例如，在“氣象生活指數(shù)的參考價(jià)值研究”項(xiàng)目中，查找氣象數(shù)據(jù)、計(jì)算氣象生活指數(shù)、調(diào)查分析感冒原因等活動要通過了解數(shù)據(jù)、信息、知識的相互關(guān)系來深化，并學(xué)會如何通過收集和分析數(shù)據(jù)作證研究結(jié)論，通過圖表可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、表達(dá)信息等。

2.數(shù)據(jù)計(jì)算要注重?cái)?shù)據(jù)的處理方式

數(shù)據(jù)處理的方式有很多，如基本的人工處理、工具化的表格處理以及采用編程的創(chuàng)新性處理等。例如，在“雞兔同籠問題”項(xiàng)目中，學(xué)生可以通過人工、表格、編程三種方式解決雞兔同籠問題的活動，了解、比較并選擇合適的數(shù)據(jù)計(jì)算方式。

人工處理過程：雞兔同籠問題的數(shù)學(xué)建模。

表格處理過程：利用成熟的應(yīng)用軟件完成數(shù)據(jù)的計(jì)算。

編程處理過程：根據(jù)實(shí)際情況編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。

對比的標(biāo)準(zhǔn)有很多，要具體問題具體分析。人工方式成本低，電子表格方式操作方便，編程方式有針對性、計(jì)算效率高等。后兩種方式均屬于計(jì)算機(jī)處理方式，在較大的數(shù)據(jù)量、準(zhǔn)確度要求、自動化處理等方面具有優(yōu)勢。

3.數(shù)據(jù)處理需要掌握基本環(huán)節(jié)

對計(jì)算思維的培育充分體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)處理過程的環(huán)節(jié)中。例如，在“班級運(yùn)動隊(duì)組隊(duì)意向調(diào)查”項(xiàng)目中，學(xué)生通過對班級成員身高、體重指數(shù)、愛好的分析，掌握表格數(shù)據(jù)處理的基本方法和技巧，可以通過以下基本環(huán)節(jié)培育、發(fā)展計(jì)算思維。

數(shù)據(jù)的分類：能按照類別進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總，如男生中喜歡各項(xiàng)運(yùn)動的人數(shù)各有多少。

數(shù)據(jù)的輸入：能根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)采用快速有效的方式錄入數(shù)據(jù)，如相同的數(shù)據(jù)、等差數(shù)列數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)的排序與篩選：能根據(jù)特定條件查找數(shù)據(jù)，如全班女生的高低順序是怎樣的、全班男生的超標(biāo)體重有哪些。

4.數(shù)據(jù)編碼原理需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)來探究

編碼的基本原理涉及的內(nèi)容有：二進(jìn)制及其轉(zhuǎn)換、ASCII碼、Unicode碼、數(shù)模轉(zhuǎn)換。

了解編碼原理，有利于深刻理解計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的工作原理。例如，在“身邊的數(shù)據(jù)編碼”項(xiàng)目中，學(xué)生通過技術(shù)實(shí)驗(yàn)探究證件數(shù)值、文本、圖像數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)方法，了解數(shù)據(jù)編碼的基本原理和和方法;通過給音頻編碼和音頻技術(shù)實(shí)驗(yàn)，體會數(shù)據(jù)編碼的過程。

5.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法應(yīng)通過算法推演與數(shù)據(jù)跟蹤等項(xiàng)目實(shí)施

零散的數(shù)據(jù)很難被有效利用，依據(jù)數(shù)據(jù)關(guān)系建立合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)才有利于操作和管理。主要涉及變量、列表、線性表、樹、圖。例如，在“網(wǎng)絡(luò)購物”項(xiàng)目中，學(xué)生通過了解訂單數(shù)據(jù)認(rèn)識各種數(shù)據(jù)類型;通過推演訂單錄入模塊模擬隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的入隊(duì)過程、模擬隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的出隊(duì)過程;通過跟蹤快遞派送線路數(shù)據(jù)變化，認(rèn)識樹結(jié)構(gòu);通過規(guī)劃最快取快遞路線認(rèn)識圖結(jié)構(gòu)，觀察數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。這一系列的算法推演、數(shù)據(jù)跟蹤等策略項(xiàng)目，可以幫助學(xué)生了解數(shù)據(jù)的組織方法、數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為利用數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

6.數(shù)據(jù)安全與信息系統(tǒng)安全需要結(jié)合學(xué)習(xí)

信息系統(tǒng)處理的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)安全是信息系統(tǒng)安全的根本，并已經(jīng)越來越成為信息安全的核心內(nèi)容，兩者需要結(jié)合學(xué)習(xí)。通過生活實(shí)例，提高對數(shù)據(jù)安全的意識與技能，對學(xué)生的信息意識、信息社會責(zé)任的培養(yǎng)非常重要。例如，在“神秘的密碼”項(xiàng)目中，學(xué)生通過測試個(gè)人密碼強(qiáng)度、設(shè)置安全密碼、揭密凱撒密碼等活動了解數(shù)據(jù)加密解密知識，樹立數(shù)據(jù)安全意識。又如，在“安全防護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”項(xiàng)目中，學(xué)生通過探討計(jì)算機(jī)病毒的危害、設(shè)置防火墻規(guī)則、設(shè)置個(gè)人信息系統(tǒng)安全保護(hù)等活動，掌握常用的信息系統(tǒng)安全技術(shù)。

7.大數(shù)據(jù)的教學(xué)側(cè)重大數(shù)據(jù)量的樣本設(shè)計(jì)

在大數(shù)據(jù)教學(xué)中，要注意大數(shù)據(jù)量的樣本設(shè)計(jì)。例如，在“智能公交”項(xiàng)目中，學(xué)生通過分析公交高峰期了解數(shù)據(jù)分析的常見方法，感受數(shù)據(jù)分析的一般過程;通過“我在哪里”“公交車距離我多遠(yuǎn)”等活動體驗(yàn)大數(shù)據(jù)給生活帶來的便利。

8.信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理加強(qiáng)對數(shù)據(jù)關(guān)系的認(rèn)知

理解、運(yùn)用數(shù)據(jù)關(guān)系是數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵因素。數(shù)據(jù)庫中的多個(gè)數(shù)據(jù)表通過相同字段建立表間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢。例如，在“創(chuàng)建圖書管理數(shù)據(jù)庫”項(xiàng)目中，學(xué)生通過創(chuàng)建圖書借閱表，了解數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)類型，通過查詢某同學(xué)借閱信息了解數(shù)據(jù)表的表間關(guān)系。

數(shù)據(jù)錄入：數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互，并將錄入數(shù)據(jù)寫入后臺數(shù)據(jù)庫。例如，在“圖書數(shù)據(jù)錄入”項(xiàng)目中，學(xué)生通過添加圖書錄入的表單元素、添加圖書錄入提示、連接圖書數(shù)據(jù)庫、插入圖書數(shù)據(jù)等活動，理解信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訪問的過程，建立信息系統(tǒng)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的連接，并將用戶輸入的信息插入到數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)可以根據(jù)功能要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。例如，在“借閱圖書功能設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，學(xué)生通過用戶登錄功能設(shè)計(jì)、圖書查詢功能設(shè)計(jì)、圖書預(yù)約功能設(shè)計(jì)等活動，了解信息系統(tǒng)收集用戶數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶輸入實(shí)施數(shù)據(jù)處理的過程。

數(shù)據(jù)輸出：數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)可以根據(jù)查詢，反饋數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。例如，在“圖書館信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，學(xué)生通過制作最受歡迎的圖書排行榜、優(yōu)化借閱管理系統(tǒng)的輸出等活動，體驗(yàn)數(shù)據(jù)的分類查詢結(jié)果輸出，理解適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)輸出樣式對增強(qiáng)信息表達(dá)的重要作用。

數(shù)據(jù)作為信息技術(shù)學(xué)科的大概念，與其他大概念如算法、信息系統(tǒng)、信息社會密切相關(guān)。在高中信息技術(shù)課程體系中隨處可見數(shù)據(jù)的身影，教師只有掌握了更全面、深入的數(shù)據(jù)科學(xué)知識，才能在新教材的實(shí)施中得心應(yīng)手。