新課標(biāo)背景下“統(tǒng)計與概率”的變化

【摘 要】 《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》新增“四分位數(shù)與箱線圖”內(nèi)容，箱線圖是統(tǒng)計學(xué)中的專用名詞，這便給教師的教學(xué)帶來新挑戰(zhàn).從大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的需要與數(shù)學(xué)課程內(nèi)容發(fā)展的需要兩方面分析增加該內(nèi)容的教育價值；介紹箱線圖的定義、畫法、應(yīng)用，通過實例說明箱線圖在計算量較小與直觀展示數(shù)據(jù)分布情況的優(yōu)勢，并闡述新增“四分位數(shù)與箱線圖”給筆者帶來的教學(xué)啟示.

【關(guān)鍵詞】 新課標(biāo)；統(tǒng)計與概率；四分位數(shù)；箱線圖；數(shù)據(jù)觀念

1 研究緣起

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域新增“會計算四分位數(shù)，了解四分位數(shù)與箱線圖的關(guān)系，感悟百分位數(shù)的意義”^[1]，這與《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域中“結(jié)合實例能用樣本估計百分位數(shù)，理解百分位數(shù)的統(tǒng)計含義”相銜接，由此可見，此次2022版新課標(biāo)非常重視初中、高中“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域內(nèi)容的銜接，學(xué)生在初中階段對四分位數(shù)、百分位數(shù)、箱線圖的理解會直接影響高中階段“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域的學(xué)習(xí).下文將分析初中階段增加該內(nèi)容帶來的教育價值；介紹箱線圖的定義、畫法、應(yīng)用，并闡述新增“四分位數(shù)與箱線圖”內(nèi)容給筆者帶來的教學(xué)啟示.

2 “四分位數(shù)與箱線圖”的教育價值

2.1 大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的需要

2012年7月，聯(lián)合國發(fā)布《大數(shù)據(jù)促發(fā)展：挑戰(zhàn)與機遇》白皮書，提及“大數(shù)據(jù)時代已然來臨，大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生會給社會諸多領(lǐng)域帶來深遠影響.隨著大數(shù)據(jù)時代的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)分析素養(yǎng)正悄無聲息成為現(xiàn)代公民社會生存的關(guān)鍵能力”.箱線圖是統(tǒng)計圖中的一種，應(yīng)用箱線圖能有效解決不同領(lǐng)域的實際問題，例如，楊帆^[2]等應(yīng)用箱線圖對大曲質(zhì)量進行分析；吳九牛^[3]等應(yīng)用箱線圖提出一種插值方法檢測機動車尾氣NO_x氣體的含量；魯俊^[4]等應(yīng)用箱線圖對新生兒出生缺陷的發(fā)病率進行預(yù)測，等等.大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為繼科學(xué)實驗、理論科學(xué)與計算科學(xué)的第四范式^[5].

2.2 數(shù)學(xué)課程內(nèi)容發(fā)展的需要

2022版新課標(biāo)在“統(tǒng)計與概率”領(lǐng)域?qū)W業(yè)要求中新增“知道百分位數(shù)和四分位數(shù)，能計算一組數(shù)據(jù)的四分位數(shù)，知道箱線圖可以直觀反映數(shù)據(jù)分布的信息”.首先，回顧兩個能刻畫一組數(shù)據(jù)離散程度的特征值——極差、方差，數(shù)據(jù)的離散程度是數(shù)據(jù)分布的特征之一，它反映的是每一個數(shù)值與“中心值”的偏離程度.極差在一定程度上刻畫了一組數(shù)據(jù)的離散程度，但是它僅反映出這組數(shù)據(jù)的波動范圍，不能反映中間數(shù)據(jù)的離散程度.比較兩組數(shù)據(jù)的離散程度時，若兩組數(shù)據(jù)的平均數(shù)、極差都相等，此時就不能較好地區(qū)分兩組數(shù)據(jù)的離散程度，于是引入方差，方差是刻畫這組數(shù)據(jù)中每一個數(shù)值與“中心值”的離散程度，值得注意的是，方差的“中心值”是平均數(shù)，但是，平均數(shù)容易受到極端值的影響，所以有時用平均數(shù)作為“中心值”會出現(xiàn)“失真”現(xiàn)象.通常情況下，極差、方差能夠刻畫一組數(shù)據(jù)的離散程度.通過箱線圖也能夠觀察出一組數(shù)據(jù)的離散程度，既然義務(wù)教育階段有能夠刻畫一組數(shù)據(jù)離散程度的特征值，為何還要引入箱線圖呢？箱線圖是統(tǒng)計圖中的一種，通過箱線圖能夠直接觀察出這組數(shù)據(jù)中的異常值及數(shù)據(jù)的離散程度，且計算量較小，這樣就彌補了以往教學(xué)中從“形”上直觀感知數(shù)據(jù)離散程度的“遺憾”.箱線圖的“中心值”是這組數(shù)據(jù)的中位數(shù)，相對而言，用箱線圖直觀描述這組數(shù)據(jù)的離散程度會比較合理；當(dāng)對比多組數(shù)據(jù)的離散程度時，應(yīng)用箱線圖會更方便，也會更加直觀.下面，介紹箱線圖的定義、四分位數(shù)與百分位數(shù)、箱線圖的作圖步驟，并以筆者兩個班級的期末考試成績?yōu)槔?，說明箱線圖在實際中的應(yīng)用.

3 箱線圖、四分位數(shù)與百分位數(shù)

3.1 箱線圖的定義

1977年，美國統(tǒng)計學(xué)家約翰·圖基提出一種用于顯示數(shù)據(jù)分布特征的統(tǒng)計方法——箱線圖，箱線圖的形狀形如箱子，因故得名.箱線圖是一種利用最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值來描述數(shù)據(jù)分布特征的統(tǒng)計圖^[6]，這也是四分位數(shù)與箱線圖的關(guān)系.

3.2 四分位數(shù)與百分位數(shù)

什么是四分位數(shù)呢？首先需要了解百分位數(shù)，因為四分位數(shù)是在百分位數(shù)上建立起來的.百分位數(shù)又稱百分位分數(shù)，它是一類統(tǒng)計量，把一列數(shù)從小到大排列，并計算相應(yīng)的累計百分位，則某一百分位所對應(yīng)的數(shù)就稱為這一百分位的百分位數(shù).具體來說，有一組數(shù)據(jù)按照從小到大順序排列，用99個數(shù)值把這組數(shù)100等分，這99個數(shù)值就稱為百分位數(shù)，為了表示方便，用P₁，P₂，…，P₉₉表示第1、第2、……、第99百分位數(shù)，顯而易見，P₅₀表示這組數(shù)據(jù)的第50百分位數(shù)，即中位數(shù)；中位數(shù)將這組數(shù)據(jù)分為兩個部分，將這兩組數(shù)據(jù)分別記作S，T，用P₂₅，P₇₅分別表示S，T的中位數(shù)，所有數(shù)據(jù)中，小于或等于P₂₅的數(shù)占25%，小于或等于P₅₀的數(shù)占50%，小于或等于P₇₅的數(shù)占75%，那么P₂₅，P₅₀，P₇₅就把這組數(shù)的個數(shù)平均分成四份，P₂₅，P₅₀，P₇₅這三個數(shù)值稱為四分位數(shù)，特別地，P₂₅稱為下四分位數(shù)，P₇₅稱為上四分位數(shù)，這也是四分位數(shù)的計算方法.2022版新課標(biāo)在“統(tǒng)計與概率”的學(xué)業(yè)要求中指出，“知道百分位數(shù)和四分位數(shù)，能計算一組數(shù)據(jù)的四分位數(shù)，知道箱線圖可以直觀反映數(shù)據(jù)分布的信息”，并且新課標(biāo)在附錄部分以一個實例（例86）讓學(xué)生感悟箱線圖的學(xué)習(xí)價值.在初中學(xué)段，對于百分位數(shù)的學(xué)業(yè)要求僅在“知道”層面，學(xué)生到高中學(xué)段，會詳細學(xué)習(xí)如何計算第幾百分位數(shù)，此文不再贅述第幾百分位數(shù)的計算方法，感興趣的讀者可查閱人教A版高中數(shù)學(xué)必修第二冊（2019年版）“9.2.2總體百分位數(shù)的估計”.

3.3 箱線圖的作圖步驟

通過上文描述可知，箱線圖是一種利用最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值來描述數(shù)據(jù)分布特征的統(tǒng)計圖.箱線圖不僅需要計算四分位數(shù)，還需要計算下邊界（最小值）、上邊界（最大值）、異常值，但是這些特征值的計算量都比較小，箱線圖示例如圖1所示.上文介紹過四分位數(shù)的求法，這里不再贅述，下面介紹下邊界（最小值）、上邊界（最大值）、異常值的計算方法，計算這三個特征值時需要先計算四分位差（簡稱“IQR”），四分位差（IQR）＝上四分位數(shù)（P₇₅）－下四分位數(shù)（P₂₅），下邊界（最小值）＝P₂₅－1.5IQR，上邊界（最大值）＝P₇₅＋1.5IQR，規(guī)定大于上邊界（最大值）或小于下邊界（最小值）的值都稱為異常值.箱線圖的作圖步驟如下：

1）將一組數(shù)據(jù)按照從小到大順序進行排列；

2）找到這組數(shù)據(jù)的中位數(shù)，中位數(shù)將這組數(shù)據(jù)分為兩個部分，再繼續(xù)找出這兩組數(shù)據(jù)的中位數(shù)，于是得到下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)；

3）計算：四分位差（IQR）＝P₇₅－P₂₅，下邊界（最小值）＝P₂₅－1.5IQR，上邊界（最大值）＝P₇₅＋1.5IQR；

4）畫出數(shù)軸，畫出上邊界、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、下邊界、觸須線、箱體，標(biāo)出異常值（通常用空心圓表示）.

3.4 箱線圖的應(yīng)用

下面，以筆者任教的兩個班級某次期末考試數(shù)學(xué)成績（表1、表2）為例，應(yīng)用箱線圖對兩個班級學(xué)生的成績進行分析.

筆者所在學(xué)校是均衡分班，每個班級的平均水平相當(dāng).A班、B班本次期末考試數(shù)學(xué)成績的平均分分別是77.98分、78.07分，從平均分的視角來看，兩個班級的平均水平相當(dāng)；但是從中位數(shù)的視角來看，能夠從箱線圖上直觀看出B班數(shù)學(xué)成績的中位數(shù)高于A班，B班平均水平略高一些.按照上述畫箱線圖的過程，繪制出A班、B班本次期末考試數(shù)學(xué)成績箱線圖（圖2），不用計算A班、B班期末數(shù)學(xué)成績的方差，通過箱線圖可以直接觀察出A班的箱體高度比B班的箱體高度矮，說明A班學(xué)生的數(shù)學(xué)成績波動性小，數(shù)據(jù)更聚集，大部分學(xué)生的成績相差不大；相比較而言，B班學(xué)生的數(shù)學(xué)成績波動性相對較大，數(shù)據(jù)也就相對較為分散，B班級學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)科上的發(fā)展有兩極分化的趨勢.從箱線圖上顯示出A班學(xué)生的數(shù)學(xué)成績有3個異常值，B班學(xué)生的數(shù)學(xué)成績有2個異常值.通過上述對數(shù)據(jù)的分析，提示筆者需要關(guān)注B班級學(xué)生兩極分化的原因，尋找縮小B班級學(xué)生內(nèi)部差距的策略，后續(xù)教師要根據(jù)班級情況進行差異化教學(xué)，避免出現(xiàn)“兩班一教案”現(xiàn)象，同時也需要關(guān)注異常值所對應(yīng)的學(xué)生，要給他們更有針對性的學(xué)習(xí)建議.

4 教學(xué)啟示

4.1 善用統(tǒng)計圖（表）描述數(shù)據(jù)，順應(yīng)時代變革

數(shù)據(jù)觀念包括數(shù)據(jù)感知力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)的質(zhì)疑能力^[7]，其中，能夠運用統(tǒng)計圖（表）整理、描述數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理能力的具體表征.初中數(shù)學(xué)教材中常見的統(tǒng)計圖（表）有條形統(tǒng)計圖、扇形統(tǒng)計圖、折線統(tǒng)計圖、散點圖、頻數(shù)（率）分布表、頻數(shù)（率）分布直方圖，到高中學(xué)段學(xué)生還會學(xué)習(xí)莖葉圖，《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中新增箱線圖內(nèi)容，這并非偶然，上文介紹可知，箱線圖對各個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值，新增該內(nèi)容是順應(yīng)大數(shù)據(jù)時代變革的需要.箱線圖具有計算量較小與直觀展示數(shù)據(jù)分布情況的優(yōu)勢，還能夠快速發(fā)現(xiàn)一組數(shù)據(jù)的異常值，尤其是對多組數(shù)據(jù)的分布特征進行比較時，更能凸顯出箱線圖的優(yōu)勢.但是，箱線圖也不是“萬能圖”，箱線圖僅從宏觀層面展示數(shù)據(jù)的分布情況，如果要對數(shù)據(jù)進行更精準(zhǔn)的分析，還需要借助其它統(tǒng)計圖（表），例如，上文應(yīng)用箱線圖分析兩個班級的數(shù)學(xué)考試成績，只是對數(shù)據(jù)的分布情況進行了大致分析，如果還要更精確地分析兩個班級的成績，課堂上可以借助該實例引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合柱狀圖（圖3）進行精確分析，從柱狀圖上能直觀看出B班級90分以上的學(xué)生比A班級多4人，提醒教師要注重A班級優(yōu)等生的培養(yǎng)，B班級50分以下的學(xué)生比A班級多2人，教師要關(guān)注B班級薄弱生的指導(dǎo)，結(jié)合柱狀圖能夠更進一步對兩個班級的數(shù)學(xué)成績進行分析，能夠更精準(zhǔn)地找到本班級數(shù)學(xué)成績的增長點，同時也有助于教學(xué)相長.通過這個實例可以發(fā)現(xiàn)，僅依靠一個統(tǒng)計圖（表）進行分析成績往往是不夠精準(zhǔn)的，因此，教學(xué)中需要幫助學(xué)生厘清不同統(tǒng)計圖（表）的優(yōu)勢與不足，用統(tǒng)計圖（表）對數(shù)據(jù)進行表達時做到有的放矢，培養(yǎng)學(xué)生能應(yīng)用不同統(tǒng)計圖（表）描述數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)提供支持，發(fā)揮統(tǒng)計圖（表）更大的價值.

4.2 善用數(shù)據(jù)“說話”，培養(yǎng)數(shù)據(jù)觀念

4.2.1 遇到問題能想到“數(shù)據(jù)”

2016年12月，工信部正式印發(fā)了《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020）》，規(guī)劃指出數(shù)據(jù)是國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，大數(shù)據(jù)將為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)形態(tài)的發(fā)展提供機遇，是21世紀的“鉆石礦”.2022版新課標(biāo)前言部分指出，必須進一步明確“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”.當(dāng)今世界科技進步日新月異，課程內(nèi)容也必須與時俱進，教師的教學(xué)理念也需要不斷更新迭代，數(shù)據(jù)觀念的培養(yǎng)不能局限于課堂教學(xué)中，應(yīng)該要滲透在學(xué)生的日常生活中.例如，筆者班級有學(xué)生提出數(shù)學(xué)考試時間不夠用的煩惱，面對這樣一個問題，部分學(xué)生就去盲目刷題，耗時耗力，效果也不理想，當(dāng)學(xué)生在生活中遇到不能解決的問題時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生積累一些數(shù)據(jù)去進行改進.比如記錄每一次作業(yè)的所用時間，甚至可以記錄每一次作業(yè)每一道題目的所用時間，找出是哪些類型的題目耗時較長，再去尋找改進策略，改進后繼續(xù)跟蹤解決同類型問題的耗時是否有所改善，應(yīng)用學(xué)生真實面臨的困惑為載體，逐步讓學(xué)生想著用數(shù)據(jù)去解決日常生活中的問題，在解決問題過程中親身經(jīng)歷數(shù)據(jù)的“收集、整理、描述、分析”過程，潛移默化培養(yǎng)數(shù)據(jù)觀念.同樣，教師遇見困惑后也應(yīng)該嘗試應(yīng)用數(shù)據(jù)去尋找策略，例如上文案例中筆者應(yīng)用不同的統(tǒng)計圖對學(xué)生期末考試成績進行分析，并嘗試記錄應(yīng)用數(shù)據(jù)解決問題的感悟，這對培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)觀念會更貼切，更能與時代接軌.換而言之，培養(yǎng)學(xué)生遇到問題時能想到應(yīng)用“數(shù)據(jù)”進行研究，教師首先需要有這樣的意識.

4.2.2 能分析數(shù)據(jù)，進行決策

《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中新增“理解中位數(shù)、眾數(shù)的意義”，由此可見，統(tǒng)計量的含義得到足夠的重視，打破了以往教學(xué)中“統(tǒng)計等同于數(shù)的運算”的現(xiàn)象，能根據(jù)統(tǒng)計量的含義看到數(shù)據(jù)背后的故事，這為人們研究微觀世界提供了一種手段.近兩年，根據(jù)數(shù)據(jù)的數(shù)字特征解釋某一現(xiàn)象或進行決策的中考試題越來越多.例如2023年廣東省中考試卷第21題，這道題目第1問要求學(xué)生找出平均數(shù)、中位數(shù)、眾數(shù)，第2問要求學(xué)生應(yīng)用你所學(xué)的統(tǒng)計知識，幫助小紅分析如何選擇乘車線路.此題的背景貼近實際，是學(xué)生生活中的常見問題，通過這樣的問題能夠從真正意義上考察學(xué)生的數(shù)據(jù)分析素養(yǎng).與前兩年中考統(tǒng)計試題相比，類似于這樣的試題在2023年中考試題中大幅度增加.例如廣西省中考試卷第21題、甘肅省白銀市中考試卷第23題、內(nèi)蒙古包頭市中考試卷第19題、浙江省溫州市中考試卷第19題等，感興趣的讀者可進行查閱.四分位數(shù)與箱線圖是2022版新課標(biāo)中新增的內(nèi)容，各版本教材還沒有更新，但是教師的教學(xué)理念應(yīng)該順應(yīng)時代發(fā)展，建議教師在進行統(tǒng)計模塊的教學(xué)時，依據(jù)2022版新課標(biāo)的要求對該部分內(nèi)容進行適當(dāng)補充.

參考文獻

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作者簡介 高凱亮（1995—），男，貴州六盤水人，本科學(xué)歷，中學(xué)二級教師，南京市江北新區(qū)初中數(shù)學(xué)工作坊核心成員；主要從事初中數(shù)學(xué)教學(xué)與研究，熱衷于研究教師如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與深度思考的方法探究，并在實踐中取得一定經(jīng)驗與成果;在數(shù)學(xué)專業(yè)期刊發(fā)表論文近20篇;榮獲南京市江北新區(qū)第三屆“教育科研成果創(chuàng)新獎”特等獎.