大数据思维与中学物理教学创新

苗壮

摘 要： 本文通过分析大数据物理教学应用对实验装备建设的客观要求，提出大数据应用于中学物理实验教学有诸多优势，是大数据在基础教育领域应用的突破口的观点，探讨大数据时代中学物理实验室实现全面数字化和物联网化的必要性和策略，在此基础上建议有条件的中学将物理实验教学和网络学习空间整合起来，开展新型信息化教学模式下的物理实验教学。

关键词： 大数据 中学物理 教学创新

2012年10月，美国教育部发布了《通过教育数据挖掘和学习分析促进教与学》的报告。这一报告的发布，宣告了“数据驱动学校，分析变革教育”的教育大数据时代已经来临，掀起人类教与学的又一次变革[1]。笔者以“大数据and教育”为条件在CNKI（中国知网）检索发现，仅2013年和2014年上半年就有120篇相关论文公开发表。当然，不论是美国教育部的报告还是国内学者的研究，都是从大数据对教育决策、教育评价和个性化教育等宏观方面入手展开论述的，对于在一线教学中如何具体应用大数据技术的讨论很少（仅有一篇公开发表），这说明大数据在基础教育领域的应用还处于刚刚起步阶段，技术远未成熟。尽管如此，大数据思维值得教育工作者们思考和学习。受大数据思维的启发，笔者将中学物理教学的困境进行排查，认为将大数据应用于中学物理实验教学有利于开展个性化学习、挖掘翻转课堂等新型教学模式的过程数据、有效克服现有实验操作考核诸多弊端等优势，是大数据教育应用的突破口。当然，大数据技术的物理教学应用对实验装备建设提出新的要求。以下就相关问题做初步探讨，力求为实现中学物理教学与信息技术的深度融合和改进中学物理实验教学提供有价值的新思路。

一、大数据和大数据思维

大数据是继物联网、移动互联、云计算之后信息化领域的又一热点技术。麦肯锡全球研究院报告《大数据：创新、竞争和生产力的下一个前沿》认为大数据是大小超出传统数据库软件工具的抓取、存储、管理和分析能力的数据群[2]。当然，规模和处理速度的变化仅仅是大数据的表象，更重要的是对数据价值认识的深化。随着互联网数据的不断积累，数据存储的大小达到PB级甚至EB级，这些海量的数据看似杂乱，但通过分析挖掘后发现这些数据群之间实际上有很强的关联性，隐藏稳定的规律性。因此，人们开始对过去不被重视的数据和记录进行各种分析和挖掘，典型的事例是2009年，google公司在全世界甲型H1N1流感暴发的几周前，成功预测了流感传播，而且具体到特定的地区，2014年google公司又成功应用大数据预测了世界杯足球赛的16强。这些预测背后的逻辑不是因果关系，而是相互关系；对数据的要求不是精确性，而是混杂性；关注的不是随机样本，而是全体数据。其实这就是大数据思维。

二、物理实验教学是大数据技术进入中学教育的最佳切入点。

大数据是一种思维，但它首先是一种技术。虽然大数据技术展现出美好的应用前景，但是要让大数据在改进中学教学中发挥作用仍面临不少困境和挑战。首先面临的是技术难题，大数据技术的应用才刚刚起步，尚处于市场培育的前期，各种相关技术还很不扎实，直接可以用于教学分析的数学模型和软件产品少之又少。而且中学传统的实验仪器普遍没有数据采集功能，更谈不上数据共享和分析。实验数据的储备方式仅限于实验报告这一种人工手段。然而，在中学各科的实验仪器中，物理实验以电参数反映测量结果的仪器最多，即便是非电测量仪器的结果，转换为电信号的难度也最低。所以，中学物理实验室是最容易实现数字化和物联网化的，加之中学物理教师总体上是最熟悉传感器和数字化原理的学科教师，理所当然应该成为大数据引入中学教学的排头兵。可以说基础教育从物理实验教学入手进入大数据时代的路径最短，难度最低，最具可行性。

三、将中学物理实验仪器实现全面数字化，搬开数据采集和积累的绊脚石。

目前，已经有不少中学建有物理探究实验室，配套有DIS采集系统，但是这些DIS系统仅仅用于部分教学模块中的个别探究实验的数据采集、分析处理，大量的常规中学物理实验还在使用信息时代之前的老式教学仪器，这种实验教学条件显然不能采集海量数据并满足挖掘数据的准备要求。因此，要让中学物理实验教学适应大数据时代的要求，必须创新物理实验装备建设，使之具备实验教学全过程的数据采集和储存功能，搬开实验教学迈向大数据时代的绊脚石。未来中学物理实验室的建设应当突破普通实验室和探究实验室的界限，通过改造和更新传统实验仪器，使之尽可能实现数字化，对于部分无法数字化的仪器，可以采用人工智能、图像分析等技术使之具备与互联网进行数据交换的能力。同时，所有物理实验室应全部配备数字化信息采集系统（简称DIS Lab），使DIS成为所有实验室的标准配置，而不是仅限于探究实验室。

四、将物联网技术引入中学物理实验室，突破实验室内部的信息孤岛。

目前中学DIS实验系统全都通过数据线实现数据采集，传感器和数据采集器受到线缆的约束限制，不仅使用不便，而且每个实验小组都是一个小小的信息孤岛，不利于信息共享。而物联网通过射频识别、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，可将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，实现智能化识别和管理[3]。所以，未来实验室建设必须立足物联网技术，采用无线蓝牙传感器代替有线传感器，将实验室内所有传感器建成小型物联网，实现所有数据实时共享，这样既避免线缆障碍，又避免传感器数量的限制，实现实验数据的共享和仪器的协同工作，增加小组间交互学习的机会，提高DIS实验系统的使用效率。理想的图景应当是学生何时进入实验室，使用哪台仪器设备，进行哪些操作，都可以自动记录下来，并上传到网络学习空间，积累学生的实验行为数据，为数据挖掘提供原料。

五、大数据应用，不应忽视教学过程视频的采集和存储。

任何学科教学过程的本身就是重要的数据和教学资源，物理教学也不例外。因此，在使用物联网、DIS系统和网络学习空间实现实验数据采集和积累之后，很有必要将物理教学过程的视频资料采集和积累下来。相对而言，视频数据的采集技术比较成熟，对于教师授课和学生活动的总体情况可以在实验室安装“多点自动追踪摄像视频采集系统”完成，对于学生实验操作的细节和实验现象视频的采集可以为每个实验小组配备带摄像功能的平板电脑完成。通过安装“多点自动追踪摄像视频采集系统”和配备平板电脑，实验室既可以在师生实验活动进行的同时自动录制实验教学和学生实验活动场景的音视频，生成多路画面的实验教学全程的课堂教学视频资源，又可以将学生实验操作的细节和实验现象视频上传到网络学习空间。实现实时资源生成，发挥管理上的价值，同时这些视频经过整理、切片后又可以发布到网上，供下期学生提前观看，实现大数据时代的“先学后教”和教师物理实验教学的自我反思，便于开展微视频教学、翻转课堂等新型信息化模式的实验教学。

随着信息技术的不断发展，“大数据”正在改变我们的思维方式和行为方式。目前，全国各地都按照教育部的要求，加快“三通两平台”建设进度，推进教育教学与信息技术的深度融合，试行“翻转课堂”、微课教学等新型信息化教学模式[4]。理念的超前和脚踏实地的探索对教育创新十分重要，建议有条件的中学和物理老师可以尝试按照本文提出的思路，建设中学物理“未来实验室”，开展基于网络学习空间的物理教学实践，让“翻转课堂”、“微课程”、“慕课”等信息信化教学模式在基础教育中生根发芽，让基于大数据思维的学习分析早日在中学物理教育中充分发挥威力。

参考文献：

[1]徐鹏，王以宁，刘艳华，张海.大数据视角分析学习变革——美国《通过教育数据挖掘和学习分析促进教与学》报告解读及启示[J].远程教育杂志，2013（6）：11-17.

[2]张燕南，胡继岳.关于大数据应用于教育的思考[J].中国电力教育，2013（32）：5-7.

[3]曹红萍.物联网在中学物理实验教学中的应用构想[J].湖南中学物理，2011（8）：40-42.

[4]祝智庭，沈德梅.基于大数据的教育技术研究新范式[J].电化教育研究，2013（10）：5-13.