数据探究：信息时代通向科学素质教育的“直通车”

项华+++毛澄洁

提高素质水平需要有良好的生理基础，也需要有良好的素养水平。人们一般从科学、信息、人文三个不同角度认识素质，相应地产生了科学素质、信息素质和人文素质等概念。本文从科学素质的视角展开论述。科学教育的内涵总是随着时代的发展而不断进化着。最初的科学教育是人们对自然界零星经验的总结与传递，随后科学有了系统性发展，科学教育的任务主要是传授知识。随着科学与技术逐渐走上社会舞台中心，其负面影响相对加大，科学教育除去传授知识，更要考虑环境影响、能力培养、情感树立等问题。当今世界的科技进步日新月异，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻地改变着人类的思维、生产和生活方式，也深刻地展示了人类的发展前景。与此同时，各种机遇和挑战并存，人的科学素质从没有像今天这样备受关注。科学素质的内涵总是随着时代的变迁而不断地发生进化，其中信息素养已经成为现代人的科学素质进化的重要条件，于是科学教育领域产生了科学信息素养的概念。

但是，科学信息素养是什么？有效地提高学生科学信息素养水平的途径与方法主要有哪些？诸如此类的问题是摆在人们面前迫切需要解决的问题，既关系到科学教育目的的有效实现问题，也关系到信息环境下有效教与学的途径和方法问题。因此解决好这些问题，对于构建新型课堂教学模式，建设“人人皆学、处处可学、时时能学”的学习型社会具有重大的现实意义。

科学信息素养是大数据时代人的科学素质进化的重要条件

素质与素养是两个密切相关的概念。素质主要是用来表征一个人的大脑或者中枢神经系统对于外界刺激的敏感性的概念；而素养是一个人的素质进化的必要内部刺激条件。大脑由很多的神经细胞组成，人刚出生时，神经细胞只有50%是连接的，到3岁时，人的记忆力、智商、信息处理能力都已经固定，大脑基本处于停止发育的状态。但大脑是一个适应性很强的器官，我们也许不能改变大脑的信息处理能力，却能够通过经验的输入来改变大脑的一些结构，促进神经元进一步生长。神经元具有可塑性，以便让大脑适应生命中新的刺激。科学教育本身就是提升大脑的可塑性的过程，我们需要对大脑进行不断的刺激，这种刺激保持每天几个小时，一周出现7天，就会产生有趣的变化。

人的科学素质在生活与生产实践中始终处于进化之中。如今的“数字一代”每天都会花很多时间使用数字化设备，等于大脑在不断地接受这种刺激，强化了某些神经连接，导致在视觉学习和视觉信息处理上有较强的神经元连接。这使得现代人更喜欢最新的在线视听觉信息来源，喜欢即时的、有趣的学习。

进入21世纪，基于自然界单一性的科学统一性被确认，纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学走向聚合，加快了技术进步的速度，并且可能会再次改变我们的物种，其深远意义可以媲美人类数十万代以前人类学会口头语言。21世纪的结构正在形成一个由比特、基因、神经元和原子要素构成的立体图景，如图1所示，这种立体图景基于计算机手段整合而建构。科学探究出现了基于计算机手段的第三种形态——计算。

图1 21世纪的结构

随着计算形态成为科学探索的新常态。在某些问题中，虚拟仿真实验所产生的计算结果与真实现象能够很好地吻合。比如，图2-a是科学家采用计算机手段做的溃坝水流虚拟仿真实验，与图2-b的真实溃坝水流实验高度吻合。

a 计算机虚拟仿真实验屏幕照片 b 真实实验照片

图2 溃坝水流的计算机虚拟仿真实验与实物实验对比

当代科学家、工程师和普通民众生活在大数据环境之中，往往需要借助计算机手段协同攻关，通过计算的方式解决科学问题。这里的数据泛指能够被计算机识别与处理的信息，包括视频、音频和文档等信息，数据的单位是比特。一方面实验或实践会产生大量的数据，另一方面虚拟仿真也会产生大量的数据。虽然计算机处理数据的速度大约每18周翻1倍，其存储容量大约每9个月翻一番，但是实验、实践或虚拟仿真所产生的数据迅速占满存储空间。这些数据就像一个金矿，人们可以从中提取信息，再通过信息加工，形成科学知识。

现代具有良好科学素养的人不仅要具有理论素养和实验素养，而且要具有科学信息素养。所谓科学信息素养，是一种借助计算机或者信息技术手段，在海量的数据中探索与发现数据关联或者规律，解决科学问题的潜能。显然，科学信息素养是科学素养、信息素养和人文素养的交集，如图3所示。

针对科学信息素养的定义，可以构建出科学信息素养的观测模型，如图4所示。科学信息素养主要包括科学信息态度、科学信息知识、科学计算的典型经验、科学信息方法等维度，其核心是对科学信息的理解。

图4 科学信息素养观测模型（项华，2014年）

其中，科学信息态度指对于科学信息的意识、兴趣和精神等；科学信息知识指关于科学的核心概念、核心历史和信息知识等；科学计算的典型经验指运用计算机手段解决科学问题的意识和基本能力；科学信息方法指常见的解决科学问题的计算机手段；最后，所谓的对科学信息的理解是测评科学信息素养的核心，指对科学本质、信息与媒介本质和人文本质的理解，它将决定对其他科学信息素养四个维度的理解深度。

由此可见，基于大数据时代对于核心素质的基本诉求，科学信息素养成为当代科学素质进化的重要条件。有必要探讨在课程标准、教材与教学评价之中有效实施科学信息素养教育的途径和方法。

数据探究是提高学生科学信息素养水平的直接手段