“数字科学家”课程是北京师范大学提出的一门新型课程。我们认为在科学研究过程中，数据分析是非常重要和关键的一步。本课程以学生发展为本，重点在于初步培养学生的科学思维方式、数据探究意识，介绍简单、可操作性强的科学分析方法，使学生能本着严谨踏实的态度进行课堂上以及课外的科学研究活动。本文选取了高一的一个典型的教学案例，以在科学史上具有重要意义的伽利略斜面实验为教学情境，在教学设计上用游戏引入教学内容，重在让学生了解科学研究方法的内涵，并在教师的指导下进行简单的程序设计及数据处理。课程内容涉及物理、信息技术等多学科的交叉，使用具有世界先进水平的仿真软件爱乐多（Algodoo，另译为物理沙盒）进行高效、有趣的科学探究，是对多学科交叉内容教学的大胆尝试。
“数字科学家”是一门基于科学方法的可供推广的选修课程，目的在于丰富基础教育阶段理科选修课程的种类，也丰富学生的课外生活，同时进一步推进信息技术与物理课程整合以及科学探究式教学的发展，提高学生的数据素养水平乃至科学素养水平。
信息时代的科学研究除了传统的实验研究和理论研究，还出现一种新形态——计算机模拟。目前理科实验中，已经引入与计算机、多媒体、传感器相关的实验。这些实验的出现对学生和教师的问题处理能力、数据分析能力、图像分析能力提出了更高的要求。目前学校的物理实验课程，有很多都是在理想条件下完成的，大部分学校缺乏良好的实验环境，或者是条件设备简陋不能证明实验与理论的一致性。传统的教学模式往往难以激起学生对物理知识的学习兴趣和动力。“数字科学家”课程期望以计算机为载体，使学生在任务驱动下学习物理知识，同时提高科学探究能力，可以很好地促进物理实验课程的学习。
在课程设计上，我们将数据素养作为培养目标的核心。随着社会的不断进步，科技手段的提高以及技术的多样化，越来越多的研究需要计算机辅助进行数据信息的收集和处理工作。该课程所强调的信息素养或者数据素养可以为学生步入社会做好必要的能力准备。数据素养的提出有其社会的基础，也有其理科特殊性的基础，更有其深层次信息技术与理科整合的基础。
相关的数据素养理论分析
北京师范大学项华教授认为，所谓数据素养（Data Literacy），是获取满足个体自身需求的数据或者信息，产生经验或者通过数据挖掘而产生知识的一种科学素养。培养学生数据素养是科学教育目的、信息教育目的、人文教育目的的交集。数据素养的核心是数字环境下的科学思想、方法、习惯和精神。提高学生探索兴趣，帮助学生掌握科学方法，是提高数据素养水平的重要途径。
从科学的视角看，考察数据素养要特别关注三点：其一，实验法是重要的科学研究方法。实验或者实践在物理学及其教育中处于特殊地位，应该注意挖掘数据的经验价值。其二，数学使得科学在逻辑道路上走得更远，数学也是一种重要的数据挖掘方法，应该注意挖掘数据的逻辑价值。其三，仿真试验作为信息技术与科学教育整合的重要载体，应该成为获取实验数据，提高科学分析能力，建立科学概念的有效工具。英国学者贝尔纳曾指出，如果学生不能够以某种方式亲自参加科学发现的过程，就绝对无法充分了解现有科学知识的全貌。在科学研究过程中，数据分析是非常重要和关键的一步。在现在的学科教育中，大部分学生只会对简单的表格数据进行最基本的分析和处理，而忽略了实验的设计、数据的采集以及更有效的分析探究等过程。“数字科学家”以学生发展为本，重点在于初步培养学生的科学思维方式、数据探究意识，介绍简单、可操作性强的科学分析方法，使学生能本着严谨踏实的态度进行课堂上以及课外的科学研究活动。
《复演伽利略斜面实验》是“数字科学家”高中选修课程的第一单元第二节的内容，在此之前，学生已经明确了加速度的概念，本单元重在让学生了解科学研究方法的内涵，并在教师的指导下进行简单的猜想及数据处理，体会加速度在斜面上的应用，并引出自由落体运动。“数字科学家”课程内容涉及物理和信息技术，是对多学科交叉内容教学的大胆尝试。下面通过这节课的教学设计与实施来探讨数据意识和能力的培养问题。
教学设计与实施情况分析
（一）教学目标
本课程在高一年级物理实验班中开展，学生具有较强的动手能力，对科学知识的掌握有一定的广度，但缺乏深度探究；曾开展过简单研究性学习，效果良好；对计算机知识掌握程度差异较大，没有进行过系统的数据处理方面的训练。鉴于这些基本条件，这节课的教学目标设定如下。
知识与技能：学会利用爱乐多软件模拟不同材质的接触面对摩擦力大小影响程度的实验、测量加速度大小的实验，了解加速度的概念，了解自由落体的概念，并知道重力加速度的含义；了解爱乐多软件的基本功能，能够用爱乐多软件设计、模拟一些简单的物理实验。
过程与方法：通过小游戏引入摩擦力和重力加速度的概念，能从游戏中得到启发；通过课堂介绍及教师实际操作演示，利用计算机模拟的方式复演伽利略斜面实验，并且对模拟实验中自由落体的加速度大小进行测量和分析，掌握利用计算机模拟实验探讨物理问题的方法。
情感、态度与价值观：激发学生利用计算机模拟实验的兴趣和研究物理的热情，建立科学的思维方式。
（二）教学过程的设计、实施情况分析
在伽利略的时代，曾有人认为自由落体运动中速度与路程成正比，而伽利略认为速度应该与时间成正比，这一结论受当时的实验仪器的限制，无法通过实验验证。于是他在较小倾角的情况下，研究了斜面上物体的滑动，发现其速度与时间成正比，并大胆外推，得出了自由落体运动中速度也与时间成正比的结论。伽利略斜面实验（图1）在物理学史上意义重大，首先，它为随后的一系列实验确立了“实验到理论”的研究范式；其次，其结论直接导致了惯性定律和自由落体规律的研究。
图1 伽利略斜面实验
伽利略斜面实验中的斜面应尽量光滑，因此斜面的材质是实验的一个影响因素，随后将是斜面的角度。因此实验的过程应该包括两个大的步骤：一是寻找尽可能光滑的斜面；二是研究光滑斜面中倾角接近90°的情况。 但是在旨在提高学生数据素养的教学中，仅有这两个步骤是不够的，学生要能够通过数据得到更为丰富的结论。
1.运用爱乐多编写小游戏引出课题并设计实验方案
爱乐多是一款高精度的仿真软件，在课前教师设计了一款小游戏，要求学生控制一个小球从起点到终点，用“ W、S、A、D”字母键控制方向将小球送入斜面最上方的球槽，到达球槽后，停止控制，让球自由滑下，让小球从左到右顺次通过滑道，最终达到终点。不同的学生比较谁用的时间最短。学生在游戏之后，教师如果引导学生用图表功能得到速度-时间图像，就会发现斜面上滚落的小球存在一定的规律。
图2 用爱乐多制作一款斜面游戏引出研究问题
实验发现，所有 1 号的斜面倾角相同，材质不同，能够看出速度-时间图像中斜率有差别，这说明斜面材质是一个影响加速度的因素。另外在 0，1，3，4 号中材质相同倾角不同，速度-时间图像的斜率也不同，这说明倾角是影响加速度的另一因素。接下来，需要定量研究斜面上的小球下滑过程中影响加速度的因素。
2. 不同材质上小球的滑落情况
图 3 是用爱乐多研究伽利略斜面的实验装置。为了尽量光滑，小球的材料选择用冰球，因为冰球不容易变形，并且摩擦系数最小。让其在倾角相同的橡皮、木材、石头、钢铁、黄金材质的接触面上滑下，爱乐多可以自动生成速度-时间图像，该图像的数据可以生成CSV 文件，并用Excel 分析。
图3 不同材质上小球的滑落情况
爱乐多中的图像也可以得到某一点的差分结果，但是数据波动较大，需要通过Excel 中的线性拟合工具来得到速度-时间图像的斜率，线性拟合工具是一种重要的数据分析技巧，用Excel 将原本离散的图像合并，得出了更为丰富的结论，即冰球的加速度与斜面材质有关，冰面上的加速度最大（图4）。
图4 用线性拟合得出不同材质斜面上小球下滑的加速度
3. 不同倾角的冰面上加速度变化情况
在上个实验研究的基础上，我们知道了冰面上的摩擦力最小，接近理想情况，所以在这组实验上我们都用冰面来做研究。让小球从不同倾角的冰面上滚下来，分别从分析的数据（图5）线性拟合可以说明曲线的上升趋势，但是是否能够得到更有意义的函数来描述加速度与斜面倾角的关系呢？这就需要曲线的值化。
4. 曲线的值化
为了找到合适的拟合函数，需要把握规律的特点，实验发现，小球从斜面上滚下的实验具有对称性和周期性的特点，因此猜想加速度与斜面倾角的正弦应该存在对应关系。
图6 伽利略斜面实验中加速度的对称性
接下来，将绘制加速度与斜面倾角正弦的图像，通过线性拟合发现图像所示的曲线值化，即加速度与斜面倾角的正弦成正比。
图 7 加速度与倾角正弦成正比
通过图7 的线性拟合得出，a=9.22m/s2 *sinθ
当θ等于 90°时，a=9.22 m/s2 ，即实验测得的自由落体的加速度为 9.22 m/s2 。这与真实值有出入，还需要在接下来的实验中修正。此外，对a=9.22m/s2 *sinθ这一结论还可以结合牛顿第二定律在接下来的教学中进一步分析，挖掘出更为丰富的结论。
（三）教学反思及后续内容的设计
爱乐多的仿真软件可以迅速地获得验证结论所需的数据，其高度的仿真性，最大程度上接近了真实的实验数据，有利于实验能力特别是数据分析能力的培养，是培养数据素养的重要工具。
课后，我们做了如下几点反思：第一，在课程的设计上，我们以游戏引入，对于学生提高积极性和产生兴趣有很大的帮助，但是也导致学生过于热情，而在课程的安排上花费了太多的时间。所以，在进行这样耗时比较多的引入时，教师要尽量控制好时间的安排，比如，我们可以把游戏的引入换成一个有趣的故事，这样可以节约一定的时间。第二，在数据的处理上，学生的表现存在一定的复杂性，这样有可能导致学生不愿意去完成这个任务。教师最好事先编好一个能够计算的小程序，让学生只要输入数据就能直接计算出结果，这样既能够避免繁琐的计算，又能为课程获取时间，更能让学生把精力放在思考问题而不是复杂的计算上。第三，应该留下时间让学生去猜想、思考，不要把预设的结论给得太早，导致学生思考不成熟。
对本节课的结论可以做以下推广。
更改环境变量：在爱乐多软件中，把g改成 2g 或者改成 0.5g，再次做这个实验，我们会得到一个什么样的数据呢？
创设新的实验情境：我们可以在爱乐多软件中，把所有的斜面连接起来然后显示图标曲线，当小球从不同的材质上通过时观察曲线的变化，了解它们的加速度是怎样变化的情况，为摩擦力的引入提供基础。
发现影响实验的次要因素：当我们改变空气阻力大小和摩擦力大小时，对加速度都有一定的影响，如果将空气阻力取消，将摩擦系数设置为0，我们可以验证能量守恒定律。
最重要的是，应该把爱乐多软件的应用方法交给学生，让学生发挥想象力和创造力，并通过数据分析将游戏中的科学原理“挖掘”出来。
结束语
本课是学生亲自参与科学发现过程并进行科学探究活动的开始，是单学科教育到学科整合的探索。教师将线性拟合、曲线的值化作为重要的发现规律的工具来重点讲解，达到“授之以渔”的目的。从实施过程看，在教师的指导下，学生积极地进行着有意思的数字化的科学探究活动：通过游戏活动引出课题，用高度仿真的物理引擎——爱乐多完成了伽利略斜面实验的研究，得到了比伽利略更为丰富的结论。从实施效果看，学生初步形成了数据探究的意识，掌握了数据处理的方法。本课通过了解含义—设定实验计划—进行实验—处理实验数据—分析实验数据—得到科学结论的过程，目的是使学生形成科学的思维方式，从而能更好地并能独立地进行一系列科学探究活动。本课在实际效果上达到了既定的目标，然而对科学理念的再深化、技术的再熟练还需要进一步开展更有针对性的、更具体的课堂和课外科学探究活动。随着课程的进行，我们希望将学生培养为“对于任何一个感兴趣的问题都能用科学的方法独立开展研究”的数字科学家，并且提高高中物理的学习效率，改进物理学的学习方式。
（作者单位：北京师范大学 北京师范大学 北京景山学校）
