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使用传感器与数据流-数学
使用传感器与“数据流”做科学,做数学
--- 关于在可移动数字实验室 (MD - Lab)的环境下开发新课程资源的研究
王长沛 cp_wang4092@ 2007-2-23
摘要 数据流是由传感器、数据转换器与图形计算器构成的,可看作是可移动的“数学与科学”实验室。它是对CBL 系统的进一步发展。它不仅使数据采集过程更方便,更具有强大的数据处理功能。它不仅让学生能“看到” 数学,而且能对图形与数据进行更灵活的转化。本文以对日光灯的闪烁的探究为例,说明了数据流的这些功能。笔者认为,数据流不仅为学生探究广泛联系实际的数学提供了支持,也使学生直接用数学来组织对自然现象的探究提供了可能。因此数据流也可能对科学课程,特别是综合理科课程,产生意义十分深远的影响。
前言
我们所生活的“物质” 世界是数据的世界。我们被各种数据包围着,而这些数据总在不断的变化着、流动着!我们能“看见”这些数据吗?如何捕捉这些不停流动的数据?我们能从“数据的河流” 中,随时“舀” 起一“瓢”来进行分析吗?
“数据流” 给出了肯定的答案。首先,传感器技术的出现改变了我们采集自然现象的数据的方式。而数据转换器
数据流:传感器+ 数据库+ 图形计算器 数据流 :软件
近期引起广泛注意数据流与一般的数据在于它的快速,无界,时变和不可预测的 ……,这些发生在学生身边的各种现象,本身就充满着丰富而有趣的规律。重视把贴近学生现实的材料作为课程的素材,既是新课程(几乎涉及各学科)的重要特点之一,也是其核心理念的具体表达。近年来,一个十分活跃的领域便是:将来自学生日常生活的素材,加工为(不同)学科的教学材料。这些材料涉及教学过程的各阶段,包括课堂教学的活动内容,研究性学习的研究题材,乃至升学考试的题材。恰当使用“贴近学生的生活的材料”,有诸多理由。经过国内外数十年来的实践,我们对这些理由的认识也更为全面与深入,例如:
能为学生建构“理解”提供理想的载体;
有助于学生建立广泛“联系” 的,“整体化”的认知结构;
更好的反映各学科(如数学)的本质,包括数学化等重要的数学思想;
有助于激发学生对学习的兴趣与探究精神。
于是我们自然会问:如何把这些 “原始材料” 加工为课程(如数学)的材料?来自现实的事件只是原始的材料,要用作某门具体课程(如数学) 的材料,我们会面对许多选择。
日光灯的闪烁,木片的震颤,…是学生再熟悉不过的现象,但它本身并没有“标签”。 是把这些原始材料直接呈现给学生,或者对之进行不同程度的“加工”, 使之服务于特定教学需要?这涉及到一系列的问题:学科领域的思想方法的考虑;教学目标与教学方式的考虑;学生需要的考虑,乃至其他社会环境因素的考虑等等。同一事件往往涉及众多学科。例如,对于日光灯的闪烁,我们可以从数学(或其他学科)的角度,来组织所看到的现象。更具体些,我们可以期望学生选择用函数的思想方法进行组织。而同样的素材,我们也可从物理的角度来组织。例如,期望学生用“电流” 有关的系统来组织同样的材料。即使选定了用函数来组织对日光灯的闪烁现象,进行探究,仍然需要进行更精细的加工。总之,我们的期望是,使学生能够超越“原始材料”,从看似杂乱,充满“噪音”的事件中,观察到 某种有意义的结构、看到某种样式,并以此作为构造知识体系的起点,或者问题解决的题材。
但是从实践层面却提出了一个关键问题:学生能“看见” 吗?他们能观察到那些隐藏在日常事件中的规律、样式或结构吗?我们不得不遇到来自“技术” 层面的障碍:
对于许多的自然现象,由于感知的敏感程度与感受方式的局限性,我们的学生往往“看不见” 那些隐藏着的规律。例如,你也许能感受到日光灯的闪烁,但却“看不到” 这种闪烁的“程度”。我们尝试发出声音A,能感觉到声带的震颤,但却看不到自己发出的声音的波动特征…。
即使看到了,但感知的局限性使学生无法进行更精细与比较分析。例如,对于日光灯的闪烁,我们想要发现这种光的“震荡” 现象与电流变化之间的关系。而这些分析往往受到
“效率” 的限制。“原始材料” 的复杂性,往往使学生要处理许多“细节”,从而无法集中精力于那些“有价值的”思想与规律的探究上。特别是课时等因素的制约。
以上所列举的一些障碍大大束缚了我们的选择范围。虽然学生周边的事件本身就是课程的宝贵的素材,但是他们却“看不太见”。这是一个问题?
(二) 数据流:帮助你看见
什么是数据流?本文一开始就作了说明:这里所说的“数据流” 特指由传感器,数据库与图形计算器等三个机件连接而成的一套系统。该系统不仅集采集外部世界的数据,处理数据与呈现处理结果于一身,并能更加自由的,多角度的,多层面的分析处理数据。
“数据流” 与图形计算器的结
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