大数据时代下中学物理教育量化分析的应用与探索

摘要：数据科学不仅在前沿的物理研究领域得到了广泛的应用，而且在基础物理教学中也能够发挥举足轻重的作用。如果能够熟练应用数据科学的武器，在激发学生学习兴趣及引导学生做科學探究方面就都能够事半功倍。

关键词：数据科学；物理实验；Excel；大数据；统计；线性拟合

身处大数据时代，数据科学成为一门新的学科，而数据科学家也成为一种新兴的职业，越来越多的行业和领域要与大数据打交道，要依靠数据科学家的分析去做决策。数据科学不仅仅能使用机器学习，数据挖掘等技术，通过大量数据的分析，找出隐藏在大量数据背后对的规律，为决策者提供相应的数据支持；其实，将数据科学的部分分析方法应用到初高中的物理教学中，也会起到意想不到的效果，不仅能让物理教学更贴近物理研究的本质，而且还能引导学生进行相关的物理课题研讨，对学生的能力培养能起到事半功倍的作用。在具体教学过程中，我通过相关的实践得到了很好的效果。

数据科学已经在各个物理领域中得到了广泛的应用。比如利用数据科学的软件及方法，一名普通的物理系学生通过研究美国激光干涉引力波天文台公布的数据，也可以发现引力波的存在；通过对超新星数据的分析，能够清晰地看出宇宙的膨胀在加速，而且也能分析出暗能量的存在。但这些对普通的物理老师来说却并非易事，而且跟初、高中的物理教学也联系并不密切。所以很多物理老师往往一听数据科学就犯了难：我又不是数据科学家，我如何来使用数据分析软件来辅助教学。诚然，数据科学有很多相关的软件， 比如R、SAS等，一般都需要使用者有相关的编程经验及统计知识才能熟练应用。但其实还有一款绝大多数老师都经常使用的数据科学软件，只要进行简单的学习，相信绝大多数人都可以熟练应用，这就是微软公司的Excel。Excel可能不少老师在使用，但往往局限于学生成绩统计及分析，更多更深层次的使用并没有开发出来。其实，Excel作为一款强大的数据处理软件，具备了常用的数据处理功能，如果能在教学中恰如其分的使用，就能够将教学过程中枯燥无味的一些知识讲得更加清晰而深刻，而且对激发学生学习兴趣，引导学生自主探究都能起到举足轻重的作用。这样一来，就能将数据科学的分析方法与物理教学充分的结合在一起，对培养学生的创造性思维将带来重要影响。

物理是一门实验科学，所有的物理理论都是有相应的观察和实验来验证的。比如历史上著名的万有引力定律的提出过程就充分证明了这一点。当牛顿思考行星绕着太阳运动的原因时，苹果的偶然落地引起了他的遐想：拉住月球使它围绕地球运动的力有没有可能跟使苹果落地的力是一种力？就像行星围绕太阳运动一样，宇宙中的所有这些力跟地球施加在苹果上的力是一样的？这个想法的正确性需要事实来检验。即便牛顿做了著名的月地检验，利用当时精确测量出的重力加速度、月地距离，月球公转周期等数据很好的证实了他的猜想，但依然很多人对此持有怀疑态度，直到根据万有引力定律预测并成功发现了海王星，才彻底打消了人们的疑虑。同样，物理教学也离不开实验教学，而实验数据的处理也不能局限于简单的多次测量求平均这样的方法。Excel中提供了拟合功能，可以很好的找到两个物理量之间的关系，并给出具体的表达式，这对学生学习科学的处理实验数据是一种很好的引导。以测量弹簧的劲度系数为例，传统的处理数据的方式是多次测量求平均， 或利用坐标纸画图。坐标纸画图的方式不仅费时费力，而且误差较大；而改用Excel处理之后，很简单就可以得到我们需要的数据。我们仅仅需要采集好实验数据，利用该软件画出拉力与弹簧长度的关系图像，采用线性拟合的功能找到最好的拟合线，并且Excel还可以直接给出斜率，也就是我们要的劲度系数。不仅如此，我们还可以进行各种拟合，比如探究平抛运动的规律，自由落体规律等等，利用传感器采集数据之后，都可以将相应的数据导入到Excel里面，利用拟合功能，找出水平位移、竖直位移与时间的关系，进而找到相应的规律。这些数据处理不仅更贴合真实的物理实验探究，而且对培养学生采集实验数据，处理数据的能力都不无裨益。

在物理学科的教学中有大量的演示实验、学生实验及自主探究实验，其中有相当多的实验需要学生采集数据，对数据进行分析，进而验证规律或完成相关物理量的测量。数据处理分析能力是一个学生能否具备必要的实验操作技能中很重要的一环，尤其是当要求学生需要自主探究的时候。Excel自带的画图、统计、运算等等功能，不仅大大简化学生的运算，节约了时间，甚至为学生利用数据分析建立自己的经验公式提供了可能，这些都是传统简单的数据处理所无法给予的。另外，初高中阶段学生接触的大多数物理规律虽然很简单，但是学生通过采集数据，分析、归纳数据，得出结论这样整个研究过程的学习之后，自然就加深了对规律的理解，更加深了对物理研究方法的理解，使学生能够更多的透过物理现象抓住本质。再者，初高中阶段的多数物理规律都可以用公式表示出来。如果我们通过Excel的画图等功能把这些规律用图像的形式展示出来，同样会加深学生对规律的理解，数形结合更利于学生对规律的把握和应用。

利用数据科学的相关软件将物理规律可视化，将物理探究的过程向学生展现出来，这可能成为物理教学的一大发展趋势。作为一名物理教师，我们可以进行的相关研究还有很多。

参考文献：

[1]徐子沛.大数据变革[M].南宁：广西师范大学出版社，2012.

2.Emerging technologies in physics education -- Zosia A. C. Krusberg Mar 24 2007

3.大数据背景下的高中物理教学—论文网 2016-11-18

作者简介：

田鹏（1979.7- ），男， 汉族，山东淄博人，硕士，高级教师，通讯邮箱：rdfztianpeng@gmail.com.