资源简介

第 1 章 认识数据与大数据
1.3 数据科学与大数据
教学设计
教学背景
信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。当代高速发展的信息科技对全球经济、社会和文化发展起着越来越重要的作用。
义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，为高中阶段信息技术课程的学习奠定基础。信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。
教材分析
本节课的教学内容选自人教/地图出版社第1章1.3 数据科学与大数据，信息技术的发展与普及为我们创造了一个全新的数字化生活环境。它们在给我们带来生活便利的同时，也在逐渐地改变着我们的生活方式。
学情分析
此节课针对的对象是高一年级的学生，学生对信息技术的关键技术以及信息技术对生活与学习的影响有一定的了解，但对所学内容只是体验性和经验性的认识。
教学目标
1.认识数据科学，体验大数据对学习、生活和社会发展的影响。
2.了解大数据在社会各领域中的应用，感受大数据在社会变革中的作用。
教学重点与难点
理解大数据在社会各领域中的应用。
教学方法与教学手段
案例分析法、讲授法、任务驱动法。
教学过程
问题导入
提出问题，引发思考：
在日常生活和学习中试说明大数据与传统意义上的数据的区别。
　　体验探索
体验大数据
大数据技术的广泛应用，正在悄然改变着我们的生活。有网站利用电子地图的定位功能进行大数据计算与分析，并采用可视化呈现方式，反映人口流动的轨迹与特征。通过它可以了解当前及过往时间段内，全国及各省、市的人口流动情况，以便直观地确定流入人口的来源和流出人口的去向。图 1.3.1 （参见教材P25）呈现的是某日迁入或迁出北京的人口数据情况。这种利用大数据技术生成的可视化地图可以为交通部门制定政策、提升服务质量提供参考，也可以为百姓生活、企业生产等提供参考，从而实现更大的社会价值。
选择一座城市，通过网站了解与其有关的人口迁入和迁出的热点城市分别有哪些。
思考：
1. 试分析这些人口流入和流出的热点城市有何关联？从中有何发现？
2.“迁徙”地图中的数据是如何获取的？数据量会有多大？试说明大数据与传统意义上的数据的区别。
数据科学的兴起
互联网、智能终端和行业信息化的快速发展推动了社会数据量的迅速增长。海量数据引发了人们对数据研究思路和方法的转变与飞跃，数据科学成了一个新兴的研究领域。
思考活动
数据与科学发现
在人类文明的历史长河中有很多重要的科学发现。伽利略通过望远镜观测到木星的 4 颗卫星，为“日心说”找到了证据；居里夫妇在科学实验过程中发现了放射性元素钋和镭；某科学合作组织利用激光干涉引力波天文台探测装置获取的大数据首次发现引力波。
查阅资料，小组讨论上述科学发现在所使用工具、方法上的异同，分析数据在这些发现过程中所起的作用。
人类认识世界的方式多种多样，人们可以通过观察、感知的方式分析自然现象，寻求其中的发展规律；可以通过实验探究的方式研究问题，对问题假设进行验证和判定。如今数据科学为人们提供了认识事物的新方法。例如，科学家通过信息技术工具采集来自太空的相关数据，并及时对它们进行处理，成功探测到引力波的存在。再如，水利部门通过长期收集和分析河流的水流量，就可以预测未来水量的变化。
计算机技术的革新提升了人们处理数据的能力，在计算机的帮助下，人们可以通过多样的计算方式和应用软件快速地处理数据。我国制造的“神威·太湖之光”巨型计算机（图 1.3.2）（参见教材P26），峰值运算速度达到了每秒 12.54 亿亿次 ，大大提升了数据处理的速度。
物联网传感器、智能终端的广泛应用，产生和传播着大量的数据，它包括了人们发布的文本、图像、音频和视频等文件，也包括了人们在上网过程中所产生的浏览日志、点击流量，还包括通过传感器所采集的声、光和温度等数据。计算工具的革新、数据量的持续增长推动了数据科学的发展。
如今，数据科学既包括对数据本身的研究，又包括为社会各个领域的发展提供了管理和研究的新思路和新方法。因此，生活在信息社会，就需要学习一些数据知识，掌握数据处理方法，挖掘数据价值，通过采集、分析和利用数据可以让生活和学习更美好。
阅读拓展
引力波与数据
2017 年的诺贝尔物理学奖颁发给了对引力波研究做出贡献的三位科学家，以表彰他们利用激光干涉引力波天文台探测装置（图 1.3.3）（参见教材P27探测到引力波的存在所做出的重要贡献。引力波的发现是数据技术在科学领域的一个具体应用，捕捉引力波最大的挑战在于其数据的采样频率比较高，超过每秒 16 000 次，采样信道达上万个，数据量特别大，每年至少能采集到 500 TB 的数据。通过这些数据，科学家可以更高效地开展研究。
随着数据采集与处理技术的发展，数据在科学研究中起着越来越重要的作用。
大数据及其应用
信息技术与经济社会的交汇融合引发了数据的迅猛增长，数据已成为国家基础性战略资源，大数据正日益对全球生产、流通、分配、消费活动及经济运行机制、社会生活方式和国家治理能力产生重要影响。
大数据特征
生活在信息社会，数据伴随着每一个人。从人一出生，个人身份数据就会被采录，之后从上学到就业和生活，各种数据不断产生、传送和接收。信息技术飞速发展的今天，人们在利用社交、教育、电商和金融等平台进行交流、学习、购物和理财等活动的过程中，产生了海量的数据，这些数据正在快速流动、急剧增加，深刻影响着人们的生活、学习和工作。例如，体质状况大数据服务于人们的健康；智能交通大数据有利于人们出行；环境资源大数据助力政府决策；教育教学大数据使我们的学习更加个性化。随着研究的不断深入，通常认为大数据具有巨量性、多样性、迅变性和价值性等特征，如图 1.3.4 （参见教材P28）所示。
巨量性
巨量性指数据体量巨大。一旦拥有了事物全部或几乎全部的数据，就在一定程度上提高了数据对事物描述的完整性，这使大数据应用中的全样本分析成为可能。
多样性
多样性指数据种类繁多。大数据包括传统的关系数据，还包含网页、搜索索引、图像、音视频和地理位置等数据。大数据之所以具有如此强的多样性，其主要原因在于：首先，随着互联网的发展，人在上网时，不但会获取数据，还会生成和传播各种数据；其次，各种设备通过网络连成了一个整体。
这些设备也在不停地产生、采集和传递各种各样的数据。在互联网上，人类不仅是网络数据的获取者，也成了数据的制造者和传播者。
迅变性
迅变性指数据生成速度快，而且要求在短时间内处理完毕。只有快速地从庞杂的数据中获取有价值的信息，才能更好地服务于人，而数据量的快速增长对数据处理速度提出了更高的要求。例如，个性化推荐算法会尽可能完成实时推荐；搜索引擎尽快处理网络中最新信息等。
价值性
价值性不仅指大数据能产生价值，更是指大数据所创造的价值密度相对偏低，即庞大的数据量中可能产生价值的只是其中非常小的部分。例如，一段几小时连续不间断的监控视频，可能有使用价值的数据只有事件发生前后的几分钟。
随着人们对大数据认识与应用的深入，大数据也表现出更多样的特征，例如，大数据的真实性越来越为人们所关注，只有高质量和真实的大数据才有助于人们进行预测与抉择。“大数据”与“传统数据”相比不仅在规模上不同，在采集方式，特别是分析方法上也有着明显的差别，包括数据全样本（或近乎全样本）采集、数据实时处理、语义分析和深度学习等。正是由于采用了各种新的数据处理方法和技术，才有可能挖掘出大数据中蕴含的丰富价值。
大数据技术
大数据技术指对巨量数据资源进行采集、提取、存储、分析和表达的技术，一般包括大数据采集、大数据预处理、大数据存储与管理、大数据分析与挖掘及大数据可视化与应用等技术。
大数据采集技术
大数据采集技术通过物联传感、社交网络等方式获得各种类型的海量数据。例如，随着全国各地平安城市项目的大规模推进，视频采集在智能安防领域发挥着越来越重要的作用，很多机场、车站、码头、办公大楼和住宅小区等场所都安装有视频采集系统（图 1.3.5）（参见教材P29）。
大数据预处理技术
大数据预处理技术不仅能提高数据质量、降低数据计算的复杂度，还能降低数据规模、提升数据处理的准确性。例如，社交大数据中有些数据涉及用户的隐私，也可能存在一些异常或错误数据，因此要对这些数据进行预处理，这样才能更好地帮助我们进行后期分析以便获得有价值的信息。
大数据存储与管理技术
大数据存储与管理技术能通过相应的数据中心把采集到的数据存储起来，并进行管理和调用。例如，使用云存储和分布式管理技术能方便且快速地处理巨量的数据，实现大数据应用，如图 1.3.6 （参见教材P30）所示。
大数据分析与挖掘技术
大数据分析与挖掘技术能从规模巨大的数据中，分析并提取出有潜在价值的信息。
例如，我国政府部门开发的“精准扶贫大数据云平台”通过对数据的提取分析，展示贫困人口的致贫原因，深度挖掘数据的价值，为扶贫工作提供真实可靠、及时、全面的决策数据，为实现精准扶贫和精准脱贫保驾护航，如图 1.3.7 （参见教材P30）所示。
大数据可视化与应用技术
大数据可视化与应用技术能将分析或挖掘出来的数据进行直观、形象地呈现，为人们的社会活动提供依据，提高各个领域的运行效率，以发挥出更大的效益。例如，利用手机基站注册数据，不但可以获得居住地的信息，还能了解人口密度。已有数据证明，用手机记录得到的人口数据质量比较高。基于同样原理的景区“大数据客流分析系统”，可以获取游客来源，分析游客密度、景点的人流趋势等，从而为景区智能化管理提供大数据参考，确保景区有序的活动和良好的交通秩序，如图 1.3.8 （参见教材P30）所示。
实践活动
解读导航地图大数据
利用智能手机上的导航地图可以了解即时路况信息，以查找“捷径”顺畅出行，如图 1.3.9 （参见教材P31）所示。
现在的计算机技术已能很方便地将路上车辆的行驶轨迹数据充分利用起来，自动计算出每条道路的实时交通流量。导航地图平台还能根据用户实时上报的交通事件信息，通过大数据平台，将各种信息整合，得出相应的交通路线。
大数据平台综合考虑道路环境、天气情况和节假日等多种因素，基于大数据分析得出每条道路在不同环境或不同时间的路况规律，为交通预测和路径规划提供数据依据。
体验利用导航地图查找出行“捷径”，结合案例，说出其中的大数据从何而来，又是如何处理的。
大数据应用
随着互联网的发展，大数据已经渗透到很多行业，成为重要的生产要素，并通过各行各业的不断创新，逐步为人类创造着更多的价值和财富。
生活服务
目前大数据在生活服务方面的应用较为广泛，通过分析客户的爱好和消费行为及其趋势等，提供更为精准的服务。例如，电商网站会搜集客户的社交数据、浏览器的日志文本及各类传感器采集的数据，通过跟踪分析这些数据，针对客户的个人喜好和消费能力的统计，推荐不同的商品，引导消费，以实现针对客户的个性化服务。随着大数据与人工智能技术的紧密结合，企业以互联网为依托，线上服务、线下体验及现代物流深度融合，这种“新零售”方式正在给人们带来全新的购物体验，如图 1.3.10 （参见教材P31）所示。
智慧城市
大数据可以用来改善城市生活，提升城市管理水平，促进智慧城市的建设。例如，目前很多城市都在进行大数据的分析和应用试点。图 1.3.11 （参见教材P32）是一个城市数据活化实例的简图。数据活化是把隔离的数据变为整体，恢复数据之间的关联性，以突破数据利用的局限。数据采集的工作可由企业进行，数据经过活化后提供给数据中心。开发者利用这些数据开发新的应用提供给不同需求的个人、企业和政府部门，形成了一个新兴的产业。
当智慧城市和产业结合起来，就可以形成健康良性的循环，推动智慧城市的可持续发展。
智慧城市的创建已经成为今后市政规划与建设的重要方向
医疗健康
大数据在医疗健康方面的应用改变了传统的医疗与健康服务模式，提高了服务的针对性（图 1.3.12）（参见教材P32）。例如，健康类应用通过可穿戴设备采集数据，进行分析处理后，为患者提供针对性治疗建议，可让医生的诊断更为精确。通过大数据分析，可能以后服药将不再是通常的“成人每日三次，一次一片”的文字说明，而是自动检测并及时提醒。通过计算机科学与生命科学相结合，可以完成超大样本癌症基因的测序分析，能帮助人们解开疾病成因的秘密，辅助科学家攻克医学领域的难题，将对人们今后的健康与医疗环境产生深远的影响。
社区管理
大数据现在已经被广泛应用到社区管理中，为保护居民安全和维护公众利益发挥着越来越重要的作用，如图 1.3.13 （参见教材P33）所示。例如，智能社区在辖区内的场所安装烟雾、水压和有害气体等监测传感器，当监控场所存在安全隐患时，报警装置会及时发出警报，数据将直接传输到社区的大数据平台，并第一时间采取相应措施，如通知附近的消防队，对火灾等安全隐患做到早发现、早预警、早扑灭。同时，诸如报警信息等数据还将传送到移动执法终端，方便安全巡查人员随时了解监控场所的动态，以便他们及时监督整改。此外，利用大数据平台或工具，有关部门还可以监控公共场所的活动秩序，协助搜捕犯罪嫌疑人等。总之，大数据的合理应用可以使我们的生活变得更安全。
大数据作为一种重要的资源，它在推动经济发展、完善国家治理、提升政府服务和监管能力等方面具有重要意义。为了更好地发挥大数据的价值，就需要建立“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的管理机制，以实现基于数据的科学决策。
大数据深刻改变着人类的思维、学习、生活和生产方式，引领着生活新变化，孕育着发展新思路。大数据涉及每个人、每个企业，乃至整个国家。随着我国大数据战略的实施，基于大数据的智慧生活、智慧企业、智慧城市将会越来越普及。
实践活动
了解年度“热词”有多热
国家语言资源监测语料库的专家团队利用语言信息处理技术，根据词语出现的频次，结合人工提取、筛选后，评选出年度中国十大“热词”，以展示当年中国主要的关注点和语言特点。借助一些大数据平台的指数分析功能，可以研究关键词搜索的趋势，洞察使用者的兴趣和需求变化，监测媒体及舆情动向等。
1. 尝试将你所了解到的“热词”作为关键词，通过某一大数据平台的指数分析功能进行检索，如图 1.3.14 （参见教材P34）所示，并进行指数趋势研究，并填写表 1.3.1。
表 1.3.1 大数据应用体验
关键词 搜索指数最高的出现日期 搜索指数的最高值
2. 添加合适的对比词，体验该平台指数分析功能的大数据应用，了解其可视化分析结果。
3. 实践延伸：在互联网上，已经有很多大数据平台，你还知道哪些？
如何应用这些平台来支持你的生活和学习？
　　了解与体质健康相关的大数据应用，完成多媒体作品
项目实施
一、项目活动
1. 了解与体质健康主题相关的大数据应用，收集并整理加工相关的文字、图像和音视频素材。
2. 基于之前完成的素材准备和技术准备，结合大数据特征，提出基于大数据的体质健康新方法，完善项目的多媒体作品并在全班交流。
二、项目检查
在“体质数据促健康”项目中，小组展示结合大数据特征的项目作品，并完成各组互评。
课后作业
练习提升
1. 在我国很多城市共享单车成为解决短距离出行不便问题的新选择。试分析这个典型的“互联网 +”应用中，大数据的采集是如何实现的，又是如何存储和传输的。
2. 阅读分析。
大数据对人类社会的影响是全方位的。它改变的不仅仅是信息生产力，更是信息生产关系；不仅是知识生产和传播的内容，更是其生产与传播方式。以互联网为代表的媒介技术颠覆了印刷时代的知识生产与传播方式。
新媒体技术改写了静态、单向、线性的知识生产格局，改变了自上而下的知识传播模式。在这个时代，我们的知识生产若再固守印刷时代的知识生产理念，沿袭此前的知识生产方式，就会被远远地甩在时代后面。
（节选自 2013 年 2 月 22 日《文汇读书周报》，有删改）
在小组研讨的基础上，试分析大数据与互联网的关系，讨论如何更好地应用大数据。
板书设计
1.3 数据科学与大数据
1.数据科学的兴起
2 大数据及其应用
大数据特征
大数据技术
大数据应用
普通高中教科书
信息技术　必 修 1　数据与计算
编著
人民教育出版衬课程教材研究所信息技术课程教材研究开发中心
中国地图出版社教材出版分社
总 主 编 ：祝智庭 樊 磊
副总主编 ：高淑印 郭 芳 李 锋
本册主编 ：李 锋 高淑印
编写人员 ：程建娜 刘姝弘 夏燕萍 王 岚 史弘文

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