資源簡介

知識(shí)與智慧
學(xué)習(xí)目標(biāo)??
1.體驗(yàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)過程，熟練運(yùn)用數(shù)字化工具收集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。
2.理解數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)的相互關(guān)系。
3.認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憽?
學(xué)習(xí)內(nèi)容
在人類的生產(chǎn)、生活和研究活動(dòng)中，人們會(huì)不斷學(xué)習(xí)、總結(jié)、發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)自然、探究規(guī)律的方法。“做實(shí)驗(yàn)→獲取觀察數(shù)據(jù)→分析處理數(shù)據(jù)→推理建立數(shù)學(xué)模型→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型→形成知識(shí)→應(yīng)用知識(shí)解決問題”是一條非常有效的知識(shí)發(fā)現(xiàn)路徑。
知識(shí)2
知識(shí)是人們運(yùn)用大腦對(duì)獲取或積累的信息進(jìn)行系統(tǒng)化地提煉、研究和分析的結(jié)果，能夠精確地反映事物的本質(zhì)。它來源于實(shí)踐，經(jīng)過加工提煉，又高于實(shí)踐。
實(shí)驗(yàn)
歐姆在研究電流與電壓、電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)利用了控制變量法，即保持電壓不變，探究電流和電阻的關(guān)系；或保持電阻不變，探究電流和電壓的關(guān)系。
下面我們運(yùn)用Python工具，利用控制變量法采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究當(dāng)導(dǎo)體電壓保持不變時(shí)，通過導(dǎo)體的電流隨導(dǎo)體電阻變化的規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)儀器;
電壓表、電流表、電池、開關(guān)、導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器和10個(gè)不同阻值的電阻。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
（1）收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
①連接電路圖如右圖所示。連接電路時(shí)注意：接線時(shí)開關(guān)要斷開；閉合開關(guān)前，滑動(dòng)變阻器的滑片要滑到最大阻值處。
②把電阻 R1（記下阻值）接入電路，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，使電壓表示數(shù)U=3 V，記錄電流表示數(shù) I1。
③把電阻 R1 換成電阻 R2（記下阻值），再次移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片使電壓表示數(shù)U=3 V，記錄電流表示數(shù) I2。
④如此類推，把電阻 R9 換成電阻 R10，再次移動(dòng)滑片使電壓表示數(shù)U=3 V，記錄電流表示數(shù) I10。
所得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2-2所示。
（2）運(yùn)用Python工具處理數(shù)據(jù)，繪制圖像。
①繪制散點(diǎn)圖。把表2-2中的數(shù)據(jù)輸入Python繪制散點(diǎn)圖程序（程序如圖中所示）中，執(zhí)行程序后得到如下圖所示的電流 I 與電阻 R 關(guān)系數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖。
②在“繪制散點(diǎn)圖”程序中加上指令“plt.plot（x0,y0）”，執(zhí)行程序后，得到如下圖所示的電流 I 與電阻 R 關(guān)系數(shù)據(jù)曲線圖。
③觀察電流 I 與電阻 R 關(guān)系數(shù)據(jù)曲線圖后，猜想電流 I 與電阻 R 的關(guān)系是反比例關(guān)系，于是按 I =U÷R的關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)作曲線擬合。利用曲線擬合程序，執(zhí)行后得到如下圖所示的電流I與電阻R關(guān)系數(shù)據(jù)曲線擬合圖。其中，U=2905.67607341 mV與電壓表的示數(shù)基本吻合， 即 ：I =2905.67÷R
④經(jīng)過推理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電流 I 與電阻 R 反比例關(guān)系成立，即I =U÷R。
從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、建模和驗(yàn)證過程可以知道，知識(shí)的發(fā)現(xiàn)不僅可以通過實(shí)驗(yàn)、觀察和總結(jié)為特征的方法獲取，還可以通過直接觀察獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，獲得知識(shí)。
智慧
在日常生活中，我們要調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度、電視機(jī)音量的大小，都要應(yīng)用歐姆定律的知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)可變電阻，去調(diào)節(jié)它們的變化。
探究與應(yīng)用歐姆定律，揭示了數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧的相互關(guān)系(圖2-8)；數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)世界客觀事物的符號(hào)記錄；信息是經(jīng)加工處理的、具有意義的數(shù)據(jù)；知識(shí)是人們運(yùn)用大腦對(duì)獲取或積累的信息進(jìn)行系統(tǒng)化地提煉、研究和分析的結(jié)果，能夠精確地反映事物的本質(zhì)；智慧是為了達(dá)到預(yù)定目標(biāo)而運(yùn)用知識(shí)解決問題的創(chuàng)新思維能力。
數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧是逐漸遞進(jìn)的概念，前者是后者的基礎(chǔ)和前提，后者是前者的抽象與升華。從數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)化，主要理解數(shù)據(jù)間的相互聯(lián)系；從信息到知識(shí)的轉(zhuǎn)化，主要理解信息間的相互聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)和抽象其規(guī)律；從知識(shí)到智慧的轉(zhuǎn)化，主要理解和應(yīng)用知識(shí)原理與法則解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。
科學(xué)研究的第三種方法—計(jì)算方法
科學(xué)研究主要依靠理論方法和實(shí)驗(yàn)方法。理論方法是指以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表，以推理和演繹為特征的方法。研究人員通過構(gòu)建分析模型和理論推導(dǎo)進(jìn)行規(guī)律預(yù)測與發(fā)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)方法是指以物理學(xué)科為代表，以實(shí)驗(yàn)、觀察和總結(jié)為特征的方法。研究人員通過直接觀察獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，獲得知識(shí)。
隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，現(xiàn)實(shí)世界的各種事物都變得可感知、可度量，從而生成數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)群，基于龐大數(shù)據(jù)形成的仿真系統(tǒng)成為可能。因此，依靠計(jì)算發(fā)現(xiàn)和預(yù)測規(guī)律成為與理論方法和實(shí)驗(yàn)方法并存的科學(xué)研究的第三種方法。研究人員通過建立仿真的分析模型和有效的算法，利用計(jì)算工具來進(jìn)行規(guī)律發(fā)現(xiàn)和預(yù)測。
依靠計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)和預(yù)測規(guī)律已成為不同學(xué)科的科學(xué)家進(jìn)行研究的重要方法。例如，生物學(xué)家利用計(jì)算方法研究生命體的特性，化學(xué)家利用計(jì)算方法研究化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，建筑學(xué)家利用計(jì)算方法來研究建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，社會(huì)學(xué)家利用計(jì)算方法研究社會(huì)群體網(wǎng)絡(luò)的各種特性等。
由此，計(jì)算方法與各學(xué)科結(jié)合形成了所謂的計(jì)算科學(xué)，如計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)等。著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)家、1972年圖靈獎(jiǎng)得主 Edsger Dijkstra：說：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻影響著我們的思維能力。”
研究人員在利用計(jì)算方法進(jìn)行創(chuàng)新研究的同時(shí)，也在不斷地研究新型的計(jì)算方法。這種結(jié)合不同專業(yè)的新型計(jì)算方法的研究需要專業(yè)知識(shí)與計(jì)算思維的結(jié)合。1998年，John Pople便因成功地研究出量子化學(xué)綜合軟件包 Gaussian而獲得諾貝爾獎(jiǎng)， Gaussian已成為研究化學(xué)領(lǐng)域許多課題的重要的計(jì)算方法。另一個(gè)典型的計(jì)算方法是求解應(yīng)力或疲勞等結(jié)構(gòu)力學(xué)、多物理場耦合的有限元分析方法。利用先進(jìn)的計(jì)算方法的虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)也在各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造出令人驚喜的視覺效果。

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