2.1 知识与智慧 学案

知识与智慧
学习目标??
1.体验数字化学习过程，熟练运用数字化工具收集和储存数据。
2.理解数据、信息与知识的相互关系。
3.认识到数据对人们日常生活的影响。
学习内容
在人类的生产、生活和研究活动中，人们会不断学习、总结、发现认识自然、探究规律的方法。“做实验→获取观察数据→分析处理数据→推理建立数学模型→实验验证模型→形成知识→应用知识解决问题”是一条非常有效的知识发现路径。
知识2
知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质。它来源于实践，经过加工提炼，又高于实践。
实验
欧姆在研究电流与电压、电阻关系的实验利用了控制变量法，即保持电压不变，探究电流和电阻的关系；或保持电阻不变，探究电流和电压的关系。
下面我们运用Python工具，利用控制变量法采集实验数据，研究当导体电压保持不变时，通过导体的电流随导体电阻变化的规律。
实验仪器;
电压表、电流表、电池、开关、导线、滑动变阻器和10个不同阻值的电阻。
2.实验步骤
（1）收集实验数据
①连接电路图如右图所示。连接电路时注意：接线时开关要断开；闭合开关前，滑动变阻器的滑片要滑到最大阻值处。
②把电阻 R1（记下阻值）接入电路，移动滑动变阻器的滑片，使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I1。
③把电阻 R1 换成电阻 R2（记下阻值），再次移动滑动变阻器的滑片使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I2。
④如此类推，把电阻 R9 换成电阻 R10，再次移动滑片使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I10。
所得到实验数据如表2-2所示。
（2）运用Python工具处理数据，绘制图像。
①绘制散点图。把表2-2中的数据输入Python绘制散点图程序（程序如图中所示）中，执行程序后得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据散点图。
②在“绘制散点图”程序中加上指令“plt.plot（x0,y0）”，执行程序后，得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图。
③观察电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图后，猜想电流 I 与电阻 R 的关系是反比例关系，于是按 I =U÷R的关系对数据作曲线拟合。利用曲线拟合程序，执行后得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据曲线拟合图。其中，U=2905.67607341 mV与电压表的示数基本吻合， 即 ：I =2905.67÷R
④经过推理和实验验证，电流 I 与电阻 R 反比例关系成立，即I =U÷R。
从以上实验数据的采集、分析、建模和验证过程可以知道，知识的发现不仅可以通过实验、观察和总结为特征的方法获取，还可以通过直接观察获取数据，对数据进行分析，进而发现规律，获得知识。
智慧
在日常生活中，我们要调节台灯的亮度、电视机音量的大小，都要应用欧姆定律的知识，设计一个可变电阻，去调节它们的变化。
探究与应用欧姆定律，揭示了数据、信息、知识和智慧的相互关系(图2-8)；数据是现实世界客观事物的符号记录；信息是经加工处理的、具有意义的数据；知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质；智慧是为了达到预定目标而运用知识解决问题的创新思维能力。
数据、信息、知识和智慧是逐渐递进的概念，前者是后者的基础和前提，后者是前者的抽象与升华。从数据到信息的转化，主要理解数据间的相互联系；从信息到知识的转化，主要理解信息间的相互联系，发现和抽象其规律；从知识到智慧的转化，主要理解和应用知识原理与法则解决现实世界的问题。
科学研究的第三种方法—计算方法
科学研究主要依靠理论方法和实验方法。理论方法是指以数学学科为代表，以推理和演绎为特征的方法。研究人员通过构建分析模型和理论推导进行规律预测与发现。实验方法是指以物理学科为代表，以实验、观察和总结为特征的方法。研究人员通过直接观察获取数据，对数据进行分析，进而发现规律，获得知识。
随着移动互联网和物联网的飞速发展，现实世界的各种事物都变得可感知、可度量，从而生成数量庞大的数据或数据群，基于庞大数据形成的仿真系统成为可能。因此，依靠计算发现和预测规律成为与理论方法和实验方法并存的科学研究的第三种方法。研究人员通过建立仿真的分析模型和有效的算法，利用计算工具来进行规律发现和预测。
依靠计算方法发现和预测规律已成为不同学科的科学家进行研究的重要方法。例如，生物学家利用计算方法研究生命体的特性，化学家利用计算方法研究化学反应的机理，建筑学家利用计算方法来研究建筑结构的抗震性，社会学家利用计算方法研究社会群体网络的各种特性等。
由此，计算方法与各学科结合形成了所谓的计算科学，如计算物理学、计算化学、计算生物学、计算经济学等。著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主 Edsger Dijkstra：说：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也深刻影响着我们的思维能力。”
研究人员在利用计算方法进行创新研究的同时，也在不断地研究新型的计算方法。这种结合不同专业的新型计算方法的研究需要专业知识与计算思维的结合。1998年，John Pople便因成功地研究出量子化学综合软件包 Gaussian而获得诺贝尔奖， Gaussian已成为研究化学领域许多课题的重要的计算方法。另一个典型的计算方法是求解应力或疲劳等结构力学、多物理场耦合的有限元分析方法。利用先进的计算方法的虚拟现实、增强现实等技术也在各个领域创造出令人惊喜的视觉效果。