用望遠鏡觀測星星已經過時了！今天的天文學家更有可能利用網絡：數(shù)字調度觀測，遠程控制位于沙漠中的望遠鏡，下載相關的觀察結果，然后利用計算機進行分析。對于許多天文學家來說，科學的第一步是在計算機上分析這些數(shù)據(jù)。這可能聽起來像一個流行語，但數(shù)據(jù)驅動的科學是天文學領域深刻轉變的重要一步。
2015年澳大利亞科學院（Australian Academy of Science）的研究報告指出，澳大利亞500多名專業(yè)的天文學家中，至少有四分之一從事計算性質的研究工作。然而，許多高中和大學的科學、技術和工程學科仍然把這些必要的技能作為次等重要的科目。
通過模擬可以對世界進行建模，并對觀測數(shù)據(jù)進行探索分析。計算不僅僅包括天文學，計算是一系列的科學，包括生物信息學、計算語言學以及粒子物理學。為了培養(yǎng)接班人，我們必須開發(fā)新的教學方法，將數(shù)據(jù)驅動和計算方法視為當代研究的重要工具。
科學大數(shù)據(jù)時代
17世紀的偉大的經驗主義者認為，如果用感官來收集盡可能多的數(shù)據(jù)，我們將最終了解整個世界。雖然經驗科學有著悠久的歷史，但是傳統(tǒng)的方法與今天的數(shù)據(jù)驅動的科學之間存在一些關鍵性的區(qū)別。
目前可能產生改變的是計算機收集的數(shù)據(jù)量，這促使哲學發(fā)生了改變：收集數(shù)據(jù)服務于許多項目而不僅僅是一個項目，探索和挖掘數(shù)據(jù)的方式使我們能夠“計劃偶然性”。對于尋找新型的天文現(xiàn)象，大數(shù)據(jù)集可能會產生意想不到的結果。例如，天文學家鄧肯·洛里默（DuncanLorimer）發(fā)現(xiàn)了快速無線電脈沖；本科生克萊·奧法（CleoLoi）發(fā)現(xiàn)了地球電離層中的等離子管。
當今的科學研究形式是：許多科學家一起合作，設計能夠一次服務于多種項目的實驗，并測試不同的假設。例如，由南非和澳大利亞建造的平方公里陣列望遠鏡（Square Kilometre Array Telescope）就是一個很好的科學案例。
教育制度亟需改變
科學的經典案例包括阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）的相對論方程式，瑪麗·居里（MarieCurie）在實驗室發(fā)現(xiàn)鐳元素。我們對科學的理解往往是在高中時期形成的，我們在這里學到理論和實驗，并將理論與實踐相結合。
一般來說，實驗科學家測試理論，理論科學家開發(fā)新的方法來解釋實驗結果。然而，計算機很少被提及，許多關鍵技術仍然落后。例如，為了設計合理的實驗，選擇可靠的樣本，科學家需要優(yōu)秀的統(tǒng)計學技能。為了確保數(shù)據(jù)驅動的實驗和探索是嚴格的，科學家們需要掌握足夠的統(tǒng)計學內容。
事實上，為了解決當今時代的問題，科學家還需要開發(fā)計算性思維。這不僅僅是編碼，科學家需要創(chuàng)造性地思考算法，并且使用復雜的技術來挖掘和收集數(shù)據(jù)。即使擁有10,000個核心超級計算機的強大功能，將簡單的算法應用于海量數(shù)據(jù)集仍然是無效的。從計算機科學到更復雜的技術，軟件的運行速度需要提高幾個數(shù)量級，例如，用于匹配天文物體的kd-tree算法。
目前，許多大學已經開設數(shù)據(jù)科學課程和學位，將統(tǒng)計學和計算機科學與科學或商業(yè)相結合。例如，悉尼大學（University of Sydney）副教授塔拉·墨菲（Tara Murphy）推出了一個關于數(shù)據(jù)驅動的天文學在線課程，在天文學的背景下教授數(shù)據(jù)管理和計算機學習等技能。新的澳大利亞數(shù)字技術課程（Australian Curriculum in Digital Technologies）將編碼和計算思維作為第2年教學大綱的一部分。這將開發(fā)學生的重要技能，下一步是將現(xiàn)代方法直接融入科學課堂。
半個多世紀以來，計算一直是科學的重要組成部分，數(shù)據(jù)爆炸正在使其變得更為重要。將計算思維作為科學的一部分，我們可以確保學生們在未來創(chuàng)造偉大的科學發(fā)現(xiàn)。
責編：科普知識網