數(shù)字科學(xué)-培養(yǎng)自由探究者

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1、數(shù)字科學(xué):培養(yǎng)自由探究者編者按:STEM教育(ScienceTechnologyEngineeringMathematicsEducation)意指"科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)教育”，是由美國發(fā)起的一項(xiàng)旨在通過提高STEM領(lǐng)域勞動者人數(shù)和受教育者綜合應(yīng)用能力，提高國家人力資源水平繼而提升國家競爭力的計(jì)劃。一直以來，在STEM領(lǐng)域，我國傳統(tǒng)教育既有優(yōu)勢，又有不足，面臨建設(shè)人力資源強(qiáng)國和民族復(fù)興的挑戰(zhàn)，STEM教育不能不引起教育者的足夠重視。從本期開始，我們將連載國內(nèi)各個(gè)地區(qū)、不同學(xué)科和不同學(xué)段的STEM教育優(yōu)秀成果，作為推動STEM教

2、育的第一手資料，供國內(nèi)有識之士參考?！皵?shù)字科學(xué)”是北京景山學(xué)校2008年11月開始的一項(xiàng)校本課程，包括數(shù)字科學(xué)課和與之相關(guān)的科技小組。數(shù)字科學(xué)課在北京景山學(xué)校初一開設(shè)。目前，數(shù)字科學(xué)課程作為北京師范大學(xué)項(xiàng)華副教授主持的北京市“十一五”規(guī)劃課題《數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃：基于數(shù)據(jù)探究的物理選修課程設(shè)計(jì)與嘗試》，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入推廣階段，課題研究的范圍也從物理拓展到信息技術(shù)、通用技術(shù)、綜合實(shí)踐活動等多個(gè)學(xué)科。數(shù)字科學(xué)是一門綜合課程，包含科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)四個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容，這一領(lǐng)域在國際上被稱為STEM教育。數(shù)字科學(xué)課程通過一個(gè)具體的研究性

3、學(xué)習(xí)案例，讓學(xué)生在掌握信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、開發(fā)和制作實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用其中的數(shù)學(xué)原理，得到一個(gè)科學(xué)的結(jié)論，并嘗試用多種不同的形式表達(dá)科學(xué)結(jié)論。數(shù)字科學(xué)期望培養(yǎng)“數(shù)字科學(xué)家”，即培養(yǎng)對任何一個(gè)感興趣的問題，都能用科學(xué)的方法獨(dú)立地開展研究的“自由研究者”。數(shù)字科學(xué)的教學(xué)模式是“數(shù)據(jù)探究”，即通過數(shù)據(jù)的“獲取、存儲、分析、表達(dá)”來實(shí)現(xiàn)結(jié)論的定量化、精確化和理論化。數(shù)字科學(xué)所用到的數(shù)學(xué)知識涉及Hi初中學(xué)生能夠接受的基本數(shù)學(xué)概念，包括:（1）計(jì)數(shù)、求和、平均值、頻數(shù)、百分比。（2）比例式、正比例函數(shù)、正比例鏈。（3）反比例函數(shù)。（4）一般曲

4、線的最大值、最小值、變化趨勢。（5）隨機(jī)現(xiàn)象與概率問題。數(shù)字科學(xué)所用到的軟件平臺有幾何畫板、Excel、WorkingModek仿真物理實(shí)驗(yàn)室、愛樂多，硬件平臺有Ledong板、Stargazer、Arduino板、酷樂宅、MakeyMakey等。下面從課程建設(shè)、教材建設(shè)、教室建設(shè)三個(gè)角度談數(shù)字科學(xué)課程的實(shí)施細(xì)節(jié)。初級必修課程：數(shù)字科學(xué)的建設(shè)1?數(shù)字科學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)本課程的創(chuàng)新點(diǎn)在于，這是一個(gè)系統(tǒng)的基于科學(xué)方法的課程，學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)，提高科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。我們對已實(shí)施了4年的數(shù)字科學(xué)必修課程的內(nèi)

5、容作了更新和深化，并設(shè)計(jì)了高中選修課程，生成了初級版和高級版的兩套教材，以適用于不同學(xué)段和不同能力水平的學(xué)生。下面是初中的教學(xué)計(jì)劃。雙基要求：(1)要求學(xué)生能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)作為學(xué)習(xí)工具，開展STEM學(xué)習(xí)。(2)要求學(xué)生掌握以下基本量的計(jì)算機(jī)測量：次數(shù)、時(shí)間、長度、體積、質(zhì)量和溫度。(3)在技術(shù)層面，要求學(xué)生掌握幾何畫板、ExceLScratch語言，進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分析和表達(dá)。(4)在工程學(xué)方面，要求學(xué)生可以利用身邊簡單的器材完成課本上的實(shí)驗(yàn)，并具備一定的新實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)能力。(5)在數(shù)學(xué)方面，要求學(xué)生能夠理解并用計(jì)算機(jī)完成以下

6、數(shù)據(jù)處理：平均值、百分比、正比例、反比例、繪制曲線和線性擬合。能力培養(yǎng)：(1)培養(yǎng)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)搜索信息并確定研究題目的能力。(2)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)研究性學(xué)習(xí)任務(wù)的能力。(3)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助手段完成數(shù)據(jù)探究的能力。思想教育：(1)科學(xué)觀念：實(shí)驗(yàn)的思想方法，通過實(shí)驗(yàn)找到穩(wěn)定的定量關(guān)系。（2）精確的概念：通過不斷改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，提高測量工具的精度和速度，培養(yǎng)學(xué)生對準(zhǔn)確性的追求。（3）敢于提出問題：通過提高學(xué)生的數(shù)據(jù)探究能力（完成數(shù)據(jù)的獲取、存儲、分析、表達(dá)的能力），提高學(xué)生提出科學(xué)問題的能力和水平。（4）讓學(xué)生認(rèn)識到計(jì)算機(jī)是學(xué)習(xí)

7、的有力工具。2?單元教學(xué)計(jì)劃3?教學(xué)案例：溫度傳感器的標(biāo)定與應(yīng)用溫度傳感器的標(biāo)定與應(yīng)用是一個(gè)具體案例，它體現(xiàn)了數(shù)字科學(xué)課程的一般步驟：引入階段，用Scratch編制互動教學(xué)裝置，引起學(xué)生的興趣（圖1-a）;在數(shù)據(jù)獲取階段，用溫度實(shí)驗(yàn)確定是溫度影響了溫敏電阻的阻值，進(jìn)而控制了飛機(jī)的高度，并設(shè)計(jì)了溫敏電阻的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)（圖1-b）;在數(shù)據(jù)存儲階段，用Scratch測電阻程序?qū)㈦娮?溫度關(guān)系存儲在txt文件中，為了分析的需要，將txt文件導(dǎo)入Excel中，轉(zhuǎn)換了存儲的介質(zhì)；在數(shù)據(jù)分析階段，用Excel擬合得到電阻-溫度曲線，并反解得到溫度-

8、電阻曲線（圖1-c）;在數(shù)據(jù)表達(dá)階段，用Scratch程序應(yīng)用溫度-電阻曲線制作數(shù)字式溫度計(jì)，并將其與酒精溫度計(jì)比較，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性（圖1-d）6在這個(gè)過程中，學(xué)生尋求要研究的數(shù)據(jù)、找到獲得數(shù)據(jù)的方法、用計(jì)算機(jī)分析大量數(shù)據(jù)、通過擬合求得數(shù)據(jù)的關(guān)系、挖