数字科学-培养自由探究者

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1、数字科学:培养自由探究者编者按:STEM教育(ScienceTechnologyEngineeringMathematicsEducation)意指"科学、技术、工程学、数学教育”，是由美国发起的一项旨在通过提高STEM领域劳动者人数和受教育者综合应用能力，提高国家人力资源水平继而提升国家竞争力的计划。一直以来，在STEM领域，我国传统教育既有优势，又有不足，面临建设人力资源强国和民族复兴的挑战，STEM教育不能不引起教育者的足够重视。从本期开始，我们将连载国内各个地区、不同学科和不同学段的STEM教育优秀成果，作为推动STEM教

2、育的第一手资料，供国内有识之士参考。“数字科学”是北京景山学校2008年11月开始的一项校本课程，包括数字科学课和与之相关的科技小组。数字科学课在北京景山学校初一开设。目前，数字科学课程作为北京师范大学项华副教授主持的北京市“十一五”规划课题《数字科学家计划：基于数据探究的物理选修课程设计与尝试》，已经从实验阶段进入推广阶段，课题研究的范围也从物理拓展到信息技术、通用技术、综合实践活动等多个学科。数字科学是一门综合课程，包含科学、技术、工程学和数学四个领域的内容，这一领域在国际上被称为STEM教育。数字科学课程通过一个具体的研究性

3、学习案例，让学生在掌握信息技术的基础上，设计、开发和制作实验装置，应用其中的数学原理，得到一个科学的结论，并尝试用多种不同的形式表达科学结论。数字科学期望培养“数字科学家”，即培养对任何一个感兴趣的问题，都能用科学的方法独立地开展研究的“自由研究者”。数字科学的教学模式是“数据探究”，即通过数据的“获取、存储、分析、表达”来实现结论的定量化、精确化和理论化。数字科学所用到的数学知识涉及Hi初中学生能够接受的基本数学概念，包括:（1）计数、求和、平均值、频数、百分比。（2）比例式、正比例函数、正比例链。（3）反比例函数。（4）一般曲

4、线的最大值、最小值、变化趋势。（5）随机现象与概率问题。数字科学所用到的软件平台有几何画板、Excel、WorkingModek仿真物理实验室、爱乐多，硬件平台有Ledong板、Stargazer、Arduino板、酷乐宅、MakeyMakey等。下面从课程建设、教材建设、教室建设三个角度谈数字科学课程的实施细节。初级必修课程：数字科学的建设1•数字科学课程的教学目标本课程的创新点在于，这是一个系统的基于科学方法的课程，学生通过设计实验、完成实验，提高科学素养、技术素养、工程素养和数学素养。我们对已实施了4年的数字科学必修课程的内

5、容作了更新和深化，并设计了高中选修课程，生成了初级版和高级版的两套教材，以适用于不同学段和不同能力水平的学生。下面是初中的教学计划。双基要求：(1)要求学生能够将信息技术作为学习工具，开展STEM学习。(2)要求学生掌握以下基本量的计算机测量：次数、时间、长度、体积、质量和温度。(3)在技术层面，要求学生掌握几何画板、ExceLScratch语言，进行数据的获取、存储、分析和表达。(4)在工程学方面，要求学生可以利用身边简单的器材完成课本上的实验，并具备一定的新实验装置开发能力。(5)在数学方面，要求学生能够理解并用计算机完成以下

6、数据处理：平均值、百分比、正比例、反比例、绘制曲线和线性拟合。能力培养：(1)培养学生利用网络搜索信息并确定研究题目的能力。(2)培养学生设计一个研究性学习任务的能力。(3)培养学生运用计算机辅助手段完成数据探究的能力。思想教育：(1)科学观念：实验的思想方法，通过实验找到稳定的定量关系。（2）精确的概念：通过不断改进的实验装置，提高测量工具的精度和速度，培养学生对准确性的追求。（3）敢于提出问题：通过提高学生的数据探究能力（完成数据的获取、存储、分析、表达的能力），提高学生提出科学问题的能力和水平。（4）让学生认识到计算机是学习

7、的有力工具。2•单元教学计划3•教学案例：温度传感器的标定与应用温度传感器的标定与应用是一个具体案例，它体现了数字科学课程的一般步骤：引入阶段，用Scratch编制互动教学装置，引起学生的兴趣（图1-a）;在数据获取阶段，用温度实验确定是温度影响了温敏电阻的阻值，进而控制了飞机的高度，并设计了温敏电阻的标定实验（图1-b）;在数据存储阶段，用Scratch测电阻程序将电阻-温度关系存储在txt文件中，为了分析的需要，将txt文件导入Excel中，转换了存储的介质；在数据分析阶段，用Excel拟合得到电阻-温度曲线，并反解得到温度-

8、电阻曲线（图1-c）;在数据表达阶段，用Scratch程序应用温度-电阻曲线制作数字式温度计，并将其与酒精温度计比较，验证其准确性（图1-d）6在这个过程中，学生寻求要研究的数据、找到获得数据的方法、用计算机分析大量数据、通过拟合求得数据的关系、挖