數(shù)字科學(xué)類課程：讓數(shù)碼探究為創(chuàng)造奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)

毛澄潔

基于藝術(shù)、研究、工程的技術(shù)學(xué)習(xí)理論（T-ARE）在校本課程建設(shè)方面的意義在于幫助紛繁復(fù)雜的信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域形成一個(gè)“零存整取”的學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓學(xué)校的信息技術(shù)科目群整體化。接下來選取三篇教師論文和一篇學(xué)生論文，試圖呈現(xiàn)校本課程促進(jìn)學(xué)科發(fā)展和師生成長(zhǎng)的全貌。

數(shù)字科學(xué)類、數(shù)字藝術(shù)類和數(shù)字工程類課程構(gòu)成了以創(chuàng)新能力為核心的技術(shù)課程群。該課程群是北京景山學(xué)校T-ARE課程群中的中堅(jiān)課程。

數(shù)字科學(xué)類課程是一種在數(shù)字環(huán)境下，以信息技術(shù)作為探索工具，培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)方法探索世界的意識(shí)和能力的課程。其教學(xué)內(nèi)容有紙電路探究與創(chuàng)意制作、人面探究，以及開源硬件的科學(xué)探索等。該課程是一種在數(shù)字環(huán)境下，以信息技術(shù)作為情感激勵(lì)工具和探索工具，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)（硬件和軟件）探索世界的意識(shí)和能力的課程與教學(xué)模式。其目的是期望學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生能夠?qū)θ魏我粋€(gè)感興趣的問題，選用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)手段解決，從而成為一名自由的探索者。數(shù)字科學(xué)類課程以STEAM教育為主要的課程導(dǎo)向，特別強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)素養(yǎng)、探究素養(yǎng)和學(xué)習(xí)能力的提升。

● “數(shù)碼探科學(xué)”課程

“數(shù)字科學(xué)類”的典型課程是“數(shù)碼探科學(xué)”。該課程結(jié)合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知發(fā)展水平，在突出趣味性和有益性的同時(shí)，突出數(shù)碼設(shè)備及數(shù)字科學(xué)類課程理念的滲透，并把最新的科技元素融入其中，具體的課程內(nèi)容如表1所示。

本課程采用基于問題的小組探究式學(xué)習(xí)，即“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”探究型的學(xué)習(xí)模式。從圖片分析取得數(shù)據(jù)、視頻分析取得數(shù)據(jù)這些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)開始，到編程制作研究工具獲取數(shù)據(jù)這些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)獲取方式結(jié)束，以及對(duì)數(shù)據(jù)獲取之后的數(shù)據(jù)分析和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究都有常年的課程積累。

● 開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與探究

基于開源硬件的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與探究課程已經(jīng)開設(shè)兩年多了，該課程有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，同時(shí)它也是在信息技術(shù)課程中實(shí)現(xiàn)STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)與數(shù)學(xué)）教育的理想方法。本模塊是針對(duì)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要，按照開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程而設(shè)置的選擇性必修模塊。

開源硬件是指開放原始設(shè)計(jì)圖紙的硬件。由于價(jià)格便宜，它成為很多國(guó)家青少年編程教育的有效輔助工具。與此同時(shí)，很多大公司如微軟、三星、ARM也有自己的開源硬件教育項(xiàng)目，中國(guó)的開源硬件教學(xué)也是創(chuàng)客教育和STEAM教育的熱點(diǎn)。

本課程使用的開源硬件有很多種，如Micro：bit、Arduino、掌控板和虛谷號(hào)等。以掌控板為例，它僅有信用卡的一半大小，搭載了LED顯示屏、兩個(gè)可編程按鍵、加速度計(jì)、電子羅盤、溫度計(jì)、蜂鳴器、WI-FI、藍(lán)牙等電子模塊，其編程基于開源硬件平臺(tái)，支持圖形化（Scratch＼mPython）與代碼編程（Python＼JavaScript）。

開源硬件可以通過底部的引腳與各種電子元件互動(dòng)，支持讀取傳感器數(shù)據(jù)，控制舵機(jī)與RGB燈帶，能夠輕松勝任各種編程相關(guān)的教學(xué)與開發(fā)場(chǎng)景。所以，北京景山學(xué)校計(jì)算機(jī)教研組結(jié)合信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)、景山學(xué)?！叭齻€(gè)面向”的教育思想與開源硬件程序塊，開發(fā)并建設(shè)了“開源硬件開源型硬件”體系課程用于中學(xué)的校本課程使用。

本課程旨在了解開源硬件的搭建結(jié)構(gòu)、編程控制馬達(dá)、傳感器，讓學(xué)生從思考功能設(shè)計(jì)到動(dòng)手操作實(shí)踐，手腦并用，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要課程。

可編程開源硬件課程內(nèi)容設(shè)計(jì)如上頁(yè)表2所示。

該課程以開源硬件為主題，兼顧實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)客作品兩類研究性學(xué)習(xí)的主題，基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)，有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)STEAM教育的很好的平臺(tái)。通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠體驗(yàn)作品的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、運(yùn)行的完整過程，初步形成以信息技術(shù)學(xué)科方法觀察事物和問題求解的能力，提升計(jì)算思維與創(chuàng)新能力。在實(shí)施課程的過程中教師們也總結(jié)了一些可以運(yùn)用于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的小策略：

①創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);②引導(dǎo)分析問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維;③鼓勵(lì)自主實(shí)踐，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力;④實(shí)施小組合作，促進(jìn)學(xué)生的合作學(xué)習(xí);⑤營(yíng)造展示空間，發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性潛能。

● 結(jié)語

數(shù)字科學(xué)類課程是景山學(xué)校的一門品牌課程，在1.0階段側(cè)重于通過視頻、圖片、音頻等手段獲取數(shù)據(jù)，在2.0階段則將開源硬件，特別是國(guó)產(chǎn)開源硬件掌控板和虛谷號(hào)應(yīng)用其中。當(dāng)然，技術(shù)只有合理地應(yīng)用在一定的情境中才能夠有效地發(fā)揮其價(jià)值，科學(xué)探究是一個(gè)邊界清晰、時(shí)間可控、科學(xué)融合明顯的STEM應(yīng)用領(lǐng)域，所以位于T-ARE模型（基于藝術(shù)、研究、工程的技術(shù)學(xué)習(xí)）當(dāng)中的科學(xué)探究，對(duì)學(xué)生進(jìn)一步形成系統(tǒng)的技術(shù)觀念起著承上啟下的作用。未來，當(dāng)人工智能技術(shù)應(yīng)用在科學(xué)探究當(dāng)中，又會(huì)給數(shù)字科學(xué)類課程帶來怎樣的變化呢，讓我們拭目以待。