數(shù)字教學(xué)方案
為確保事情或工作順利開展，時常需要預(yù)先開展方案準(zhǔn)備工作，方案具有可操作性和可行性的特點(diǎn)。那么應(yīng)當(dāng)如何制定方案呢？以下是小編收集整理的數(shù)字教學(xué)方案，希望能夠幫助到大家。
“數(shù)字科學(xué)”是北京景山學(xué)校20xx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)課程通過一個具體的研究性學(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、Working Model、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、Makey Makey等。下面從課程建設(shè)、教材建設(shè)、教室建設(shè)三個角度談數(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)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、Excel、Scratch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)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娮瑷C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–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）。
在這個過程中，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、挖掘數(shù)據(jù)背后關(guān)系的實(shí)際應(yīng)用。教學(xué)圍繞數(shù)據(jù)展開，培養(yǎng)的是學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，這是一種具有普遍意義的素養(yǎng)。
學(xué)生自學(xué)電子教材：數(shù)字科學(xué)教材的建設(shè)
數(shù)字科學(xué)的教材，采用大學(xué)科、大單元的教學(xué)設(shè)計(jì)方法。用電子學(xué)案代替課本，這樣可以提高效率，同時對于沒有教師授課的學(xué)校，學(xué)生可以使用電子學(xué)案自學(xué)。從移動學(xué)習(xí)的角度，這類教材非常適合于向平板電腦等移動平臺轉(zhuǎn)移。我們對同一個案例通過不同的難度設(shè)計(jì)，達(dá)到了跨學(xué)段的課程體系建設(shè)。比如，“血跡大小與下落高度的關(guān)系”這個案例在教材體系中，就分為初級版和高級版兩個版本。
1、初級版教材的學(xué)案材料
初級版課程的學(xué)案強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)的分析能力，給予學(xué)生充分的實(shí)驗(yàn)材料和技術(shù)支持，為學(xué)生自學(xué)設(shè)計(jì)了豐富的學(xué)習(xí)資源，突出情境牽引和移動學(xué)習(xí)的課程設(shè)計(jì)思想。
高度的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的學(xué)案設(shè)計(jì)
要培養(yǎng)自由的研究者，第一步就是要培養(yǎng)學(xué)生具有觀察和發(fā)現(xiàn)問題的能力。因此課程注重小組反思，比如在活動5中，提出了一系列需要進(jìn)一步研究的問題：
題目：血跡直徑和滴落高度之間的關(guān)系
下面的這些角度哪些是可行的？我們下一步的實(shí)驗(yàn)方向在哪里？
A、（反思角度：數(shù)據(jù)獲取更精確）如何提高測定高度的精度？滴管滴出的圓形血滴是否應(yīng)該在刻度尺的刻線處？
B、（反思角度：數(shù)據(jù)獲取更精確）如何保證尺子豎直？有沒有必要在尺子旁邊放一個懸掛細(xì)線的重錘，讓尺子和細(xì)線平行？
C、（反思角度：數(shù)據(jù)獲取更精確）如何提高血滴直徑的測量精度？能不能用拍照的方法，利用比例來測量？
D、（反思角度：數(shù)據(jù)獲取范圍更廣）滴落高度在1m以上。
E、（反思角度：實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性）我能不能用家中的工具，在家重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)？
……
這些反思的角度，實(shí)際上是一種課程支架引導(dǎo)學(xué)生從哪些領(lǐng)域思考。教材中設(shè)計(jì)的課程支架也方便了教師的使用。
2、高級版教材的學(xué)案資料
高級版教材的學(xué)案通過模塊設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)數(shù)理綜合能力的提高。兩個版本的教材，兼顧了不同水平實(shí)驗(yàn)學(xué)校的教學(xué)需求。
高度的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的學(xué)案設(shè)計(jì)
高級版課程主要涉及了更加專業(yè)的數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)合學(xué)生數(shù)學(xué)和物理能力的提升設(shè)計(jì)教材。學(xué)案設(shè)計(jì)的初衷一是方便學(xué)生自學(xué)，二是方便教師講授。此外，未來這一套課程還會配合在線參考教學(xué)視頻，讓更多的學(xué)校和學(xué)生受益。
數(shù)字科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
北京景山學(xué)校是中國大陸最早將Scratch引入到教學(xué)中的學(xué)校，還與北京師范大學(xué)物理學(xué)系、教育部教學(xué)儀器研究所和中國協(xié)同教育集團(tuán)合作開發(fā)了基于Wi—Fi的移動學(xué)習(xí)平臺和Scratch科學(xué)探究套件。圖4為移動終端處理數(shù)據(jù)的過程。該筆記本支持Wi—Fi，在教室中使用無線網(wǎng)絡(luò)，可以提高課堂教學(xué)的靈活度和移動性，與此同時，通過遠(yuǎn)程桌面連接的方法，使WinCE系統(tǒng)可以使用一些Windows XP系統(tǒng)才能使用的軟件，比如幾何畫板等。WinCE平臺又防止了學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)游戲中，因?yàn)榻^大部分網(wǎng)絡(luò)游戲不能在本系統(tǒng)上運(yùn)行。因此，學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)PC對于數(shù)字科學(xué)家計(jì)劃是一種比較合適的設(shè)備選擇。每間教室配備20臺便攜移動PC，可以很好地完成數(shù)字科學(xué)課程的教學(xué)。此后，我們還會與更多的電子書包廠家合作，提供更加多元的解決方案，目前正在建設(shè)一個DELL移動學(xué)習(xí)數(shù)字科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
Scratch科學(xué)探究套件
數(shù)字科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)得到了北京景山學(xué)校的大力支持，我們在和教育部教學(xué)儀器研究所共同研究各種層級和適合不同地區(qū)的配備方案。20xx年，國務(wù)委員劉延?xùn)|同志參觀北京景山學(xué)校數(shù)據(jù)探究實(shí)驗(yàn)室，并從教育均衡發(fā)展的角度勉勵我們將這種模式輻射出去，這給了我們很大的動力。教育要面向現(xiàn)代化、面向世界、面向未來，作為一種先進(jìn)的嘗試，通過課程設(shè)計(jì)推進(jìn)中國STEM教育的發(fā)展，促進(jìn)更多STEM課程的百花齊放，促進(jìn)教育的均衡發(fā)展和人力資源強(qiáng)國的建設(shè)，正是我們努力的方向。
數(shù)字科學(xué)課程指導(dǎo)下的研究性學(xué)習(xí)
研究性學(xué)習(xí)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力和綜合素養(yǎng)的有效手段，可以將部分內(nèi)容深化為研究性學(xué)習(xí)的選題，也可以將課程培養(yǎng)出來的STEM素養(yǎng)轉(zhuǎn)換為學(xué)生自己實(shí)施研究性學(xué)習(xí)的能力。研究性學(xué)習(xí)的選題分為以下幾個方向。
1、數(shù)碼游戲的制作
Scratch教學(xué)是主要的科技活動指導(dǎo)形式。學(xué)生可以通過Scratch編制自己的游戲程序，圖5是初一年級學(xué)生數(shù)碼游戲設(shè)計(jì)大賽的部分作品。
2、信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀器的制作
通過Scratch語言，學(xué)生快速地掌握編程。本研究的重點(diǎn)是將Scratch作為傳感器開發(fā)工具，用于數(shù)據(jù)探究實(shí)驗(yàn)中，用Scratch編制的顯示聲音強(qiáng)度的示波器，通過非常簡單的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)波形顯示，數(shù)據(jù)采集和輸出。
3、用信息技術(shù)改良物理實(shí)驗(yàn)
圖6是用Scratch編程研究單擺擺動過程的機(jī)械能守恒問題。用到了攝像頭和圖像識別等多種技術(shù)。
4、互動多媒體裝置的制作
將Ledong版、Arduino、酷樂宅、stargazer等傳感器引入到課程體系（圖7）后，具備研究能力的學(xué)生，可以自由地發(fā)揮想象，將編程滲透到游戲、娛樂和科學(xué)探究中來。其學(xué)習(xí)角色向科學(xué)家、交互設(shè)計(jì)師、工程師等多種STEM領(lǐng)域的職業(yè)角色轉(zhuǎn)換。在這個過程中，學(xué)生會明白自己適合做什么和喜歡做什么，以及完成一項(xiàng)工作自己需要找哪些人合作，這些能力將會使他們受益終生。
目前，項(xiàng)目培養(yǎng)的賈思博同學(xué)獲得“明天小小科學(xué)家”比賽二等獎，并順利地保送清華大學(xué)，每年都會涌現(xiàn)出一批“小小數(shù)字科學(xué)家”，期待著10年之后能夠形成一個數(shù)字科學(xué)家群體。我們還期待著能夠有更多的有識之士參與到數(shù)字科學(xué)家項(xiàng)目中來，期待數(shù)字科學(xué)家課程能夠成為中國STEM教育的一個品牌，為推動STEM教育做出貢獻(xiàn)，也期待著得到更多學(xué)校的支持與幫助，共同培養(yǎng)自由的研究者，畢竟——自由，雖然是一個奢侈的目標(biāo)，卻是人類永恒的追求！
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