數字科學類課程：讓數碼探究為創造奠定扎實的基礎

毛澄潔

基于藝術、研究、工程的技術學習理論（T-ARE）在校本課程建設方面的意義在于幫助紛繁復雜的信息技術應用領域形成一個“零存整取”的學習狀態，讓學校的信息技術科目群整體化。接下來選取三篇教師論文和一篇學生論文，試圖呈現校本課程促進學科發展和師生成長的全貌。

數字科學類、數字藝術類和數字工程類課程構成了以創新能力為核心的技術課程群。該課程群是北京景山學校T-ARE課程群中的中堅課程。

數字科學類課程是一種在數字環境下，以信息技術作為探索工具，培養學生用科學方法探索世界的意識和能力的課程。其教學內容有紙電路探究與創意制作、人面探究，以及開源硬件的科學探索等。該課程是一種在數字環境下，以信息技術作為情感激勵工具和探索工具，培養學生利用信息技術（硬件和軟件）探索世界的意識和能力的課程與教學模式。其目的是期望學習該課程的學生能夠對任何一個感興趣的問題，選用適當的科學手段解決，從而成為一名自由的探索者。數字科學類課程以STEAM教育為主要的課程導向，特別強調數據素養、探究素養和學習能力的提升。

● “數碼探科學”課程

“數字科學類”的典型課程是“數碼探科學”。該課程結合學生的知識基礎和認知發展水平，在突出趣味性和有益性的同時，突出數碼設備及數字科學類課程理念的滲透，并把最新的科技元素融入其中，具體的課程內容如表1所示。

本課程采用基于問題的小組探究式學習，即“教師主導，學生主體”探究型的學習模式。從圖片分析取得數據、視頻分析取得數據這些基礎的實驗開始，到編程制作研究工具獲取數據這些比較復雜的數據獲取方式結束，以及對數據獲取之后的數據分析和進一步的實驗探究都有常年的課程積累。

● 開源硬件的項目設計與探究

基于開源硬件的項目設計與探究課程已經開設兩年多了，該課程有利于激發學生創新的興趣，培養學生動手實踐的能力，同時它也是在信息技術課程中實現STEAM（科學、技術、工程、人文藝術與數學）教育的理想方法。本模塊是針對學生個性化發展需要，按照開源硬件項目設計流程而設置的選擇性必修模塊。

開源硬件是指開放原始設計圖紙的硬件。由于價格便宜，它成為很多國家青少年編程教育的有效輔助工具。與此同時，很多大公司如微軟、三星、ARM也有自己的開源硬件教育項目，中國的開源硬件教學也是創客教育和STEAM教育的熱點。

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、兩個可編程按鍵、加速度計、電子羅盤、溫度計、蜂鳴器、WI-FI、藍牙等電子模塊，其編程基于開源硬件平臺，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，支持讀取傳感器數據，控制舵機與RGB燈帶，能夠輕松勝任各種編程相關的教學與開發場景。所以，北京景山學校計算機教研組結合信息技術課程標準、景山學校“三個面向”的教育思想與開源硬件程序塊，開發并建設了“開源硬件開源型硬件”體系課程用于中學的校本課程使用。

本課程旨在了解開源硬件的搭建結構、編程控制馬達、傳感器，讓學生從思考功能設計到動手操作實踐，手腦并用，是培養學生創新實踐能力的重要課程。

可編程開源硬件課程內容設計如上頁表2所示。

該課程以開源硬件為主題，兼顧實驗探究與創客作品兩類研究性學習的主題，基于項目設計與開發，有利于激發學生創新興趣，培養學生動手實踐能力，同時也是實現STEAM教育的很好的平臺。通過對該課程的學習，學生能夠體驗作品的創意、設計、制作、測試、運行的完整過程，初步形成以信息技術學科方法觀察事物和問題求解的能力，提升計算思維與創新能力。在實施課程的過程中教師們也總結了一些可以運用于項目學習的小策略：

①創設問題情境，激發學生的創新意識;②引導分析問題，培養學生的創新思維;③鼓勵自主實踐，提高學生的創新能力;④實施小組合作，促進學生的合作學習;⑤營造展示空間，發揮學生的個性潛能。

● 結語

數字科學類課程是景山學校的一門品牌課程，在1.0階段側重于通過視頻、圖片、音頻等手段獲取數據，在2.0階段則將開源硬件，特別是國產開源硬件掌控板和虛谷號應用其中。當然，技術只有合理地應用在一定的情境中才能夠有效地發揮其價值，科學探究是一個邊界清晰、時間可控、科學融合明顯的STEM應用領域，所以位于T-ARE模型（基于藝術、研究、工程的技術學習）當中的科學探究，對學生進一步形成系統的技術觀念起著承上啟下的作用。未來，當人工智能技術應用在科學探究當中，又會給數字科學類課程帶來怎樣的變化呢，讓我們拭目以待。