本站原创编者按：STEM教育（Science Technology Engineering Mathematics Education）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、Working Model、仿真物理实验室、爱乐多,硬件平台有Ledong板、Stargazer、Arduino板、酷乐宅、Makey Makey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、Excel、Scratch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–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）.
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、挖掘数据背后关系的实际应用.教学围绕数据展开,培养的是学生的数据分析能力,这是一种具有普遍意义的素养.
学生自学电子教材：数字科学教材的建设
数字科学的教材,采用大学科、大单元的教学设计方法.用电子学案代替课本,这样可以提高效率,同时对于没有教师授课的学校,学生可以使用电子学案自学.从移动学习的角度,这类教材非常适合于向平板电脑等移动平台转移.我们对同一个案例通过不同的难度设计,达到了跨学段的课程体系建设.比如,“血迹大小与下落高度的关系”这个案例在教材体系中,就分为初级版和高级版两个版本.
1.初级版教材的学案材料 初级版课程的学案强调基础的分析能力,给予学生充分的实验材料和技术支持,为学生自学设计了丰富的学习资源,突出情境牵引和移动学习的课程设计思想.
高度的关系”实验的学案设计
要培养自由的研究者,第一步就是要培养学生具有观察和发现问题的能力.因此课程注重小组反思,比如在活动5中,提出了一系列需要进一步研究的问题：
题目：血迹直径和滴落高度之间的关系
下面的这些角度哪些是可行的?我们下一步的实验方向在哪里?
A.（反思角度：数据获取更精确）如何提高测定高度的精度?滴管滴出的圆形血滴是否应该在刻度尺的刻线处?
B.（反思角度：数据获取更精确）如何保证尺子竖直?有没有必要在尺子旁边放一个悬挂细线的重锤,让尺子和细线平行?
C.（反思角度：数据获取更精确）如何提高血滴直径的测量精度?能不能用拍照的方法,利用比例来测量?
D.（反思角度：数据获取范围更广）滴落高度在1m以上.
E.（反思角度：实验的可重复性）我能不能用家中的工具,在家重复这个实验?
等
这些反思的角度,实际上是一种课程支架引导学生从哪些领域思考.教材中设计的课程支架也方便了教师的使用.
2.高级版教材的学案资料
高级版教材的学案通过模块设计,强调数理综合能力的提高.两个版本的教材,兼顾了不同水平实验学校的教学需求.
高度的关系”实验的学案设计
高级版课程主要涉及了更加专业的数据分析方法,结合学生数学和物理能力的提升设计教材.学案设计的初衷一是方便学生自学,二是方便教师讲授.此外,未来这一套课程还会配合在线参考教学视频,让更多的学校和学生受益.
数字科学家实验室建设
北京景山学校是中国大陆最早将Scratch引入到教学中的学校,还与北京师范大学物理学系、教育部教学仪器研究所和中国协同教育集团合作开发了基于Wi-Fi的移动学习平台和Scratch科学探究套件.图4为移动终端处理数据的过程.该笔记本支持Wi-Fi,在教室中使用无线网络,可以提高课堂教学的灵活度和移动性,与此同时,通过远程桌面连接的方法,使WinCE系统可以使用一些Windows XP系统才能使用的软件,比如几何画板等.WinCE平台又防止了学生沉迷于网络游戏中,因为绝大部分网络游戏不能在本系统上运行.因此,学生探究实验PC对于数字科学家计划是一种比较合适的设备选择.每间教室配备20台便携移动PC,可以很好地完成数字科学课程的教学.此后,我们还会与更多的电子书包厂家合作,提供更加多元的解决方案,目前正在建设一个DELL移动学习数字科学实验室.
Scratch科学探究套件
数字科学实验室的建设得到了北京景山学校的大力支持,我们在和教育部教学仪器研究所共同研究各种层级和适合不同地区的配备方案.2009年,国务委员刘延东同志参观北京景山学校数据探究实验室,并从教育均衡发展的角度勉励我们将这种模式辐射出去,这给了我们很大的动力.教育要面向现代化、面向世界、面向未来,作为一种先进的尝试,通过课程设计推进中国STEM教育的发展,促进更多STEM课程的百花齐放,促进教育的均衡发展和人力资源强国的建设,正是我们努力的方向.
数字科学课程指导下的研究性学习
研究性学习是提高学生学习能力和综合素养的有效手段,可以将部分内容深化为研究性学习的选题,也可以将课程培养出来的STEM素养转换为学生自己实施研究性学习的能力.研究性学习的选题分为以下几个方向.
1.数码游戏的制作
Scratch教学是主要的科技活动指导形式.学生可以通过Scratch编制自己的游戏程序,图5是初一年级学生数码游戏设计大赛的部分作品.
2.信息技术实验仪器的制作
通过Scratch语言,学生快速地掌握编程.本研究的重点是将Scratch作为传感器开发工具,用于数据探究实验中,用Scratch编制的显示声音强度的示波器,通过非常简单的代码,就可以实现波形显示,数据采集和输出.
3.用信息技术改良物理实验
图6是用Scratch编程研究单摆摆动过程的机械能守恒问题.用到了摄像头和图像识别等多种技术.
4.互动多媒体装置的制作
将Ledong版、Arduino、酷乐宅、stargazer等传感器引入到课程体系（图7）后,具备研究能力的学生,可以自由地发挥想象,将编程渗透到游戏、娱乐和科学探究中来.其学习角色向科学家、交互设计师、工程师等多种STEM领域的职业角色转换.在这个过程中,学生会明白自己适合做什么和喜欢做什么,以及完成一项工作自己需要找哪些人合作,这些能力将会使他们受益终生.
目前,项目培养的贾思博同学获得“明天小小科学家”比赛二等奖,并顺利地保送清华大学,每年都会涌现出一批“小小数字科学家”,期待着10年之后能够形成一个数字科学家群体.我们还期待着能够有更多的有识之士参与到数字科学家项目中来,期待数字科学家课程能够成为中国STEM教育的一个品牌,为推动STEM教育做出贡献,也期待着得到更多学校的支持与帮助,共同培养自由的研究者,毕竟——自由,虽然是一个奢侈的目标,却是人类永恒的追求!