21、奥地利数字教育实施与自然科学融合计算机科学概念的探索

奥地利数字教育实施与自然科学融合计算机科学概念的探索

在当今数字化飞速发展的时代，教育领域也在不断变革以适应社会的需求。奥地利在数字教育的实施方面以及德国在自然科学课程中融入计算机科学概念的尝试，都为我们提供了宝贵的经验和启示。

奥地利数字教育实施情况

由于新冠疫情的影响，奥地利针对教师开展的数字教育相关调查采用了志愿者样本。尽管这种抽样方式可能导致部分潜在参与者未参与，但这是当时联系奥地利教师的唯一可行方法。

从调查结果来看，在评论区对“数字教育”这一学科的评价中，负面和中立评价明显占主导。不过，2020 年一项针对 117 名教师的研究显示，61%的参与教师认为该学科“非常有用”，26%认为“相当有用”，9%认为“部分有用”，2%认为“不太有用”，2%认为“完全没用”，整体评分处于较高水平，算术平均值约为 1.57。

在课程方面，39%的教师指出课程本身存在问题。尽管对定量数据的分析表明，对于“我认为数字教育学科的课程内容有意义”这一问题，42 人（9.3%）“强烈同意”，211 人（46.5%）“同意”，122 人（26.9%）“既不同意也不反对”，67 人（14.8%）“不同意”，12 人（2.6%）“强烈不同意”，中位数为“同意”，算术平均值为 2.55。

此外，在描述“教师技能不足”问题时，定性和定量数据存在相似之处。在评论区，18.6%的参与者指出课程某些部分存在问题，主要是技术问题。有趣的是，教师们还提到他们需要教授大量学生，因为目前“数字教育”课程不像计算机科学课程那样将学生分成两组由两名教师授课。

以下是不同评价与相关问题的关联频率统计：
|评价类型|教师培训|课程|教师技能不足|资源|学生人数多|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|积极论点|5|4|3|2|0|
|中立评论|11|4|4|5|1|

德国自然科学与计算机科学融合实践

随着社会向数字化不断迈进，学校必须适应并为下一代提供所需技能。计算思维（CT），尤其是其算法思维方面，在计算机科学以及生物学、化学和物理学等其他科学领域中发挥着重要作用。它鼓励学生在多个抽象层面进行推理，这种能力在自然科学中尤为有用，因为科学实验需要概念化、问题分解以及解决或设计结构化系统等关键技能。

然而，由于组织和课程限制，这些概念和技能通常分开教学，学习者需要自行将所学技能应用到相应情境中。为了弥合这一差距，德国开展了一个名为 GeNIUS 的项目，设计了一个为期两天的工作坊，将 CT 融入物理学和可持续发展背景下，即节能住房。

在这个工作坊中，使用了专门为教育目的设计的微控制器 Calliope Mini 来教授基本的算法思维和数据处理。该工作坊在德国一所小学进行了两次，每次有 20 名四年级（9 - 10 岁）的儿童参与。

计算思维（CT）

在这项工作中，“像计算机科学家一样思考需要在多个抽象层面进行推理”，这对于自然科学教育从不同角度审视主题特别有用。CT 通常被分为不同方面，如模式识别、抽象、分解和算法。工作坊中的 CT 部分主要是为实现实验目标开发合适的算法，虽然本质上这四个方面都会涉及，但重点自然在于算法思维。

Calliope Mini

Calliope Mini 是一款类似于 MicroBit 的微控制器，专为教育目的设计，用于向儿童介绍编码和数字技术。它具有多种可编程功能，如 5×5 的红色 LED 矩阵、温度传感器和光传感器等。可以使用基于块的编程语言，通过免费编辑器（如 Microsoft MakeCode）进行编程。选择基于块的编程是因为它直观且对初学者友好，程序可以通过蓝牙传输到设备。与其他小型编码设备（如 Arduino）不同，使用不同传感器不需要复杂的布线；与 Raspberry Pi 不同，它不能本地编译，需要预编译的程序。由于其在德国学校的使用大幅增加，项目选择了 Calliope Mini，希望这些概念未来能融入课程，同时也认为课程概念可以用其他微控制器实现。

工作坊的流程如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(第一天):::process --> B(上午第一块):::process
    A --> C(上午第二块):::process
    A --> D(下午第一块):::process
    A --> E(下午第二块):::process
    F(第二天):::process --> G(上午第一块):::process
    F --> H(上午第二块):::process
    F --> I(下午第一块):::process
    F --> J(下午第二块):::process

总的来说，奥地利在数字教育实施中面临着课程、教师技能等方面的问题，但教师整体对新学科持认可态度；德国在自然科学课程中融入计算机科学概念的工作坊实践展示了其在培养学生计算思维方面的潜力。未来，奥地利需要在课程实施上加大力度，为教师提供更多支持和培训；德国的工作坊则需要进一步完善，确保在技术和教育方面具备良好的先决条件，以实现更成功的实施。

奥地利数字教育实施与自然科学融合计算机科学概念的探索

奥地利数字教育实施的后续挑战与应对方向

奥地利引入新的数字教育课程是一个持续的过程，需要不断改进。了解教师对初始实施的感受，有助于确定需要改进的领域，并指导后续课程的推出。通过了解教师对新课程的反应，可以确定他们可能需要额外培训或支持的领域。这可能为教师提供更好的职业发展机会，最终提高课程的实施效果。

然而，目前仍存在一些问题。当谈到奥地利的“数字教育”时，大多数教师指出了“大班教学”、“技能缺乏”、“资源不足”、“教师培训”和“课程设置”等问题。此外，随着必修课程的引入，出现了一个新问题，即奥地利的教师教育中目前没有完整的“数字教育”研究课程，而其他传统学科则有。

为了解决“数字教育”领域师资不足的问题，2022 年秋季，针对教师的研究生培训开始了。但要提高教师的积极性，在课程实施方面仍需付出更多努力。为了帮助教育工作者应对不熟悉的“数字教育”课程，有必要为特定主题，特别是技术导向的主题，创建大量的教学材料，例如“数字内容创作与发布、算法设计和编程”领域。

同时，一项新的研究已经启动，旨在找出教师培训的最佳方案。以下是目前奥地利数字教育实施面临的主要问题及可能的应对措施列表：
|问题|应对措施|
| ---- | ---- |
|大班教学|探索合理的班级规模调整策略，如增加教师数量、采用小组教学等|
|技能缺乏|开展有针对性的教师培训，包括技术技能和课程实施能力培训|
|资源不足|加大资源投入，如提供更多的数字设备、在线资源等|
|教师培训|完善教师培训体系，提供多样化的培训方式和内容|
|课程设置|持续优化课程内容，使其更符合教学实际和学生需求|

德国工作坊的详细设计与成果分析

为了弥合自然科学和计算机科学之间的差距，德国的 GeNIUS 项目设计的工作坊以节能住房为背景，利用 Calliope Mini 进行高效住房隔热实验，在教授算法技能的同时传授有关热耗散和隔热材料的物理知识。

这个工作坊是跨学科 STEM 课程开发项目的一部分，借鉴了创客文化，旨在促进边做边学、协作、实践技能的培养，并让学生了解技术设备和科学现象的运作原理。工作坊分为两天，每天有四个约 40 - 50 分钟的模块，并安排了休息时间。

第一天工作坊内容

模块	内容
上午第一块	介绍工作坊的主题和目标，讲解 Calliope Mini 的基本功能和操作，引导学生了解热传递和隔热的基本概念
上午第二块	学生分组，设计实验方案，确定如何使用 Calliope Mini 测量隔热效果，讨论实验步骤和可能遇到的问题
下午第一块	根据设计方案搭建实验装置，使用 Calliope Mini 进行初步测试，记录实验数据
下午第二块	分析初步实验数据，对实验方案进行调整和优化，准备第二天的深入实验

第二天工作坊内容

模块	内容
上午第一块	继续进行实验，收集更多数据，观察不同隔热材料的效果差异
上午第二块	对实验数据进行详细分析，运用算法思维处理数据，得出关于隔热效果的结论
下午第一块	学生展示实验结果，分享在实验过程中的收获和体会，进行小组间的交流和讨论
下午第二块	总结工作坊内容，回顾计算思维和物理知识的应用，鼓励学生将所学知识应用到日常生活中

通过这两次工作坊的实施，整体研究表明这种工作坊设计具有作为向儿童教授 CT 概念的实用工具的潜力。学生们在实验过程中积极参与，尝试运用算法思维解决实际问题，对热传递和隔热材料等物理知识有了更直观的理解。

然而，这种方法也面临一些挑战。例如，部分学生可能对编程和算法思维的理解存在困难，需要教师更多的指导和耐心。同时，技术设备的稳定性也可能影响实验的顺利进行，如 Calliope Mini 的蓝牙连接问题等。因此，为了确保工作坊的成功实施，需要具备适当的技术和教育先决条件，如教师的专业能力、设备的维护和更新等。

综上所述，无论是奥地利的数字教育实施还是德国在自然科学中融入计算机科学概念的实践，都在不断探索和改进中。它们为教育领域如何适应数字化社会的需求提供了不同的视角和经验，未来有望通过持续的努力取得更好的教育效果，培养出更具综合能力的下一代。