22、融合计算机科学与自然科学的实践探索

融合计算机科学与自然科学的实践探索

1. 实验背景与目标

在当今环境挑战日益严峻的背景下，“节能住房”成为了一个重要的研究课题。本次实践活动以此为实验目标，旨在让学生通过对隔热住房的分析，了解不同隔热材料对房屋热稳定性的影响，并借助实时数据可视化这些影响。以往自然科学课上的类似实验多采用传统方法，如使用模拟温度计手动监测和记录温度。而本次活动尝试将计算机科学（CS）融入其中，让学生探索数字技术在自然科学实验中的应用可能性。

2. 实验流程

实验分为四个阶段：
1. 房屋隔热 ：学生选择隔热材料，用其对模拟房屋的纸板箱进行隔热处理。
2. 测量系统实施 ：学生为Calliope Mini编写程序，使其连续测量当前温度并通过蓝牙将数据发送到移动设备。
3. 测量执行 ：将外部温度传感器连接到微控制器，放入隔热房屋内，开启Calliope，在房屋内放置两个加热垫。通过蓝牙将Calliope与Phyphox应用程序连接，该应用接收传输的温度值并自动绘制图表。此阶段约持续30分钟，学生观察温度曲线并与其他小组的隔热房屋进行比较。
4. 结果讨论 ：教师引导学生讨论测量得到的温度图表，各小组比较数据以确定最有效的隔热策略。

3. 活动日程安排

• 第一天 ：
  • 第一模块 ：发放纸质练习，涵盖算法、条件、分支和不同类型循环等编程基本概念，最后让学生从头构建一个算法。在最后10分钟，学生两人一组，每组领取一个Calliope Mini，教师引导讨论微控制器的不同部分。
  • 第二模块 ：每组收到一份包含简单编程任务的工作表，引导他们完成不同的编程模块，最后可自由进行实验。
  • 第三模块 ：学生学习使用嵌入式和外部传感器，读取其数值，并通过蓝牙将这些值发送到平板电脑上的Phyphox应用程序进行绘图。他们需要编写一个初始化蓝牙连接并发送光和温度值的程序，还可以通过一些操作（如用手覆盖微控制器或握住温度传感器）观察图表的变化。
• 第二天 ：
  • 第一模块 ：教师引导关于能源效率和隔热的讨论，通过短视频介绍热传导和隔热的基础知识，如平底锅为何有塑料手柄。使用热成像相机可视化教室中的实时温度差异，促进学生对概念的理解，随后进行课堂讨论。
  • 第二模块 ：学生发挥创造力，用纸板箱和预选的隔热材料制作隔热“房屋”。
  • 第三模块 ：学生使用外部传感器编写程序以捕获温度数据，并通过蓝牙将值传输到Phyphox。传感器就位并建立蓝牙连接后，每组在“房屋”中添加两个加热垫并开始测量。在此期间，学生可检查其他小组的进展，教师使用热成像相机引导对房屋的协作检查。实验设置在最后一次休息期间继续运行。
  • 第四模块 ：30分钟的测量期结束，教师引导学生讨论得到的温度图表，各小组比较数据以确定最有效的隔热策略。

以下是活动日程的表格总结：
| 时间 | 第一天 | 第二天 |
| ---- | ---- | ---- |
| 7:50 - 8:50 | 欢迎与问卷调查 | 热隔离介绍 |
| 8:50 - 9:50 | 编程基础 | 制作隔热房屋 |
| 9:50 - 10:50 | Calliope Mini介绍 | 编程与热测量 |
| 10:50 - 11:50 | 光与传感实验 | 评估与讨论 |

4. 活动执行情况

活动进行了两次，每次有20名学生参与，但两次执行情况因网络问题有很大差异。
- 第一组（无网络） ：网络连接问题严重影响了活动执行，打乱了原计划的日程安排。学生无法按预期与微控制器互动，热情受挫，起初表现出不感兴趣。第二天网络问题依旧存在，无法建立离线服务器实现蓝牙连接，只能手动在笔记本电脑上编译程序并通过USB传输到Calliope Mini，这导致排队现象，抑制了自主实验，学生产生挫败感。实验虽顺利进行，但学生注意力和兴趣逐渐下降，反馈称活动“非常无聊”。
- 第二组（有网络） ：活动按原计划进行，学生在与微控制器互动和开发程序过程中表现出高度的参与度和享受。户外实验时，尽管温度约为10°C，学生仍有浓厚兴趣，不时检查“房屋”并与其他小组比较数据。热成像相机检查房屋增加了活动的趣味性。实验后讨论积极，学生热情展示研究结果，反馈称这是“他们参加过的最好的活动之一”。

5. 活动成果与技能培养

• 创造力 ：学生提出了许多创新解决方案，渴望在多种场景中测试他们的程序，并经常提出新的测量温度的想法和期望看到的结果。
• 数字素养和机电技能 ：Calliope Mini有多个端口，学生需要研究并确定如何进行布线，了解不同端口的用途。他们还需要学习全新的Calliope Mini编程环境，但能快速掌握浏览不同编程块区域并找到所需块的方法。
• 协作技能 ：学生两人一组完成任务，展现出良好的团队合作。例如，通过蓝牙连接Calliope Mini和平板电脑需要同时按下3个按钮，每个小组都意识到需要两人合作完成。在编程任务中，观察到两种不同的协作方式：一种是先讨论解决方案，然后一起实施和测试；另一种是一人编写程序，另一人检查材料并测试程序，然后一起调试。
• 图表阅读能力 ：原本为学生准备了逐步介绍图表阅读的材料，但在活动中发现学生对实时生成的图表非常着迷，能够直观地比较自己和同学的图表，解读最高温度以及达到该温度的速度。

6. 学习过程的支持与阻碍因素

• 教学方面 ：采用积极和协作的教学概念使学习体验更具吸引力和互动性。给予学生半结构化或自主探索的时间能增加他们的信心和兴趣，让学生在无负面后果的情况下犯错，鼓励他们对新挑战和更复杂的任务保持好奇和开放的心态。然而，一些教师在采用新技术和教学方法时可能会面临挑战，因此教师需要有开放的心态，愿意自己学习和尝试使用Calliope Mini，否则可能导致教学效果不佳。
• 组织方面 ：由于Calliope Mini的技术性质和可能出现的个别问题，采用正面教学方法不可行，建议课堂上有多名教师协助解决问题和提供个别支持。自然科学实验本身就需要精心规划和准备材料，而这种跨学科课程的工作量会更大。但随着Calliope Mini平台的频繁使用，让学生熟悉编程环境和传感器等的初始开销会减少，系统可以在短时间内高效使用。
• 技术设置 ：第一次活动时学校路由器故障，导致编程应用程序无法编译程序，学生无法独立完成任务，影响了对主题的深入理解和兴趣。为有效使用Calliope Mini，稳定的WiFi连接或能编译程序的设备至关重要。虽然可以设置本地编译服务器，但编程应用程序无法重定向到不同服务器，且通过浏览器使用IDE时无法通过蓝牙上传程序，需要USB布线和不同的说明工作表。因此，建议为不可预见的网络问题准备替代方案。

7. 结果的推广

尽管活动存在一些限制和依赖因素，但相信可以将其改编为自然科学或物理课程的系列课程。系列课程的持续时间取决于学生对CS概念（特别是基于块的编程）和微控制器的先验知识，以及学生的年龄。年龄较大的学生可能需要较少的监督和时间，经验丰富的教师可以带领最多30名合适年龄的学生进行此类实验。

8. 结论与展望

在快速数字化的世界中，让儿童尽早接触计算思维（CT）至关重要。本次实践活动探索了将CT融入自然科学课程的方法，通过体验式活动观察到了这种方法的潜在益处，包括培养创造力、协作能力、提高数字素养和图表阅读技能等。活动有助于消除学生和教师对技术的神秘感，让他们迈出理解和参与数字世界的第一步。

然而，活动的成功执行依赖于技术和教育前提条件，如稳定的互联网接入、充足的技术支持以及教师对新技术的开放态度。即使活动中出现失败，也能从中吸取教训，改进方法。

未来计划探索减少对网络连接依赖的可能性，将活动改编为可由教师独立在学校开展的系列课程，并评估在德国学校的成功率和进一步的依赖因素。还计划设计其他主题的课程，包括生物学和化学方面。主要目标是评估成功将CS概念融入自然科学课程所需的条件，并评估每个系列课程中CT和相应自然科学领域的学习效果。此外，将为自然科学教师提供专门培训，展示CS概念在自然科学中的重要性，并教授他们如何使用微控制器。希望这些课程有一天能融入学校的自然科学课程体系，推动教育系统向无缝集成数字技术和算法思维技能的未来发展。

以下是活动流程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([活动开始]):::startend --> B(第一天):::process
    B --> B1(编程基础学习):::process
    B --> B2(Calliope Mini熟悉):::process
    B --> B3(传感器与蓝牙编程):::process
    B --> C(第二天):::process
    C --> C1(能源效率与隔热讨论):::process
    C --> C2(制作隔热房屋):::process
    C --> C3(温度测量编程与实验):::process
    C --> C4(结果讨论与评估):::process
    C4 --> D([活动结束]):::startend

综上所述，本次融合计算机科学与自然科学的实践活动在培养学生多方面技能上取得了一定成果，但也面临着一些挑战。通过不断改进和完善，有望为学生提供更优质的跨学科学习体验，推动教育的创新发展。

融合计算机科学与自然科学的实践探索

9. 学生测试情况

为了评估活动对学生知识的影响以及他们在不同编程表达方式上的偏好，对每个学生组进行了两次测试。一次在活动当天上午进行，另一次在一周后进行。

9.1 问卷设计

问卷主要涵盖两个方面：一是对算法概念的理解，二是算法过程的描述方式。
- 前测中，首先以二选一的问题询问学生是否知道算法的概念，接着是一个四选项的选择题，让学生选择哪个日常示例对应算法。
- 问卷的第二部分，要求学生描述通过简单迷宫的路径。具体分为以下几个步骤：
1. 自由选择描述方式，不做提示。
2. 使用上下左右的缩写进行描述。
3. 使用计数缩写（如“重复2次向上”）。
4. 对于一个需要重复步骤的迷宫（“重复2次：向上和向左”），不提供描述方式的建议。

前测和后测的问卷结构相同，选择题的答案选项难度保持一致，迷宫的描述也稍有修改。

9.2 评估结果

• 算法概念理解 ：最初，三分之一的参与者（30人中有10人）声称熟悉“算法”这个术语，但在后续选择题中，只有一名学生能准确识别出日常生活中最能描述算法的概念。活动后，20%的学生（30人中有6人）选择了与算法概念匹配的示例，且这些正确答案集中在第二组（占该组参与者的42%，即14人中有6人），而第一组在活动后的调查中没有正确答案。这一差异凸显了学习环境中技术稳定性的重要作用，推测第一组的网络连接问题导致无法进行编码和探索算法结构，从而影响了学习结果。
• 迷宫路径描述 ：通过定性内容分析评估学生对迷宫路径描述的回答，研究问题如下：
  • 学生更喜欢用哪种方式描述算法步骤？
  • 他们能否采用半正式的符号表示法并坚持使用？

以下是学生测试结果的表格总结：
| 测试内容 | 测试前 | 测试后 |
| ---- | ---- | ---- |
| 知道算法概念的学生比例 | 10/30 | 6/30 |
| 正确选择算法示例的学生比例 | 1/30 | 6/30（集中在第二组） |

10. 活动经验总结与建议

通过这次实践活动，我们总结了以下经验和建议，以帮助未来类似活动的开展。

10.1 教学策略

• 采用积极和协作的教学方法，给予学生自主探索的空间，让他们在犯错中学习，培养好奇心和解决复杂问题的能力。
• 教师需要不断提升自己的技术能力和教学方法，积极尝试新的教学工具，如Calliope Mini，以更好地引导学生。

10.2 组织安排

• 课堂上安排多名教师，以便及时解决学生在操作过程中遇到的技术问题，提供个性化的支持。
• 提前做好充分的准备工作，包括材料的准备和技术设备的调试，特别是对于跨学科课程，需要考虑更多的因素。

10.3 技术保障

• 确保有稳定的网络连接或备用的编程编译设备，为不可预见的网络问题准备替代方案，如提前准备好USB布线和相应的说明工作表。

11. 未来发展方向

为了进一步推动计算机科学与自然科学的融合教育，我们制定了以下未来发展方向。

11.1 课程改进

• 继续优化活动内容，将其改编为更系统的课程系列，根据学生的年龄和知识水平进行分层设计，减少对网络连接的依赖，使其更适合在学校环境中广泛开展。
• 结合不同学科的特点，开发更多主题的课程，如生物学和化学方面的实验，让学生在不同领域中体验计算机科学的应用。

11.2 效果评估

• 扩大测试范围，对更多的学生和教师进行评估，了解课程对学生学习效果的长期影响，以及教师在教学过程中的反馈和需求。
• 建立科学的评估指标体系，全面评估学生在计算思维、自然科学知识和实践技能等方面的提升。

11.3 教师培训

• 为自然科学教师提供专业的培训课程，帮助他们掌握计算机科学的基本概念和微控制器的使用方法，提高他们将计算机科学融入自然科学教学的能力。

以下是未来发展方向的mermaid流程图：

graph LR
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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([未来发展]):::startend --> B(课程改进):::process
    A --> C(效果评估):::process
    A --> D(教师培训):::process
    B --> B1(优化课程内容):::process
    B --> B2(开发多主题课程):::process
    C --> C1(扩大测试范围):::process
    C --> C2(建立评估指标体系):::process
    D --> D1(提供专业培训):::process

12. 总结

本次融合计算机科学与自然科学的实践活动为学生提供了一个富有挑战性和创新性的学习体验。通过实际操作和探索，学生在创造力、数字素养、协作能力和图表阅读等方面都得到了锻炼和提升。然而，活动也暴露出一些问题，如网络依赖、教师技术能力不足等。未来，我们将针对这些问题进行改进，不断完善课程体系，加强教师培训，为学生创造更好的跨学科学习环境，推动教育向数字化和智能化方向发展。我们相信，通过持续的努力和创新，计算机科学与自然科学的融合教育将为学生的未来发展奠定坚实的基础。