第二章 知识与数字化学习（教学设计）
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第二章 知识与数字化学习
教学设计
一、项目简介
项目主题
运用数字化工具探究数理知识
项目背景
未来教室里，教师们运用Python、思维导图、网络画板等各类数字化学习工具进行个性化教学，使教学更加形象、直观、易懂；同学们利用数字化学习工具进行个性化学习，不仅可以开阔视野、开发思维、启迪智慧，而且可以直观地感受知识形成的过程，提高学习效率。高中不少学科涉及科学实验，获得大量的数据，通过处理和分析数据能够发现数据背后的规律，在这一过程中，同学们利用数字化工具并体验数字化学习的过程，感受数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养和思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。
对应教材
**_*教科书信息技术必修1《数据与计算》第二章
课时安排
3课时
二、课程标准及目标分析
（一）课程标准及教材分析
1. 本章对应课标的内容要求
（1）在运用数字化工具的学习活动中，理解数据、信息与知识的相互关系，认识到数据对人们日常生活的影响。
（2）针对具体学习任务，体验数字化学习过程，感受利用数字化工具和资源的优势。
2. 本章对应的学业要求
A-3：掌握数字化学习的方法。（信息意识、数字化学习与创新）
A-4：能够根据需要选用合适的数字化工具开展学习。（信息意识、数字化学习与创新）
A-6：能够利用软件工具或平台对数据进行整理、组织、计算与呈现。（信息社会责任、计算思维）
A-8：在数据分析的基础上，完成分析报告。（信息社会责任、计算思维）
3. 本章的地位和作用
本章是教科书《数据与计算》的第二章，将带学生学习“知识与数字化学习”的教学内容，也是学习其他章节与模块的基础知识与技能准备。本章以培养信息素养为目标，以知识技能为载体，以项目学习活动为途径，开展自主、协作、探究学习，让学生理解数据、信息、知识与智慧的相互关系，认识到数据对人们日常生活的影响。
本章通过“运用数字化工具探究数理知识”项目范例，让学生借助数字化学习环境，体验数字化学习与创新活动过程，通过整合其他学科的学习任务，让学生感受利用数字化工具和资源的优势，从而提升学生的信息素养。
（二）学科核心素养
信息意识：在日常生活中，根据实际解决问题的需要，恰当选择数字化工具，具备信息安全意识。主动关注信息技术工具发展中的新动向和新趋势，有意识地使用新技术处理信息。
计算思维：按照问题解决方案，选用适当的数字化工具或方法获取、组织、分析数据，并能迁移到其他相关问题的解决过程中。
数字化学习与创新：在学习过程中，能够评估常用的数字化工具与资源，根据需要合理选择。针对特定的学习任务，运用一定的数字化学习策略管理学习过程与资源，完成任务，创作作品。在网络学习空间中开展协作学习，建构知识。
信息社会责任：正确认识现实社会身份、虚拟社会身份之间的关系，合理使用虚拟社会身份开展信息活动。在信息交流或合作中，尊重不同的信息文化，积极、主动地融入信息社会中。
（三）目标分析
1. 项目目标
本章通过“运用数字化工具探究数理知识”项目，组织学生进行自主、协作、探究学习，让学生体验数字化学习过程，能够描述数据、信息与知识的相互关系，感受利用数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进本章对应课标的学科核心素养水平的达成，完成项目学习目标。
2. 学业目标
（1）能够了解数字化学习的基本方法；
（2）能够列举数字化工具在学习中的应用；
（3）能够理解数据、信息与知识的关系；
（4）能够在对数据、信息进行综合处理的基础上，建构知识，撰写研究报告；
（5）能够理解数字化学习；
（6）能够描述数字化学习的特点；
（7）能够感受数字化工具与资源的优势；
（8）能够评价与选择合适的数字化资源与工具开展学习；
（9）能够熟练运用数字化学习的方法，有效开展数字化学习；
（10）能够熟练运用数字化学习资源与工具，开展自主或协作学习，完成任务，创作作品。
重点：
（1）理解数据、信息与知识的关系；
（2）感受数字化工具和资源的优势。
难点：
（1）在对数据、信息进行综合处理的基础上，掌握数字化学习的方法；
（2）评价和选择合适的数字化资源与工具开展学习。
三、学情分析
学生在第一章中已经学习了数据与信息的内容，能够描述数据与信息的特征，知道数据编码的基本方式。受学科研究方法限制，对所学过的数理知识的理解处在较为传统的数据收集与计算模式，尚缺乏利用数字化学习工具探究数理知识的意识和能力，尤其是缺乏利用简单的算法与程序进行数理知识的处理。
四、教学方法和策略
创设运用数字化工具探究知识的活动情境，组织学生在解决问题的过程中体验数字化学习过程，通过小组开展项目学习，感受利用数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。
资源列表
资源名称
清单及描述
形式（类型）
来源
课件
第二章 知识与数字化学习（课件）
演示文稿
教师制作
微课
本章课程介绍
本章项目范例
《用jupyter notebook 处理数据》
《数字化工具-网络画板》
《思维导图的应用》
微课视频
教师制作
软件工具
Python3.*、思维导图、网络画板
软件
互联网
六、学习活动流程
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七、学习活动设计
范例学习
项目主题
运用数字化工具探究数理知识
项目背景
未来教室里，教师们运用Python、思维导图、网络画板等各类数字化学习工具进行个性化教学，使教学更加形象、直观、易懂；同学们利用数字化学习工具进行个性化学习，不仅可以开阔视野、开发思维、启迪智慧，而且可以直观地感受知识形成的过程，提高学习效率。高中不少学科涉及科学实验，获得大量的数据，通过处理和分析数据能够发现数据背后的规律，在这一过程中，同学们利用数字化工具并体验数字化学习的过程，感受数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养和思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。
项目目标
本章通过“运用数字化工具探究数理知识”项目，组织学生进行自主、协作、探究学习，让学生体验数字化学习过程，能够描述数据、信息与知识的相互关系，感受利用数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进本章对应课标的学科核心素养水平的达成，完成项目学习目标。
工具和方法
利用思维导图工具和“头脑风暴”的方法组建团队、明确任务；采用Python语言和网络画板等工具进行项目探究。
实施过程
明确项目问题；
规划设计：制订项目学习的学习规划；
（3） 探究活动：通过探究活动，体验数字化学习过程，理解数据、信息与知识的相互关系，感受利用数字化工具与资源的优势；
（4）作品制作：运用数字化工具探究数理知识；
（5）成果交流；
（6）活动评价。
成果
运用数字化工具探究数理知识的可视化报告
项目选题
教师活动
提供更多的选题，并参与到小组的选题讨论中。
学生活动
根据教材选题、教师提供的附加选题或自拟，小组头脑风暴后确定项目选题，以小组为单位，填写《项目学习活动记录表》“项目选题”栏目。
项目规划
教师活动
强调项目目标及学习目标，引导学生分析项目问题，指导小组完成项目规划，组织开展方案交流。
学生活动
小组依照项目范例，结合本组选题，制订本组项目规划方案，填写《项目学习活动记录表》“项目规划”栏目。
探究活动
项目实施
活动1：通过学习和交流，结合本组选题，分析并确定小组项目探究时所需要用到的数字化学习工具，体验数字化学习的过程，理解数据、信息、知识与智慧的相互关系。
教师活动
以项目范例为例，提供项目范例中的Python程序代码，提供有关Python开发环境的基本操作指引（或微课），引导学生使用数字化工具（Excel或Python）探究数理知识的实验过程，总结知识发现的有效路径，理解数据、信息、知识与智慧之间的相互关系。
学生活动
通过学习，小组结合本组选题，分析和确定本组项目所需要的数字化学习工具，填写《项目学习活动记录表》“探究活动 项目实施”栏目中的“活动1”的内容。
活动2：通过交流和调查，汇总各学科教师在教学中所运用到的数字化资源，比较传统学习与数字化学习两种方式的特点，通过探究投针实验，体验数字化学习的优势。
教师活动
引导学生汇总教学活动中的数字化工具与资源，并比较其优势，指导学生探究投针实验，体验数字化创新学习的过程。
学生活动
填写各学科教师在教学中所运用到的数字化资源，并分析数字化学习的特点，填写学习表单；根据教师所提供的实验数据和操作指引，完成投针实验，并进行思维导图软件的比较。
项目实施
各小组各小组参照项目范例的样式，运用数字化学习工具，如腾讯文档、演示文稿等，归纳所学知识，梳理探究活动的成果，撰写相应的项目成果报告。
项目交流
各小组在小组或班级上进行展示与交流，共享创造、分享快乐。
活动评价
各小组根据项目选题、拟订的项目方案、实施情况以及所形成的项目成果，利用“作品评价量规”及教科书附录2的“项目活动评价表”，开展项目学习活动评价。
八、学习成果：“运用数字化工具探究数理知识”可视化报告
九、评价方案
（一）评价时间线
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（二）评价工具
评价方法/工具
评价的过程和目标
项目范例报告
用于整个活动，主要作用是为学生项目实施和作品制作提供示范和引领。（见附件1）
项目学习活动记录表
用于整个学习活动，主要作用是指导学生开展项目学习活动，明确项目学习内容，记录学习过程及阶段性成果。（见附件2）
作品评价量规
使用量规项目来帮助学生创作高品质的作品，确保达到项目预期。同时用量规为同伴的作品提供反馈。教师使用量规来评价。（见附件3）
项目活动评价表
对整个项目学习过程中各环节，学科核心素养达成的情况进行评价。（见教科书附录2）
十、项目实施说明
（一）关于课时分配
建议课时分配如下：
第1课时：范例展示、项目选题与项目规划
第2课时：探究活动、项目实施——活动1、活动2
第3课时：项目实施、成果交流、活动评价
（二）关于项目范例
本章教师通过“运用数字化工具探究数理知识”项目范例，引导学生学习“知识与数字化学习”的内容。
（三）关于项目选题
围绕本章项目学习活动的大主题“运用数字化工具探究数理知识”，根据高中阶段学科中出现的数理知识，细化项目学习活动的主题，提供给学生开展学习。
1. 运用数字化工具探究化学知识；
2. 运用数字化工具探究生物知识；
3. 运用数字化工具探究地理知识；
4．自拟选题
（四）关于探究活动
“探究活动”对应项目范例的主题，串联知识点，学生在学习范例的同时自选项目主题，结合范例学习，完成自选主题的项目探究活动。“探究活动”的设计，使得学生在做项目的过程中学习知识、建构知识。教师提供记录表单和学习资源对学生的自主探究给予帮助和支持，以提高学生的学习效率和维持学生的学习兴趣。
十一、附件
附件1：项目范例可视化报告
运用数字化工具探究数理知识的实验报告
一、引言
在人类的生产、生活和研究活动中，人们会不断学习、总结、发现认识自然、探究规律的方法。而“做实验→获取观察数据→分析处理数据→推理建立数学模型→实验验证模型→形成知识→应用知识解决问题”是一条非常有效的知识发现路径。
二、实验目的
未来教室里，教师们运用Python、思维导图、网络画板等各类数字化学习工具进行个性化教学，使教学更加形象、直观、易懂；同学们利用数字化学习工具进行个性化学习，不仅可以开阔视野、开发思维、启迪智慧，而且可以直观地感受知识形成的过程，提高学习效率。
体验数字化学习过程，理解数据、信息与知识的相互关系，感受利用数字化工具和资源的优势。
三、实验内容与步骤
1.实验内容
运用数字化工具探究数理知识的实验内容包括：
（1）探究电流与电压、电阻的关系。
（2）用“网络画板”体验投针实验。
2.实验步骤
运用数字化工具探究数理知识的实验步骤包括：
（1）收集实验数据。
（2）分析数据，建立模型。
（3）实验验证模型。
（4）利用数字化工具进行数学实验。
四、实验工具与方法
利用思维导图工具和“头脑风暴”的方法组建团队、明确任务；
采用结构化的系统分析方法，使用可视化分析工具，实施探究。
五、实施实验过程
实验1：欧姆在研究电流与电压、电阻关系的实验利用了控制变量法，即保持电压不变，探究电流和电阻的关系；或保持电阻不变，探究电流和电压的关系。我们运用Python工具，利用控制变量法采集实验数据，研究当导体电压保持不变时，通过导体的电流随导体电阻变化的规律。
1.收集实验数据
（1）连接电路图如右图所示。连接电路时注意：接线时开关要断开；闭合开关前，滑动变阻器的滑片要滑到最大阻值处。
（2）把电阻 R1（记下阻值）接入电路，移动滑动变阻器的滑片，使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I1。
（3）把电阻 R1 换成电阻 R2（记下阻值），再次移动滑动变阻器的滑片使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I2。
（4）如此类推，把电阻 R9 换成电阻 R10，再次移动滑片使电压表示数U=3 V，记录电流表示数 I10。
所得到实验数据如表2-2所示。
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2.分析数据，建立模型
运用Python工具处理数据，绘制图像。
（1）绘制散点图。把表2-2中的数据输入Python绘制散点图程序（程序如图中所示）中，执行程序后得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据散点图。
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（2）在“绘制散点图”程序中加上指令“plt.plot（x0,y0）”，执行程序后，得到如下图所示的电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图。
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3.实验验证模型
观察电流 I 与电阻 R 关系数据曲线图后，猜想电流 I 与电阻 R 的关系是反比例关系，于某某 ?? =??÷??的关系对数据作曲线拟合。利用曲线拟合程序，执行后得到如下图所示的电流I与电阻R关系数据曲线拟合图。其中，U=2905.*** mV与电压表的示数基本吻合， 即 ：
?? =2905.67÷??
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经过推理和实验验证，电流 I 与电阻 R 反比例关系成立，即?? =??÷??。
4.利用数字化工具进行数学实验
数字化工具是指能够采集、获取、检索、表示、传输、存储和加工多媒体数字化资源的设备装置。
在信息时代，学习者不仅可以向教师与课本学习，而且还可以高效利用数字化工具与资源的优势，在数字化学习环境中，与学伴和教师高效开展自主、协作、探究学习，创造性地完成具体的学习任务。
实验2: 投针实验。蒙特卡洛方法是计算机模拟的基础，起源于18世纪数学家蒲丰的“投针实验”。投针实验是指在平面上画有一组间距为d的平行线，将一根长度为l（l≤d）的针任意掷在这个平面上，求此针与平行线中任一条相
交的概率。这是一个数学上的概率问题。
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当人们反复进行大量的随机投针实验后，发现了一个独特的现象，即针与平行线中任一条相交的概率是一个常数。那这个常数的倒数是什么呢？下面我们利用开放共享的“网络画板”平台模拟投针实验，体验使用计算机模拟随机实验处理确定性数学问题的思维方法。我们设定平行线的间距d=1，针长l=0.5，抛掷次数a从100到5000，k为记录针与平行线中任一条相交的次数，探究针与平行线中任一条相交的概率的倒数P=a/k的变化。具体操作步骤如下：
（1）在线打开“网络画板”平台，点击“开始作图”按钮，进入画板的作图界面。
（2）点击“文件”菜单的“打开本地文件”按钮，打开并运行投针实验.npc，如下图所示。
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（3）点击“抛掷”按钮，开启或停止“抛掷”，观察P值的变化，重复多次操作，可发现P≈π的近似值，如下图所示。
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六、实验结果
1.知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质；智慧是应用知识解决问题的实践创新能力。
知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质。它来源于实践，经过加工提炼，又高于实践。知识由概念、事实、规则三个基本要素组成，它不仅可以反映个别事物运动状态及其具体的变化方式，更可以反映一类事物运动状态及其共同变化规律。
智慧是达到预定目标，所具有获取、选择、应用知识解决问题的实践创新能力。数据是现实世界客观事物的符号记录；知识是人们运用大脑对获取或积累的信息进行系统化地提炼、研究和分析的结果，能够精确地反映事物的本质；智慧是应用知识解决问题的实践创新能力。
2.数字化资源与学习工具，可以有效地管理学习过程与学习资源
数字化学习与创新是指个体通过评估并选用常见的数字化资源与工具，有效地管理学习过程与学习资源，创造性地解决问题，从而完成学习任务，形成创新作品的能力。具备数字化学习与创新能力的学生，能够认识数字化学习环境的优势和局限，适应数字化学习环境，养成数字化学习与创新的习惯；掌握数字化学习系统、学习资源与学习工具的操作技能，用于开展自主学习、协同工作、知识分享与创新创造，助力终身学习能力的提高。
因数字化学习环境和资源利用方式不同，学习工具、途径和方法多样，数字化学习模式也不尽相同。因此，只有牢固树立数字化学习的意识，学会数字化学习的技术手段和方法，养成数字化学习的习惯，才能促进终身学习，实现自主发展。
七、结语
本章通过“运用数字化工具探究知识”项目，进行自主、协作、探究学习，让同学们体验数字化学习过程，理解数据、信息与知识的相互关系，感受利用数字化工具和资源的优势，从而将知识建构、技能培养与思维发展融入运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中，促进信息技术学科核心素养达成，完成项目学习目标。
附件2：项目学习活动记录表
第二章项目学习活动记录表
班级 小组编号
项目选题
项目主题
项目目的
小组成员及分工
组长：
项目规划
问题列表
编号
问题内容
方法
探究活动
项目实施
活动1：通过学习和交流，结合本组选题，分析并确定小组项目探究时所需要用到的数字化学习工具，体验数字化学习的过程，理解数据、信息、知识与智慧的相互关系。
知识技能
探究步骤
知识发现的有效路径
数据、信息、知识和智慧的相互关系
小组项目成果
活动2：通过交流和调查，汇总各学科教师在教学中所运用到的数字化资源，比较传统 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 实际、符合科学。
5
选题有应用价值、创新价值。
5
选题适宜解决、可行性高。
5
规划与分析
15
准确分析设计的目的。
5
准确分析方案的需求。
5
准确描述方案的功能。
5
工具与方法
10
合理使用数字化工具及资源。
5
围绕项目进行自主、协作学习。
5
步骤与过程
40
理解数据、信息与知识的关系。
10
感受数字化工具和资源的优势。
10
掌握数字化学习的方法。
10
体验数字化创新学习过程，归纳数字化学习特点。
10
成果与报告
15
根据目的，设计出切实可行的方案。
5
正确评估方案的科学性、实效性，能够依据需求选用合适的数字化工具开展学习活动，形成最佳方案。
5
报告内容完整，结构清晰，排版美观。
5
合计得分
100
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