书名：数码探科学
ISBN：978-7-115-54731-6
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主 编 项 华 毛澄洁
责任编辑 吴晋瑜
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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网址 http://www.ptpress.com.cn
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本书是基于“数字科学家计划”的基础课程编写的。全书分为课程篇、技能篇、工具篇和案例篇四部分。课程篇给出了12个生动有趣的主题，运用探究式的方法，引导读者了解“数据科学家计划”所提倡的“实物探”“理论探”和“数码探”方法，帮助他们提高解决科学问题的能力。技能篇详细介绍了观察、推理、预测、分类、建模、交流和科学测量共7种探究式学习技能，并辅以实际活动示例，帮助读者更好地将理论讨诸实践。工具篇主要介绍本书用到的辅助工具，包括数码相机、几何画板、Scratch 3.0和Algodoo（爱乐多）。案例篇展示了由学生实现的8个案例，让读者切实了解“数码探科学”的实践意义，以更好地开展自己的实验。
本书可作为中小学校本选修课程的教学用书，也可作为小学高年级和初中低年级学生的科学读物。
主 编：项 华 毛澄洁
编 委：
郝晋青 滕 珺 吴俊杰 梁 婷 沈 耘
谭振兴 马 亮 覃 芳 段 捷 眭衍波
项杰庭 刘 成 吉广智 王熙淳 辛丽蓉
李梦悦 杨树梁 刘 佳 雷丽媛 徐孟璇
杨双伟 赵明珠 陈文香 魏留芳 胡海军
骆玉香 宋 洁 罗 乐 聂 榕 朱美霞
宋晶晶 周 晶 谢作如
进入21世纪，科学技术日新月异。信息技术、生命科学、认知科学以及纳米技术这四大科技领域的融合将给人类带来巨大的影响。与此同时，云计算、虚拟现实（VR）、3D打印技术、纳米机器人、克隆生物技术等人工智能技术扑面而来，我们该如何应对随之而来的复杂且颇具不确定性的环境变化呢？
应对急剧变化环境的法宝是采取探究式学习方法。所谓探究式学习，就是像科学家一样去探索、研究和创造。事实上，探究就是指探索和研究。与其说探究是一种能力，不如说它是一种态度和行为习惯。人的探究意识很强，这源自人类趋利避害的本能。21世纪的人们应该具备批判性思考能力、创造力、沟通与交流能力、跨文化能力以及合作能力。要养成这五种能力，离不开探究式学习。
“数字科学家计划”是一个面向未来的A-STEM创客教育项目，具有核心素养引领性、创新性、跨学科性、工程性和数字化工具性等特点。“数字科学家计划”基于探究式学习构建、重构课程，旨在引导青少年使用数码相机、计算机仿真与编程、互联网等数字化手段，帮助他们提高解决具有真实性、综合性、复杂性特点的科学问题的能力，进而更好地应对人工智能技术带来的挑战。
本书是基于“数字科学家计划”的基础课程编写的。通过本书，你可以了解到探究世界的3种基本手段：其一，基于实物实验的“实物探”，简单易行；其二，基于学科专家型知识的“理论探”，深刻、严谨、有效；其三，基于计算机信息技术的“数码探”，现代时尚，与科学研究前沿接轨。综合运用“实物探”“理论探”和“数码探”这3种基本手段，你可以从容地游弋于物质世界和数据海洋中。通过本书，你将亲历科学探究过程，掌握数据“观”与“测”的基本知识与技能，体会其中包含的科学思想与方法，体验数据挖掘、交流与传播的价值，养成数据探究的意识和习惯……
本书是针对小学高年级和初中低年级学生编写的。本书分为四部分，分别是“课程篇”“技能篇”“工具篇”和“案例篇”。“数字科学家计划”系列课程具有主题开放性和探究性，在就内容深度和探索范围加以改编之后，既可以用于小学高年级学生的探究式学习活动，也可用于低年级的学生探究式学习。本书可供中小学校教师开设校本选修课程之用，也可供中小学校教师专业发展培训之用，还可供科学教育研究人员参考之用。
北京师范大学物理学系 项华
北京景山学校 毛澄洁
课程篇依据“数字科学家”探究式实践理念和混合式教学模式，选取一些趣味性强、与生活密切相联的基本主题，引导学生探索这些主题，培养他们选用数字化工具的意识，激发他们用数字化工具观察科学现象的兴趣，使之具备用数字化工具解决实际问题的基本技能。
美丽的校园里有许多高大的树（图1-1）。这些树有多高？如何测量一棵树的高度？
图1-1 校园里的大树
目标导航1．树立屏幕间接测量的意识。
2．树立团队解决问题的意识。
3．了解长度测量的基础方法。
4．会用“比例”解决问题。
抱团吧1．按随机原则分组（每组3～4人）：每位同学抽取一张卡片，抽到相同颜色（或相同号码）的同学为一组。
2．通过小组协商或者自荐产生本项目的组长。
3．组员自愿（或组长分配）明确自己的个人角色。角色参照如下。
（1）组长：负责组织工作，协调各种活动，分配任务，当组员遇到疑惑时，负责询问，并为小组下一步行动提供建议，同时可以协助其他组员完成任务。
（2）设计师：负责设计本组logo以及海报的整体设计等。
（3）数据记录员：负责记录本项目的数据等。
（4）材料管理员：负责小组资料以及材料的收集整理，协助其他同学完成任务。
注意：
（1）可自行添加角色，如摄影师、时间管理员、汇报员等。
（2）组员可以一人担任多个角色。
很多时候，我们无法直接测量一些东西，比如，不能直接测量太阳的高度。但是，可以根据对象之间的关系进行间接测量，比如，通过注射器（图1-2）内药液的高度得到药液的体积。用于间接测量的工具还有很多，如图1-3所示的游标卡尺和圆规，又如图1-4所示的天文望远镜。
图1-2 注射器
图1-3 两种长度测量工具
图1-4 天文望远镜
再如，通过测量书的厚度间接测量每页的厚度（图1-5），抑或用机械轮式测距仪（图1-6）间接测量跑道的长度。
图1-5 间接测量一本书每页的厚度
图1-6 机械轮式测距仪
借轮子的滚动来测长度，如利用自行车轮测出弧形跑道的长度。长度=轮子周长×轮子转动的圈数。
科学家或工程师经常通过拍照、观察与测量照片等方法解决问题，这就是成像测量技术，比如，天文学家借助天文望远镜研究天体运动，又如医生通过X光片为病人诊断病情。
设计吧1．头脑风暴。请思考如何测量大树的高度。请各小组成员把自己的测量想法记录下来。
2．分享思路。小组内讨论，选出本组最优的测量方法，并记录下来。
数码相机是数码照相机的简称，又名数字式相机，是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机，如图1-7所示。数码相机一般兼具拍照与摄像功能。扫描图1-8所示的二维码，可以了解数码相机的基本使用方法。
图1-7 数码相机
图1-8 数码相机的使用方法
几何画板是一款既可以测量计算机屏幕上长度、面积、周长、角度等数学量，又可以用来制作动画的软件。它的图标如图1-9所示。扫描图1-10所示的二维码可以了解用几何画板分析树高的方法。
图1-9 几何画板的图标
图1-10 利用几何画板分析树高
比例尺用于表示图上一条线段的长度与地面相应线段的实际长度之比。公式为：比例尺=图上距离/实际距离。比例尺有3种：数值比例尺、图示比例尺和文字比例尺。图1-11显示了如何利用比例尺测量铁球的直径。扫描图1-12所示的二维码，可以进一步了解比例尺的相关内容。
图1-11 利用比例尺测量铁球的直径
图1-12 比例尺的相关内容
一个量的观测值或计算值和它的实际值（真值）之间的差就是误差。也就是说，一个量在测量、计算或观察过程中因某些不可控制因素的影响而造成偏离标准值或规定值的数量。误差是不可避免的。
当观测值大于真值时，误差为正，表明测定结果偏高；反之，误差为负，表明测定结果偏低。在测定的绝对误差相同的条件下，待测组分含量越高，相对误差越小；反之，相对误差越大。因此，在实际工作中，常用相对误差表示测定结果的准确度。
再设计1．借助数码相机设计大树高度的测量方案。
2．小组合作，完成方案设计海报（其中包括人员分工、工具和步骤等）。
观测吧准备好了吗？请带上拍照工具，一起来和大树合个影吧！如图1-13所示。
图1-13 照相
要求：一人当模特，一人照相。
得到与大树的合照之后，需要把照片导入几何画板中，然后利用屏幕测量工具，测出合照中树的高度和人的高度，再根据比例尺换算得到树的实际高度，并将数据记录在表1-1中。
表1-1 数据表格
| 记录数据名称 |
数值 |
|---|---|
| 屏幕中树的高度h |
|
| 屏幕中人的高度r |
|
| 人的实际高度R |
|
| 树的实际高度H |
交流吧小组之间的交流可以促进组内的共同进步，请各小组成员把自己的结果和处理过程加以展示，在展示过程中需要说明以下情况。
（1）小组名称和成员介绍。
（2）小组成员分工和职责介绍。
（3）如何实施测量的，得到了哪些数据。
（4）拍照的时候要注意些什么。
（5）同一张照片，测得的大树的高度是否一致。同一棵树，大树的高度是否一致。如果不一致，误差来源是什么。
（6）得到的结果和树的实际高度是否完全一致。
（7）怎样做才可以让测量结果更加准确。
总结吧1．在拍与大树的合照时需要注意什么?
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2．为了提高测量的准确性，我们可以怎样改进测量方案？
3．成像测量技术具有哪些优势？
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拓展吧试用成像测量技术解决一个实际问题。
图1-14所示的是北京自然博物馆的恐龙化石。请试着用成像测量技术看一看它有多高、有多长。
图1-14 北京自然博物馆的恐龙化石
