今年暑假，我在一家机构教计算机科学课程。这是一个为期四天的“速成班”，我为旧金山湾区的60名教师做培训。
在这次培训中，科学课的教师们要学会将计算机科学融入课堂。这两者融合不仅可以让学生参与更多的科学课题学习，还会带来很多检验下一代K-12科学标准（以下简称NGSS）的实践活动。
NGSS于2013年发布，旨在使科学教育与科学家的实际工作和思考方式保持一致。它鼓励学生运用批判性思维和原始数据，深入学习科学的概念和内容。目前，美国18个州正式采用了这一标准，有40多个州或地区对其感兴趣或正在准备使用，标准由核心概念（如波浪特性）、实践（如分析和解释数据）和跨学科概念（如因果关系）三部分组成。
一些使用指南直接将NGSS和K-12计算机科学框架、新的CSTA计算机科学标准进行了重叠，以展现两者的关系，见下图。
所以，如果你也想要实施NGSS，可以考虑在科学课中加入计算机科学。
分析数据
分析数据是计算机科学的一个重要课题。我们每天使用手机、各种可穿戴设备，或网上购物，都会直接或间接地产生大量数据。了解如何存储数据，以及如何运用计算机来分析数据，将使这些信息变得更有用途。
科学家通常花费很多时间分析他们得到的实验数据，而不是单纯地做实验，他们随时都在使用现有的计算工具，或为特定需求编写代码。因此，数据在八个NGSS实践章节中的两个章节（分析和解释数据，使用数学和计算思维）里占突出地位并奇怪的。
我的暑期CS专业课教老师们在Excel中使用公式，排序和绘制数据。他们使用data.gov上公开的可用数据集，查找科学相关的主题，如地震和天气。
例如，分析某地的极端天气数据，然后统计出达到一定条件的极端天气次数。
上图统计的是我所在地区的天气。我用这份数据统计出过去20年来造成超过5万美元财产损失的大雨的次数。谷歌表格中的COUNTIFS函数满足诸多条件的极端天气次数计算。在我的例子中，条件是大雨和超过5万美元的损失。计算公式是：
COUNTIFS（E1：E900，“=大雨”，G1：G900，“> 50000”）
最后分析表明，造成我所在地区最大损失的天气事件是大风而不是大雨。
学生可以对真实的气候数据进行类似的计算，然后对结果进行分类或图形化，以佐证天气对某地区的损害的假设。
构建模拟系统
许多科学实验不能在课堂上进行，例如，自然生态系统、放射性环境或自然选择过程。使用模拟可以解决这些问题。学生设置假设，操纵变量，测试想法，收集数据，然后分析和绘制出结果。
模拟为教师提供了有效的方法，满足K-12计算机科学框架中的“发展和使用抽象思考”和“创造计算产品”的要求。例如，科学课要求创建一个简单的生产者-消费者生态系统模型。此时，学生可以使用编程工具建立一个海洋生态系统的计算机模型，并观察鱼类由于食物、温度、污染或捕食者数量变化，而发生的复杂的适应性行为。
NGSS的两个实践章节：“开发和使用模型”以及“使用数学和计算思维”，也可以通过模拟来解决。
值得科学课教师们高兴的是，他们不必成为专业码农，亲自写代码创建计算机模型。目前有几种现成的仿真模型可供老师们使用。通过适当的学习和训练，教师可以教学生如何运行这些模型，还可以阅读和修改一些代码，以丰富自己的实验。
以下是几款有特色的适用于科学课的模型。
Starlogo Nova
麻省理工学院（MIT）的Starlogo Nova是适用于K-12教育的模拟工具。它使用一种简单的基于块的语言，类似于Scratch（今年9月份发布了针对HTML5的重大升级）。一些现成的模型，以及详细的教程可以在Project Guts课程网站上找到，也可以在Code.org的CS in Science中找到。上面的截图就显示了兔子和草的生态系统模型。（注意图表变化，显示了兔子和草的数量变化关系。）
NetLogo
NetLogo是一个基于文本的工具，可以为K-12教师提供强大的建模环境。可以通过网页浏览器下载或使用。在上图的模型中，学生可以改变振幅和频率来研究波形。
Scratch
科学课教师们也可以使用流行的基于块语言的Scratch，让学生建立一个简单的计算机模型，来表示水循环或化学反应等科学现象。在加利福尼亚州的Los Altos学区，我担任计算机科学整合专家，教一些三年级学生使用Scratch制作食物链模型。（上图就是一个学生项目示例）。五年级的学生们也可以把Scratch和Makey Makey联系起来，把他们用纸板制成的物理模型转换成交互式计算机模型，记录使用情况或测验结果。
整合CS到科学课中可让学生更了解CS
除了施行NGSS指导方针外，将CS纳入科学课程还有助于学校普及计算机科学，而无需另加CS课和教师。它也使每个学生都能接触编码，包括那些认为计算机科学与自己无关的人，如女孩、专门的语言学习者等。一旦学生看到CS概念的广泛适用性，就会把它当做解决问题的工具。
编码还能鼓励学生尝试成功和寻找错误，从而提供一种有趣的、实验性的学习方法。之后，这股子兴趣还可以激励学生主动要求学校为他们提供专业的CS课程。
最重要的是，引入计算机科学项目和活动可以为科学课的其他内容带来一种创新的、实验性的元素。CS与科学课的融合还可以帮助那些没有CS选修课，或者由于课程安排冲突，无法增加CS选修课的学校。（由于教师短缺，许多学校的选修课都是有限的。）
将CS课程融入科学课是可行的。教师需要专业化的培训，并需要教学管理人员、其他教师、家长和专业学习社区的长久支持。在可能的情况下，计算机科学教师或计算机科学整合导师也可以帮助教师们弥补差距。
我希望，渴望实施NGSS的科学课教师们能够将这些想法融入自己的课堂，让学生们一睹计算机科学的风光。
附下一代K-12科学标准（NGSS）
https://www.nextgenscience.org/
K-12计算机科学框架：
https://k12cs.org/
CSTA计算机科学标准：
https://www.csteachers.org/page/standards
来源：Edsurge
作者：Sheena Vaidyanathan
智能观 编译
—完—
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