“應(yīng)用工具、設(shè)計(jì)方案類”科技創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

姬釗 李昕旸 郝薇 唐瑞鶴 郭曉麗 唐瓏暢 魏銳

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段3部分組成，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、測(cè)繪地理信息、森林防火、通信時(shí)統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新的活力[1]。

在本項(xiàng)目中，學(xué)生通過了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理，學(xué)習(xí)使用該系統(tǒng)進(jìn)行平面定位，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，最終繪制1 幅校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖。這種北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的科普方式，主要為學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)該系統(tǒng)的定位功能及其強(qiáng)大之處，也為學(xué)生了解部分北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理的核心理論。本案例屬于“應(yīng)用工具、設(shè)計(jì)方案類”科技創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)項(xiàng)目，該類項(xiàng)目的作品是圍繞相應(yīng)的問題解決任務(wù)讓學(xué)生設(shè)計(jì)解決方案、產(chǎn)品等，對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)既注重如何對(duì)解決方案進(jìn)行規(guī)劃，又注重如何應(yīng)用多樣化的工具將解決方案落地、實(shí)現(xiàn)。本案例以期為該類型的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)提供借鑒。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

教學(xué)應(yīng)著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，為學(xué)生提供帶有難度的內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮其潛能，超越其最近發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一發(fā)展階段的水平，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個(gè)發(fā)展區(qū)的發(fā)展[2]。我們的課程旨在引導(dǎo)學(xué)生通過必要的幫助，了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理，具有培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)化思維發(fā)展和激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)新事物興趣的作用，同時(shí)也面臨一大挑戰(zhàn)，即低齡學(xué)生的低認(rèn)知水平。為此，在了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理時(shí)應(yīng)停留在應(yīng)用的層面。

本項(xiàng)目以“如何從運(yùn)動(dòng)會(huì)看臺(tái)最快到達(dá)比賽場(chǎng)地”這一核心驅(qū)動(dòng)問題展開活動(dòng)，以“三步走”的形式完成核心項(xiàng)目成果。第一階段，在不借助任何輔助工具的幫助下，僅依靠自己的既有認(rèn)知繪制校園地圖草圖;第二階段，了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作原理，并學(xué)習(xí)借助北斗接收機(jī)或智能手機(jī)進(jìn)行定位測(cè)距，再將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理;第三階段，將前兩步的階段性成果進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，繪制最終的核心項(xiàng)目成果。

本項(xiàng)目從核心驅(qū)動(dòng)問題出發(fā)，通過學(xué)習(xí)使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，繪制校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖，培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)化思維，并了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用，突顯在解決問題的過程中“應(yīng)用工具、設(shè)計(jì)方案類”科技創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

項(xiàng)目規(guī)劃

本項(xiàng)目的最終目標(biāo)是完成1 幅校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖，是明確的解決問題、達(dá)成目標(biāo)類的項(xiàng)目。針對(duì)這類項(xiàng)目也具有清晰結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目規(guī)劃思路（如圖1）。

本項(xiàng)目從學(xué)生的生活中發(fā)現(xiàn)問題：“校園運(yùn)動(dòng)會(huì)時(shí)，有很多其他校區(qū)或是友好校的同學(xué)因?yàn)檎也坏綀?chǎng)地或是衛(wèi)生間等地方而東問西問，很可能在橫穿其他正在比賽的場(chǎng)地時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)?！边@樣一個(gè)真實(shí)的情境引發(fā)學(xué)生思考，從而明確本項(xiàng)目的真實(shí)需求，以及真實(shí)需求對(duì)應(yīng)的核心任務(wù)，從而確認(rèn)項(xiàng)目的起點(diǎn)。在解決問題時(shí)，學(xué)生首先會(huì)想到：能不能有個(gè)場(chǎng)地平面圖，詳細(xì)標(biāo)注好各個(gè)區(qū)域的位置，同時(shí)還有去往某個(gè)區(qū)域的導(dǎo)流路線圖，這樣就能一目了然知道自己的目的地及前往的路線，從而避免橫穿比賽場(chǎng)地導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。學(xué)生自然而然地想到我們最終形成的是一個(gè)指向類似場(chǎng)地平面圖的成果，從而確認(rèn)項(xiàng)目的終點(diǎn)。

在從起點(diǎn)通往終點(diǎn)的路徑上，本項(xiàng)目作出如下拆解（如表1）。

任務(wù)1：初步繪制校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖。有的學(xué)生能想到已經(jīng)學(xué)習(xí)過如何繪制平面圖，只要標(biāo)注好各個(gè)區(qū)域和各種場(chǎng)地的信息就能初步完成。但是繪制完成后，發(fā)現(xiàn)每幅圖畫得都不一樣，可能有的圖400 米跑道比教學(xué)樓寬很多，但實(shí)際上是一樣寬，這就導(dǎo)致使用這幅導(dǎo)流圖的人沒辦法將圖上的標(biāo)志和實(shí)際建筑物聯(lián)系起來;還有可能使用者按照?qǐng)D上的路線找衛(wèi)生間，但是一路上可能會(huì)走石子路或是爬樓梯，甚至遇到封閉的教學(xué)樓，導(dǎo)致使用者無法按照標(biāo)注的路線穿過等。類似這些情況就是通往終點(diǎn)路徑上我們遇到的問題。

任務(wù)2：用北斗系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)。學(xué)生了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其工作原理后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)如何借助該系統(tǒng)幫助我們客觀精準(zhǔn)地測(cè)量某些區(qū)域的真實(shí)尺寸。

任務(wù)3：規(guī)范繪制校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖。學(xué)生將測(cè)得的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)地考察后重新規(guī)劃的導(dǎo)流路線信息組合成校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖。至此，我們即將到達(dá)這個(gè)項(xiàng)目的終點(diǎn)。

此時(shí)，本項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生重新審視手中的導(dǎo)流圖，能否客觀真實(shí)地映射出校園運(yùn)動(dòng)會(huì)各個(gè)區(qū)域及建筑物的真實(shí)情況，以及導(dǎo)流路線是否安排合理？如果能夠達(dá)到啟動(dòng)項(xiàng)目時(shí)的期望，就代表成功到達(dá)終點(diǎn)。

活動(dòng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基于學(xué)生已有的基礎(chǔ)和認(rèn)知特點(diǎn)，教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生深度參與，著眼于問題解決思路，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)思考。如任務(wù)1“初步繪制校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖”中，基于小學(xué)高年級(jí)學(xué)生及初中學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知特點(diǎn)，學(xué)生自己就能夠想到首先要繪制1 幅場(chǎng)地平面圖，在此基礎(chǔ)上再繪制導(dǎo)流路線，也就形成了最初的設(shè)計(jì)方案。但是偌大的場(chǎng)地，誰都不知道具體的尺寸數(shù)據(jù)，必然畫出來的圖都不準(zhǔn)確，我們?nèi)绾握闪砍叽缒?？學(xué)生自主提出丈量場(chǎng)地的方法，于是本項(xiàng)目順勢(shì)在此處安排活動(dòng)探究，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，寫出所有與丈量方法有關(guān)的關(guān)鍵詞，然后從項(xiàng)目組成員頭腦風(fēng)暴的結(jié)果中自主挑選出公認(rèn)的丈量方法進(jìn)行丈量。

同學(xué)們，繪制一幅標(biāo)準(zhǔn)的校園地圖，前提是我們要先清楚校園的占地面積，以及校園內(nèi)各建筑物的位置和占地面積，當(dāng)然，運(yùn)動(dòng)會(huì)的看臺(tái)、檢錄處等也在我們的丈量范圍內(nèi)。在丈量校園場(chǎng)地的過程中，我們面臨最重要的問題就是使用什么方法丈量。

活動(dòng)探究

以“丈量校園場(chǎng)地”為中心，寫出你能夠想到的全部有關(guān)丈量方法的關(guān)鍵詞。

當(dāng)學(xué)生獲得了粗測(cè)數(shù)據(jù)后就迫不及待地開始動(dòng)手繪制，此時(shí)就會(huì)引發(fā)新的問題：好幾百米的數(shù)據(jù)要怎么畫在紙上？畫在多大的紙上？樹林等是否需要畫？

新問題引發(fā)新需求：需要統(tǒng)一的繪圖標(biāo)準(zhǔn)。此處本項(xiàng)目又順勢(shì)安排了一個(gè)方法引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生思考我們的繪圖標(biāo)準(zhǔn)是什么？都需要在圖上表達(dá)出哪些元素？

同學(xué)們，相信大家已經(jīng)搜集到很多數(shù)據(jù)，下面我們就要讓這些數(shù)據(jù)真正發(fā)揮作用啦！

方法引導(dǎo)

● 我們需要以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)繪圖？

● 還有哪些元素需要在圖中呈現(xiàn)出來？

當(dāng)繪圖標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成共識(shí)后，再經(jīng)過一段時(shí)間，學(xué)生將粗測(cè)的數(shù)據(jù)與場(chǎng)地平面圖按照制訂的繪圖標(biāo)準(zhǔn)繪制出來，校園運(yùn)動(dòng)會(huì)的場(chǎng)地圖就已具雛形了。學(xué)生在此基礎(chǔ)上開始繪制導(dǎo)流路線時(shí)會(huì)再次發(fā)現(xiàn)新問題：從一個(gè)地方到達(dá)另一個(gè)地方的路線很多，該如何選擇？如果都選擇最短直線，必然會(huì)出現(xiàn)路線交叉導(dǎo)致人員沖撞，該如何解決？

新問題再次引發(fā)新需求：需要根據(jù)地點(diǎn)差異，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)芈肪€規(guī)劃。本項(xiàng)目順勢(shì)在此處安排一個(gè)交流研討，引導(dǎo)學(xué)生思考：哪些因素會(huì)影響我們決定導(dǎo)流路線？這些因素之間有優(yōu)先級(jí)嗎？哪些路線可以舍近求遠(yuǎn)？哪些必須取最短？通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生研討如何安排這些錯(cuò)綜復(fù)雜的路線，才能達(dá)到效果最優(yōu)。

交流研討

● 關(guān)于舉辦校園運(yùn)動(dòng)會(huì)時(shí)前往各處的路線規(guī)劃，有哪些需要關(guān)注的地方？

● 運(yùn)動(dòng)員沿著怎樣的路線行進(jìn)，才能從班級(jí)、看臺(tái)等地方到達(dá)檢錄處或比賽場(chǎng)地？

● 你為運(yùn)動(dòng)員安排的路線途中，有沒有禁行區(qū)域、臺(tái)階、坡道、石子路、交叉路口等需要人們特別注意行進(jìn)路況的地方？

不如讓我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)表格吧！把運(yùn)動(dòng)員從看臺(tái)出發(fā)，前往各個(gè)比賽檢錄處的路線，以及所有需要關(guān)注的地方都清晰地列出來。

當(dāng)學(xué)生的校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖初步成熟，逐漸具備實(shí)用性時(shí)，本項(xiàng)目安排了一個(gè)方法引導(dǎo)和一個(gè)自主思考，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行溯源回顧：截至目前，我們?yōu)榱死L制這幅圖而商討了哪些要點(diǎn)？達(dá)成了哪些共識(shí)？解決了哪些問題？進(jìn)行必要的小結(jié)與結(jié)構(gòu)化歸總。

到這里，你已經(jīng)將校園地圖初步繪制出來了。讓我們一起回顧一下初步繪制校園地圖的過程吧！將來你也可以使用類似的過程，完成其他的任務(wù)，要學(xué)會(huì)學(xué)以致用哦！

方法引導(dǎo)

● 確定繪制紙張的大小。

● 確定繪制比例尺。

● 繪制校園地圖及圖例。

讓我們看一看其他組同學(xué)繪制的校園地圖吧！先判斷1 幅地圖是否完整，再尋找每個(gè)組作品的閃光點(diǎn)和改進(jìn)點(diǎn)，以便于對(duì)校園地圖作出改進(jìn)。請(qǐng)邊看邊思考我們要從哪幾個(gè)方面判斷1 幅校園地圖是否完整呢？

自主思考

1 幅完整的校園地圖應(yīng)包含哪些元素？

在學(xué)生由點(diǎn)到面的回憶交流過程中，通過對(duì)不同方案進(jìn)行觀察比較，會(huì)逐漸發(fā)現(xiàn)每個(gè)組的圖都存在差異，差異產(chǎn)生的原因是項(xiàng)目起始時(shí)丈量場(chǎng)地時(shí)得到的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，是粗糙的，因此無法確定現(xiàn)有的導(dǎo)流圖是否具備實(shí)用性。要想從根本上解決測(cè)量不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)不精確的問題，就得更換丈量場(chǎng)地的方法，就要獲得最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

新問題再次引發(fā)新需求：需要更換測(cè)量方式獲取更加精確的數(shù)據(jù)。在此處順勢(shì)安排一個(gè)交流研討，如何保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，能否借助必要的工具，為任務(wù)2 的開啟作準(zhǔn)備。整個(gè)任務(wù)1 共引導(dǎo)學(xué)生6 次深入思考和深度參與。

交流研討

每個(gè)組丈量校園場(chǎng)地的尺寸不同，如何保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確？

看來，在測(cè)量占地面積比較小的場(chǎng)地時(shí)，我們可以使用腳步丈量的方法，但是在測(cè)量占地面積比較大的場(chǎng)地時(shí)，腳步丈量的方法就不太準(zhǔn)確了，需要借助其他工具進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

每一次學(xué)生思考的引發(fā)，都是學(xué)生深度參與的結(jié)果，我們不是規(guī)劃者，而是鋪路者，學(xué)生的思維發(fā)展到哪里，我們的路就鋪到哪里，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，關(guān)注學(xué)生深度參與的目的。

每個(gè)任務(wù)中活動(dòng)的設(shè)置都指向了這個(gè)任務(wù)的目標(biāo)，通過多個(gè)活動(dòng)相互聯(lián)系、階梯性地達(dá)成階段性目標(biāo)。當(dāng)這些階段性目標(biāo)達(dá)成后，這一上位的任務(wù)目標(biāo)也得到了回應(yīng)和解決。同樣，眾多任務(wù)的設(shè)置也是依照最開始啟動(dòng)項(xiàng)目時(shí)的核心任務(wù)需求和指向核心任務(wù)需求的項(xiàng)目成果展開的。

項(xiàng)目特色

本項(xiàng)目的特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

● 重素養(yǎng)發(fā)展?！氨倍防L地圖”項(xiàng)目的框架搭建具有解決問題、達(dá)成目標(biāo)類項(xiàng)目問題拆解過程的一般性，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目自身的特殊性，為學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)、多素養(yǎng)發(fā)展提供平臺(tái)。

● 重深入思考。在整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中，教師進(jìn)行角色扮演，在真實(shí)場(chǎng)景中遇到的每一個(gè)問題都會(huì)追問具體的解決過程?；诖舜罱?xiàng)目框架，設(shè)計(jì)多類型的學(xué)生活動(dòng)，每個(gè)問題的引導(dǎo)都要基于學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和認(rèn)知特點(diǎn)，以促使學(xué)生深入思考、關(guān)注學(xué)生深度參與為目的，從而發(fā)展學(xué)生的思維。

● 重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。每個(gè)任務(wù)及活動(dòng)的問題拆解都是緊緊圍繞其上位目標(biāo)而設(shè)置的。在解決問題的過程中，注重問題解決思路的表達(dá)與外顯，具有很強(qiáng)的遷移性和創(chuàng)造性，同時(shí)也體現(xiàn)了“應(yīng)用工具、設(shè)計(jì)方案類”科技創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的特色。

● 重遷移延伸。項(xiàng)目成果不僅可以用于校園運(yùn)動(dòng)會(huì)，同時(shí)也可以作為校園文創(chuàng)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。學(xué)生在了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位方法的基礎(chǔ)上，還可以思考其在日常生活中的技術(shù)提升和發(fā)展，突破區(qū)域界限實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

使用建議

本項(xiàng)目主要針對(duì)具有科學(xué)探究基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)技術(shù)濃厚興趣的小學(xué)高年級(jí)學(xué)生及初中學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)。在使用過程中，可以針對(duì)不同的學(xué)生設(shè)定不同的項(xiàng)目目標(biāo)。如小學(xué)高年級(jí)學(xué)生重在了解北斗系統(tǒng)，能夠簡(jiǎn)單使用北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位，準(zhǔn)確繪制校園運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)流圖，豐富科學(xué)探究經(jīng)驗(yàn);初中學(xué)生重在了解北斗系統(tǒng)定位原理，在應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行遷移創(chuàng)新，發(fā)展核心素養(yǎng)，尤其是創(chuàng)新素養(yǎng)，促進(jìn)高水平自主探究。

本項(xiàng)目的實(shí)施需要有能夠接收北斗衛(wèi)星信號(hào)的智能手機(jī)，或是專業(yè)的北斗接收機(jī)配合使用。項(xiàng)目整體呈現(xiàn)先發(fā)散后收斂的形式，所以在項(xiàng)目前期要適時(shí)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)意進(jìn)行引導(dǎo)和肯定，而在項(xiàng)目后期，則需要將目光聚焦在每一幅不同的作品上。

在本項(xiàng)目的教學(xué)中，著重關(guān)注應(yīng)用工具解決問題的突顯，除了完成項(xiàng)目?jī)?nèi)容本身，同時(shí)重視在解決問題形成路徑對(duì)設(shè)計(jì)方案的沉淀，期望可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿的發(fā)展及其在日常生活中的應(yīng)用。同時(shí)，也希望參與的師生能夠更加關(guān)注對(duì)解決問題形成路徑的挖掘，師生一同探索前往終點(diǎn)路徑上的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于不同年級(jí)段的學(xué)生，其項(xiàng)目活動(dòng)的開放度、成果形式等應(yīng)該有所區(qū)別，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整。