邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:16.00

[追踪]第一届全国科创项目式学习方案征集活动案例:为科技馆馆车设计一条最优路线

文_魏浩然/慈溪科技馆

2022-12/总第321期

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学生在下课后家长没有办法准时接回家,会让部分学生产生失落感。为此,科技馆为了解决学生长时间停留在馆等待接送现状,同时减少家长负担,以减少学生回家路程上的平均时间为目标,请学生为馆车设计一条送学生回家的最优路线。因此,“为科技馆馆车设计一条最优路线”项目是从学生的实际需求出发设计的项目式学习方案。本项目将编程计算思维融入项目环节中,通过收集数据、分析数据、设计路线、验证方案、成果展示等环节,引导学生沉浸式体验科学家探究问题、解决问题的流程,培养科学探究思维。活动重点关注学生的团队协作、数据整理分析能力,要求学生在真实情境中获取数据,识别其中的变量与关系,提出问题与假设,并与给定的情境相结合,然后利用编程思维设计解决方案,最后对结果进行解释与验证。引导学生使用所学的知识,运用不同的策略思考和解决现实问题。

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慈溪市1:550城市模型


项目准备

科学知识

重点认识比例尺、方向、图例地图三要素;掌握比例尺计算,能够通过比例尺测量和计算实际距离;认识坐标系;了解编程计算思维在项目中的应用。

科学探究

通过收集组内学生位置信息,分析数据规划路线,培养学生提出问题进行假设,以及利用实验验证的科学探究能力;了解如何在实际操作中运用科学原理、模型和理论;认识探究成果对科学决策产生的积极影响(馆车设计路线对学生的影响)。

科学态度

大胆假设,小心求证,培养学生实事求是的科学态度;团队合作分工有序,能够倾听和尊重他人提出的不同观点并交换意见。

科学理念

了解设计馆车路线的科学原理在生活中的应用,利用科学的方法提高生产生活效率,用实际行动保护生态环境,增强环保意识和社会责任感。


项目分析

本项目适用于初中学生,建议分组实施,每组5~7人。活动从学生身边出发,与学生生活息息相关,引导学生从实际生活中发现问题,通过科学思维分析问题,利用科学方法解决问题。通过关联生活实际的学习形式,有助于学生对项目主题思想的理解,进而切身体会到设计最优路线对实际生活的影响。通过贪吃蛇游戏,激发学生的兴趣,充分调动学生学习的积极性,在充满乐趣的氛围中,探寻游戏背后的科学原理,从游戏中学习最优路线的设计思维。尝试在项目式学习中把编程思维融入到教育实践活动中,融合多学科知识,进行知识迁移,解决馆车最优路线的问题。


项目实施

阶段1:我家在哪里?

项目引入 部分学生不能及时回家,独自等待心情较为失落,为此科技馆将派出馆车送每位学生回家,可是车辆管理员遇到了一个问题,这么多学生先送谁回家呢?学生以此作为驱动问题引出项目主题:如何才能设计一条最优的馆车路线。项目初探以生活常见场景构建项目情景,引导学生了解项目内容和目的,引发学生思考如何计划路线才能达到路线最优和节约能源的目的。引导学生明确需要解决的问题,需要提前掌握什么科学方法和知识技能,以及收集哪些信息,为初步设计路线作铺垫;思考设计路线需要了解哪些信息,引导每组学生讨论并记录所需信息类别;鼓励学生主动分享讨论结果,引导学生筛选出必要信息和非必要信息。

认识地图 引导学生仔细观察地图(根据所在城市选择地图),掌握查看地图的方法;引导学生分别在地图上标记自己所居住的位置,规划到科技馆的路线及距离,按照比例计算出对应的实际距离;引导学生互相讨论和交流,分享包括居住地到科技馆的路线及距离等地图数据。

阶段2:初步路线设计方案

指导学生根据组内学生的地图和距离数据,不考虑最优路线,设计一条自己优先回家的馆车路线;引导学生根据组内共享的数据,分别设计一条路线,并在图上计算总路程。引导组员展示自己初步设计的路线,鼓励学生积极讨论和交流,分析各个设计方案的优势和不足之处。对比组员自行到科技馆路程之和,引导学生思考如何才能设计一条最优的馆车路线。

阶段3:聪明的贪吃蛇

最优路线设计思维 引导学生设计贪吃蛇游戏,规则如下:在方格坐标系中(图1),贪吃蛇每吃到一个果子,身体便会变长一节,贪吃蛇只能沿着格子的直角路线走,不能穿过格子走对角线。比如,贪吃蛇要吃到黄色D豆子,从原点起它需要走4步。按照这个规则,每组帮助贪吃蛇规划路线,以最少的格子数吃完5颗豆子,组员合作完成一份最优方案。通过贪吃蛇游戏,充分调动学生学习的积极性,引导学生在充满乐趣的氛围中,探寻游戏背后的科学原理,从游戏中学习最优路线设计思维。

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图1

聪明的贪吃蛇 引导学生体验聪明的贪吃蛇,用Python编写随机“豆子”。每次启动游戏,会随机输15个坐标点,自定义5个豆子的序号,程序就会计算出最优的吃豆子路线。指导学生在贪吃蛇游戏的基础上,设计不同的方案,探究贪吃蛇最优吃豆子路线的设计原理;引导学生将馆车路线问题对比聪明的贪吃蛇游戏,每位组员的家对应“豆子”,在坐标系内获取对应“距离”数据;通过编程算法,让学生理解最优路径的设计思维。

阶段4:最优馆车路线设计

指导学生学习“聪明的贪吃蛇”程序计算最优路线的编程思维,对数据进行分析观察,理解每一环节中的科学原理,引导学生理解并掌握该程序最优路线的编程思维;指导学生计划出每位学生回家的先后顺序,引入坐标系,生成家庭目的地坐标,计算出总路程;指导学生对行程数据进行分析,完成最优路线设计,规划最优馆车路线。

阶段5:成果交流与展示

鼓励学生采取PPT或将路线绘制在地图上等形式与教师、同学交流设计成果,阐述设计最优路线的思路与方法,并分享设计过程中遇到的问题及解决问题的思路历程。提前预备车辆,项目活动结束后,按照学生选出的最优路线,依次送学生回家。通过实践验证最优设计的路线是否符合预期目标;鼓励学生统计实际总路程与图上设计路程的误差,分析原因,并对最优路线进行改进和优化。


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