“应用工具、设计方案类”科技创新项目式学习设计

姬钊 李昕旸 郝薇 唐瑞鹤 郭晓丽 唐珑畅 魏锐

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段3部分组成，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力[1]。

在本项目中，学生通过了解北斗卫星导航系统的工作原理，学习使用该系统进行平面定位，并进行简单的数据处理，最终绘制1 幅校园运动会导流图。这种北斗卫星导航系统的科普方式，主要为学生在学习中体验该系统的定位功能及其强大之处，也为学生了解部分北斗卫星导航系统定位原理的核心理论。本案例属于“应用工具、设计方案类”科技创新项目式学习项目，该类项目的作品是围绕相应的问题解决任务让学生设计解决方案、产品等，对学生的指导既注重如何对解决方案进行规划，又注重如何应用多样化的工具将解决方案落地、实现。本案例以期为该类型的项目式学习设计提供借鉴。

项目简介

教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有难度的内容，调动学生的积极性，发挥其潜能，超越其最近发展区而达到下一发展阶段的水平，然后在此基础上进行下一个发展区的发展[2]。我们的课程旨在引导学生通过必要的帮助，了解北斗卫星导航系统的工作原理，具有培养学生结构化思维发展和激发学生对学习新事物兴趣的作用，同时也面临一大挑战，即低龄学生的低认知水平。为此，在了解北斗卫星导航系统工作原理时应停留在应用的层面。

本项目以“如何从运动会看台最快到达比赛场地”这一核心驱动问题展开活动，以“三步走”的形式完成核心项目成果。第一阶段，在不借助任何辅助工具的帮助下，仅依靠自己的既有认知绘制校园地图草图;第二阶段，了解北斗卫星导航系统及其工作原理，并学习借助北斗接收机或智能手机进行定位测距，再将收集到的数据进行简单处理;第三阶段，将前两步的阶段性成果进行有机结合，绘制最终的核心项目成果。

本项目从核心驱动问题出发，通过学习使用北斗卫星导航系统的定位功能，绘制校园运动会导流图，培养学生的结构化思维，并了解北斗卫星导航系统在生活中的应用，突显在解决问题的过程中“应用工具、设计方案类”科技创新项目式学习的特点。

项目规划

本项目的最终目标是完成1 幅校园运动会导流图，是明确的解决问题、达成目标类的项目。针对这类项目也具有清晰结构的项目规划思路（如图1）。

本项目从学生的生活中发现问题：“校园运动会时，有很多其他校区或是友好校的同学因为找不到场地或是卫生间等地方而东问西问，很可能在横穿其他正在比赛的场地时发生危险。”这样一个真实的情境引发学生思考，从而明确本项目的真实需求，以及真实需求对应的核心任务，从而确认项目的起点。在解决问题时，学生首先会想到：能不能有个场地平面图，详细标注好各个区域的位置，同时还有去往某个区域的导流路线图，这样就能一目了然知道自己的目的地及前往的路线，从而避免横穿比赛场地导致危险的发生。学生自然而然地想到我们最终形成的是一个指向类似场地平面图的成果，从而确认项目的终点。

在从起点通往终点的路径上，本项目作出如下拆解（如表1）。

任务1：初步绘制校园运动会导流图。有的学生能想到已经学习过如何绘制平面图，只要标注好各个区域和各种场地的信息就能初步完成。但是绘制完成后，发现每幅图画得都不一样，可能有的图400 米跑道比教学楼宽很多，但实际上是一样宽，这就导致使用这幅导流图的人没办法将图上的标志和实际建筑物联系起来;还有可能使用者按照图上的路线找卫生间，但是一路上可能会走石子路或是爬楼梯，甚至遇到封闭的教学楼，导致使用者无法按照标注的路线穿过等。类似这些情况就是通往终点路径上我们遇到的问题。

任务2：用北斗系统收集数据。学生了解北斗卫星导航系统及其工作原理后，进一步学习如何借助该系统帮助我们客观精准地测量某些区域的真实尺寸。

任务3：规范绘制校园运动会导流图。学生将测得的精准数据和实地考察后重新规划的导流路线信息组合成校园运动会导流图。至此，我們即将到达这个项目的终点。

此时，本项目引导学生重新审视手中的导流图，能否客观真实地映射出校园运动会各个区域及建筑物的真实情况，以及导流路线是否安排合理？如果能够达到启动项目时的期望，就代表成功到达终点。

活动设计

本项目基于学生已有的基础和认知特点，教师通过问题引导学生深度参与，着眼于问题解决思路，促进学生学会思考。如任务1“初步绘制校园运动会导流图”中，基于小学高年级学生及初中学生的知识基础和认知特点，学生自己就能够想到首先要绘制1 幅场地平面图，在此基础上再绘制导流路线，也就形成了最初的设计方案。但是偌大的场地，谁都不知道具体的尺寸数据，必然画出来的图都不准确，我们如何丈量尺寸呢？学生自主提出丈量场地的方法，于是本项目顺势在此处安排活动探究，引导学生进行头脑风暴，写出所有与丈量方法有关的关键词，然后从项目组成员头脑风暴的结果中自主挑选出公认的丈量方法进行丈量。

同学们，绘制一幅标准的校园地图，前提是我们要先清楚校园的占地面积，以及校园内各建筑物的位置和占地面积，当然，运动会的看台、检录处等也在我们的丈量范围内。在丈量校园场地的过程中，我们面临最重要的问题就是使用什么方法丈量。

活动探究

以“丈量校园场地”为中心，写出你能够想到的全部有关丈量方法的关键词。

当学生获得了粗测数据后就迫不及待地开始动手绘制，此时就会引发新的问题：好几百米的数据要怎么画在纸上？画在多大的纸上？树林等是否需要画？

新问题引发新需求：需要统一的绘图标准。此处本项目又顺势安排了一个方法引导，引导学生思考我们的绘图标准是什么？都需要在图上表达出哪些元素？

同学们，相信大家已经搜集到很多数据，下面我们就要让这些数据真正发挥作用啦！

方法引导

● 我们需要以什么样的标准绘图？

● 还有哪些元素需要在图中呈现出来？

当绘图标准达成共识后，再经过一段时间，学生将粗测的数据与场地平面图按照制订的绘图标准绘制出来，校园运动会的场地图就已具雏形了。学生在此基础上开始绘制导流路线时会再次发现新问题：从一个地方到达另一个地方的路线很多，该如何选择？如果都选择最短直线，必然会出现路线交叉导致人员冲撞，该如何解决？

新问题再次引发新需求：需要根据地点差异，进行恰当地路线规划。本项目顺势在此处安排一个交流研讨，引导学生思考：哪些因素会影响我们决定导流路线？这些因素之间有优先级吗？哪些路线可以舍近求远？哪些必须取最短？通过问题链引导学生研讨如何安排这些错综复杂的路线，才能达到效果最优。

交流研讨

● 关于举办校园运动会时前往各处的路线规划，有哪些需要关注的地方？

● 运动员沿着怎样的路线行进，才能从班级、看台等地方到达检录处或比赛场地？

● 你为运动员安排的路线途中，有没有禁行区域、台阶、坡道、石子路、交叉路口等需要人们特别注意行进路况的地方？

不如让我们设计一个表格吧！把运动员从看台出发，前往各个比赛检录处的路线，以及所有需要关注的地方都清晰地列出来。

当学生的校园运动会导流图初步成熟，逐渐具备实用性时，本项目安排了一个方法引导和一个自主思考，引导学生对项目进行溯源回顾：截至目前，我们为了绘制这幅图而商讨了哪些要点？达成了哪些共识？解决了哪些问题？进行必要的小结与结构化归总。

到这里，你已经将校园地图初步绘制出来了。让我们一起回顾一下初步绘制校园地图的过程吧！将来你也可以使用类似的过程，完成其他的任务，要学会学以致用哦！

方法引导

● 确定绘制纸张的大小。

● 确定绘制比例尺。

● 绘制校园地图及图例。

让我们看一看其他组同学绘制的校园地图吧！先判断1 幅地图是否完整，再寻找每个组作品的閃光点和改进点，以便于对校园地图作出改进。请边看边思考我们要从哪几个方面判断1 幅校园地图是否完整呢？

自主思考

1 幅完整的校园地图应包含哪些元素？

在学生由点到面的回忆交流过程中，通过对不同方案进行观察比较，会逐渐发现每个组的图都存在差异，差异产生的原因是项目起始时丈量场地时得到的数据是不准确的，是粗糙的，因此无法确定现有的导流图是否具备实用性。要想从根本上解决测量不准确、数据不精确的问题，就得更换丈量场地的方法，就要获得最准确的数据。

新问题再次引发新需求：需要更换测量方式获取更加精确的数据。在此处顺势安排一个交流研讨，如何保证数据的准确，能否借助必要的工具，为任务2 的开启作准备。整个任务1 共引导学生6 次深入思考和深度参与。

交流研讨

每个组丈量校园场地的尺寸不同，如何保证测量数据准确？

看来，在测量占地面积比较小的场地时，我们可以使用脚步丈量的方法，但是在测量占地面积比较大的场地时，脚步丈量的方法就不太准确了，需要借助其他工具进行精准测量。

每一次学生思考的引发，都是学生深度参与的结果，我们不是规划者，而是铺路者，学生的思维发展到哪里，我们的路就铺到哪里，以达到促进学生学会思考，关注学生深度参与的目的。

每个任务中活动的设置都指向了这个任务的目标，通过多个活动相互联系、阶梯性地达成阶段性目标。当这些阶段性目标达成后，这一上位的任务目标也得到了回应和解决。同样，众多任务的设置也是依照最开始启动项目时的核心任务需求和指向核心任务需求的项目成果展开的。

项目特色

本项目的特色主要体现在以下几个方面。

● 重素养发展。“北斗绘地图”项目的框架搭建具有解决问题、达成目标类项目问题拆解过程的一般性，同时结合项目自身的特殊性，为学生的跨学科学习、多素养发展提供平台。

● 重深入思考。在整个项目的设计过程中，教师进行角色扮演，在真实场景中遇到的每一个问题都会追问具体的解决过程。基于此搭建项目框架，设计多类型的学生活动，每个问题的引导都要基于学生的知识基础和认知特点，以促使学生深入思考、关注学生深度参与为目的，从而发展学生的思维。

● 重结构设计。每个任务及活动的问题拆解都是紧紧围绕其上位目标而设置的。在解决问题的过程中，注重问题解决思路的表达与外显，具有很强的迁移性和创造性，同时也体现了“应用工具、设计方案类”科技创新项目式学习的特色。

● 重迁移延伸。项目成果不仅可以用于校园运动会，同时也可以作为校园文创产品进行设计开发。学生在了解北斗卫星导航系统定位方法的基础上，还可以思考其在日常生活中的技术提升和发展，突破区域界限实现产品创新。

使用建议

本项目主要针对具有科学探究基础经验和科学技术浓厚兴趣的小学高年级学生及初中学生设计开发。在使用过程中，可以针对不同的学生设定不同的项目目标。如小学高年级学生重在了解北斗系统，能够简单使用北斗系统进行定位，准确绘制校园运动会导流图，丰富科学探究经验;初中学生重在了解北斗系统定位原理，在应用实践的基础上进行迁移创新，发展核心素养，尤其是创新素养，促进高水平自主探究。

本项目的实施需要有能够接收北斗卫星信号的智能手机，或是专业的北斗接收机配合使用。项目整体呈现先发散后收敛的形式，所以在项目前期要适时对学生的创意进行引导和肯定，而在项目后期，则需要将目光聚焦在每一幅不同的作品上。

在本项目的教学中，着重关注应用工具解决问题的突显，除了完成项目内容本身，同时重视在解决问题形成路径对设计方案的沉淀，期望可以引导学生关注科技前沿的发展及其在日常生活中的应用。同时，也希望参与的师生能够更加关注对解决问题形成路径的挖掘，师生一同探索前往终点路径上的最优设计方案。对于不同年级段的学生，其项目活动的开放度、成果形式等应该有所区别，教师应当根据实际情况进行灵活调整。