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《未来的海上城市》STEM课程设计方案
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一月初,科技学堂与《万物》杂志联合开展了云共享计划,将600份《万物》杂志送到学校老师手中。并以杂志中的《未来的海上城市》为主题,开展如何把它开展成STEM课程的讨论。


海平面上升的挑战

为了缓解人口暴涨,工程师设计了摩天大楼,向天空索取居住的土地;为了解决拥堵的交通,工程师设计了庞大的地下交通网络,向地下索取土地。如今,我们面临着另一个严重的生存挑战——海平面上升。为了解决这个问题,工程师提出了建筑漂浮在上的城市——向大海索取土地。

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图片来源:greenubuntu.com


作为一项STEM工程挑战,海上城市工程成立的前提是对“海平面上升”的环境问题有一个明确的认识。我们建议教师从“认识海平面上升”作为引入工程问题的切入点,帮助学生认识“为什么要建造海上城市”。


我们可以从《万物》杂志的文章中获得一些概念的内容。例如,杂志中提到一组数据,我们现在面临着严重的海平面上升的威胁,在20世纪初,海平面上升了20厘米,而到了2100年,海平面预计上升65厘米。科学家预测,如果全球气温上升3摄氏度,将会有2.75亿人的家园被淹没,如果全球持续变暖,巴西里约热内卢著名的海滩将会沉没到水下,上海也会有2500万人无家可归,美国迈阿密也无法幸免遇难。


概念性的知识可以帮助我们获得准确的数据,但对学生很难对“20厘米、65厘米、3摄氏度、2.75亿人”这些数据产生概念上的认知。我们就需要用探究性活动帮助学生认识这些数字背后的意义。


有老师提出一个面向小学中低年级学生探究性活动方法,帮助学生认识海平面上升的问题:我们可以在一套密闭的体系里,用黏土等材料模拟出一个居住环境,在体系中放入冰块,用射灯照射,并加入/减少隔离板,模拟臭氧层厚度的影响,观察水位上涨的变化。


对于小学高年级或中学的学生来说,我们还可以用软件模拟海平面上升的后果。下图是http://www.floodmap.net/ 提供的海平面模拟模型,如果海平面上升10米,我们可以看到上海和江苏大部分地区都将沉入海中,模拟图能对相关地区的学生产生概念上的冲击。

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图片来源:floodmap模拟图


教师还可以通过创新性活动建构起学生对海平面上升问题的认知。@天天快乐 老师分享了他在课堂中引导学生通过创客制作的方法,用纸盒、黏土等材料制作以“海平面上升”为主题的作品,并用故事的形式叙述出来。


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关于问题的学习,不仅让学生理解了工程的建设前提,更符合了《核心素养》中提到的“国际理解”部分,核心素养提出“关注人类面临的全球性挑战,理解人类命运共同体的内涵与价值”。对于这个问题的讨论,相信学生会对“人类命运共同体”产生一个更深刻的认识。


海上城市大观

尽管真正意义上的海上城市并未出现。但我们已经开始了这方面工作的尝试。例如,paypal创始人彼得·蒂尔就投资建立了一个“海上家园研究所”,该研究所的目标是2020年在南太平洋塔希提岛附近第一座海上城市,这个城市将提供250到300人居住、娱乐和办公。如果一切都进展顺利的话,海上城市将在今年正式开工建造。


在认识了“为什么要建海上城市”之后,我们可以让学生搜集,或者向学生展示大量的海上城市设计方案,以开阔学生的视野,帮助学生构建出对海上城市的感性认识。《万物》杂志中已经介绍了几个海上城市案例,我们再整合一些新的案例作为补充。


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睡莲

这是比利时建筑师Vincent Callebaut的作品,也是《万物》杂志中提到睡莲形状的海上城市,它是一座生态友好型城市,拥有自己自主的再生能源提供电力——包括太阳能、热能、风能、水能和潮汐能等,还能提供水产养殖等产业,期望在2100年供5万名“气候难民”生存。


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自由号

自由号(freedom ship)是另一个《万物》杂志中提到的案例。它不是一艘邮轮,而是一个集生活、工作、旅游的海上城市。它的长度超过1300米,宽度超过200米,主甲板上方25层的建筑涵盖住宅、教育、医疗、办公、娱乐、酒店等设施。顶层为飞行甲板,可供公务机起降,船尾配备了港口,可容小心船只接驳。


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浮岛项目

这是由海上家园研究所设计的一个方案,如果一切顺利的话,它将于今年在法属波利尼西亚的塔希提岛实施。它拥有灵活的模块化设计,多个模块可拼接成一个巨大的海上城市。通过海洋温差、风力涡轮和太阳能发电,在平台上建立了防风带,可以阻挡南太平洋恶劣海洋气候的袭击。


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海上漂浮城市

这是一个中国建筑公司委托AT建筑师工作室设计的海上城市方案。它采用六边形模块制成的浮动土地,城市的能源做到自给自足,零碳排放。拥有垂直农场和鱼类养殖场作为食物来源。


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收获之城

在2010年海地大地震后,建筑师E. Kevin Schopfer萌生了设计漂浮在海上城市的想法。帮助遭受严重地震和海啸城市的重新建设。这是一个系绳浮动模块组成的浮动城市,内部主要用于城市办公、教育和轻工业等,外圈主要用于农业生产。


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方舟

这是俄罗斯雷米工作室提供的一种海上酒店解决方案。它形如蜗牛壳,水上部分呈拱形、水面以下部分呈船型的建筑,当发生极端洪水的时候,方舟可以附在水面上,成为一座海上城市。


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诺亚方舟

塞尔维亚设计师Aleksandar Joksimovic和Jelena Nikolic为洪水来了设计的可浮动城市方案,它由多个环形岛屿组成,每个岛屿提供不同的功能,可供农业生产等等。诺亚方舟由太阳能或潮汐能等可再生能源供电。


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X SEA TA

这是一个X-Tu设计的海上城市,由多孔混凝土建筑而成;建筑表面大量覆盖藻类作为生物燃料能源;并能够自给自足提供动力;


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绿色漂浮

这是一个由清水公司设计的海上城市方案。它由一系列岛屿模块组成,每个岛屿中间有一座1000米高的大厦,大厦内有垂直农场、住宅和办公区,可容纳100万人生存。


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鲸鱼形漂浮花园

Physalia(僧帽水母)与LilyPad一样,也是由建筑师Vincent Callebaut设计而成。它配备生物过滤装置,并且由太阳能板提供淡水。


大量的案例展示能够帮助学生对海上城市形成感性的概念认识。但他们还没有认识到海上城市的进一步的理性认识,我们可以用“海上城市需要什么设施”为切入点,学生通过头脑风暴,思考海上城市应具有哪些功能和设施,让海上城市的形象更加立体起来,教师根据学生的讨论,做一些归纳和总结,将学生的发散思维收敛到几个具体可实施的点子上。


在“万物云共享计划”中,许多老师也对海上城市的特点进行了讨论,我们将它归纳为几点


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学生除了讨论海上城市的特点之外,还可以以辩论的方式海上城市有哪些优点和缺点,这些都能够帮助学生从理性层面认识海上城市应有的特点。


这个环节我们可以培养学生科学精神,即《核心素养》中提到的理性思维质疑批判的能力,学生能够对问题做出理性思考,能够辩证地看待海上城市所带来的问题,这些都是科学精神的体现。


核心工程问题

STEM教育的核心是“工程”,我们要确立一个工程问题作为活动的核心,其他活动都围绕着这个核心工程任务进行。


确立核心工程任务需要符合教育对象的年龄特点,让学生有能力去完成。与此同时,核心工程任务也应该为满足(至少满足大多数)教育目标的需要而设计。


在“未来的海上城市”讨论中,老师们提出了很多不同的教学目标,但有一个目标是多数老师都会提到的,那就是认识我们身边的城市。尽管这是一个以海上城市为主题的活动,但我们可以用这个陌生化话题引导学生关注熟悉的城市设施,不同学段的学生会对城市产生不一样的认识。


围绕这个目标,老师们提出了很多可供学生进行的核心工程任务,这些任务面向的群体不同,难度也不尽一样,有的老师甚至已经在学校开展相关活动了。我们在这里做简要的介绍。


科幻绘画。在科技辅导员的指导下,学生画出自己想象中的海上城市,并画出应有的城市功能,认识现实生活中的城市基本结构和功能。这项活动适合学前班到小学学生开展,这个阶段的孩子想象力丰富,而不擅长抽象的表达,科幻绘画可以让学生将心中的想象通过彩笔画出来。

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图片来源:@李子


这是参与活动的老师@李子 以“未来的海上城市”开展的科幻画作品,我们可以看到,学生画出了自己心目中的海上城市想象,在科幻画上面我们还可以看到关于海上城市能源、居住和服务空间、动力系统等各个功能的想象。


简易模型制作。用轻质黏土或其它材料搭建可以漂浮在水面上的房屋模型,体验海上城市的基本构造。这个方法比科幻绘画更进一步,适合小学开展。

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图片来源:@tegusi270 ᠲᠡᠭᠦᠰ


这是参加云共享计划的@tegusi270 ᠲᠡᠭᠦᠰ 老师开展简易模型制作的照片。在活动中,学生轻质黏土做出海上城市的模型,并用不同颜色和形状的轻质黏土设计海上城市的功能分区。


复杂的模型制作。这也是众多老师谈到最多的一个方式,有的老师提出可以规划海上城市的功能模块,并设计成沙盘;有的老师提出学生要画出规划图、写下任务书、可以的话做成纸模型;有的老师提出从智能设计入手,制作具体模型;有的老师提出可以用各种材料和3D打印的方式做成海上城市模型,并进行测试;适合小学中高年级到初高中开展。


设计方案解决海上城市的某个具体问题。海上城市的建造是一个复杂的系统性工程,我们可以只针对其中某个问题作为核心工程问题,学生设计出模型解决方案。例如,有老师提出可结合水培植物种植认识海上城市食物来源的解决方案;有的老师提出海水淡化、水循环等海上用水问题;有的老师提出城市生态搭建的问题;有的老师提出城市的智能布局和生态设计等等。


确立核心工程任务的开展形式非常丰富。参加讨论的@许红艳 老师提出了一个有趣的确立工程任务的形式竞选海上城市市长”。学生需要通过演讲阐明为什要建设海上城市,怎样建造海上城市,并说服其他同学认同自己的想法。@tegusi270 ᠲᠡᠭᠦᠰ 老师将它应用在教学中。

(视频)

视频来源:@tegusi270 ᠲᠡᠭᠦᠰ


也有老师提出,我们可以让学生签订规划书的形式确立核心工程任务,这也是一种STEM教育中常用到的方法。


核心工程任务可以简单,也可以很复杂,通过核心人物,提升学生在实践创新方面的问题解决技术应用的意识,提高学生的工程思维能力。


用科学背景活动支撑起核心工程任务

NGSS将STEM教育分为科学与工程实践、学科核心概念、跨学科概念三个维度进行。如果说,核心工程任务主要体现的是科学和工程实践和跨学科概念,那么,科学背景活动的设置最能体现的是STEM活动中核心学科概念。


我们可以用科学背景活动来支撑起核心工程任务。设计若干小活动,让学生认识工程任务背后的知识。


例如,海上城市的淡水获取是一个巨大的问题。我们可以设计海水过滤和渗透实验帮助学生认识获取淡水的方法以及其优势和局限。


我们还可以关注海上城市的能源获取问题。例如,海上城市我们应该使用哪种能源,它们有哪些特点。并设计实验或小型工程来实施。


我们还可以关注居住空间的问题,如果要建设一定数量居民的海上城市,我们需要多少居住空间、多少生活发展空间等等,通过调查法,让学生了解我们的城市。


我们还需要关注海上安全的背景知识,设置如何保持海上城市稳定的问题。我们参考通过大型舰船、海上平台、摩天大楼等设备是如何保持稳定的,来认识维持稳定的方法和重要性。


在这个过程中,STEM教育中的科学、数学等方面会在这个步骤中体现,如果我们用实验或小活动来组织科学背景活动,还会体现技术和工程方面的知识。但要注意科学背景活动的设置不宜喧宾夺主,工程问题才是课程的核心。我们可以根据实际的活动时长,活动深度配置具体的科学背景知识活动。


完善评价方案

评价体系是STEM教育中很重要的一个组成部分,STEM项目的评价分为形成性评价和总结性评价。形成性评价分布于整个活动的过程中,我们可以用工程过程量表评价学生在每一个活动流程中的表现,获得学生在课堂中表现的定性数据和定量数据。


学生完成核心工程问题后,我们可以开展方案评审活动,进行总结性评价。学生在介绍模型并测试模型,我们可以看出他们对这个“未来的海上城市”的理解深度。在这里,除了教师对学生进行评价之外,我们还可以让学生互相评价、如果邀请家长或专家参与的话,家长和专家也可以评价学生的方案,让评价主题更加多元化。

设计你的活动方案

我们已经学习了怎样以“海上城市”为主题设计STEM教育活动,看了这么多老师的活动建议,你是否也想开展一场别出生面的STEM教育活动呢?我们为你提供一个小试牛刀的机会,点击下面小程序,把你的海上城市模型设计图上传到活动专区中。获得支持数最高的10位参与者将可以得到《万物》杂志第2期。快来参与吧!

科技学堂活动小程序参与~


活动要求:

  • 文字说明你的教学活动计划,以及面对的学生年龄段;

  • 上传你的模型设计图,并注明海上城市各种设施的位置,并做出简要说明;

  • 注明你打算用什么材料来设计海上城市模型;

  • 请保持照片清晰,最少上传1张以上;


样式参考:

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设计草图可以参考《万物》杂志P26-27的乌托邦号游艇的各个设施的标注方法,画出你的模型设计图。当然,你不必画得如此精细,清晰表达出你的设计意图即可。


资料获取:

本次活动为各位老师提供教学活动PPT,打开:http://www.sciclass.cn/Lessonplan/details?plan_id=110,在相关资源下载《未来的海上城市》STEM课程设计方案,关注科技学堂微信公众号(sciclass),回复“海上城市”获取下载兑换码。

投稿邮箱:tougao@makerclass.cn
标签: STEMtem
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