全椒人论坛

 找回密码
 中文注册

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 43|回复: 0

[育儿交流] 从灾难中吸取教训,把加州山火作为STEM课程案例

[复制链接]

30

主题

30

帖子

1698

积分

二分明月

Rank: 2

积分
1698
发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转全椒人论坛。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?中文注册

x
从灾难中吸取教训,把加州山火作为STEM课程案例
11月8日,美国加州发生最为严重的一次森林火灾——坎普山火(Camp Fire),美丽的天堂镇(Paradise)瞬间成为了地狱。我们看到了自然界的可怕,又认识到森林防火的任重道远。

今天,科技学堂将森林火灾为主题设计为STEM案例。在这个案例中,我们用计算思维将森林火灾转变成计算机模型,并用模拟软件NetLogo,探索森林火灾的影响因素,设计出森林火灾的防范方案。

该课程可以与学校的安全教育课程相结合,也可以与编程教育相结合,甚至还可以以此为主题开发出研学课程。尽管NetLogo是一门编程语言,但它丰富的模型库可以让学生不需要任何编程基础也能享受计算思维的过程。

课程引入
11月8日,美国加州北部坎普路附近森林失火,在加州干燥和大风的裹挟下,在十二小时内坎普山火就蔓延到位于附近天堂镇。很快,美丽的天堂镇被坎普山火所吞噬,一万多座房屋、商店、教堂、学校毁于一旦。
天堂镇火灾前后对比

坎普山火已经造成82人遇难,700人失踪,过火面积达到151000英亩,12794座房屋被摧毁,经济损失达到750亿美元以上。截止到现在(20日),坎普山火尚未得到完全控制,过火面积还在进一步扩大。
坎普大火面积变化

加州的大风让坎普山火进一步肆虐,大火甚至跨过了河流和高速公路的阻碍蔓延开来,成为了美国最严重的森林火灾。据当地官员透露,大火要在数周后才能得到完全控制。

森林火灾是一种发生在山林的灾难,森林火灾常常发生在人迹罕至的地方,消防人员难以及时发现和扑灭。一旦有了天时地利,火灾就容易快速蔓延,对人民造成巨大的生命威胁。我国也是一个森林火灾高发的国家,因森林火灾,我国每年损失8%的森林。最严重一次是1987年的大兴安岭火灾,那一场大火造成211人丧生,266人受伤,过火面积达到1.7万平方公里,相当叙利亚的国土面积。

森林火灾的防范是野外消防的一个重要组成部分。想要防住森林火灾,我们就必须掌握火灾发生的规律,做出有针对性的防范手段,才能控制住火灾的发展。

课程讨论
通过课程引入环节,学生认识了森林火灾的严重性。接下来,学生分组讨论是什么因素造成森林火灾的肆虐。我们可以以一个森林火灾案例(坎普山火或大兴安岭火灾)为例,学生用10分钟的时间上网查找并归纳,哪些因素造成山火肆虐。

学生找出的因素可能有:气候干燥、植物易燃、狂风的影响、植被密度高、早期火苗不容易发现、扑救失策等因素。学生讨论的时候需要简要介绍有哪些事实支持他们的观点,在讨论结束后,教师将这些观点归纳起来,有哪些是自然界的客观原因,哪些是人为因素。

构建模型
讨论结束后,我们可以找出若干因素探讨它们的影响有多大。但森林火灾实验的成本高昂,且极具危险性,我们不大可能采用控制变量的方法进行研究。这里我们可以采用模型法,构建森林火灾的模型,研究某一个条件的影响程度,我们用到的实验工具是NetLogo。
NetLogo是基于著名编程教育语言Logo开发的一门编程语言和模拟平台。在科学研究中,NetLogo能够很好地构建出研究模型,帮助科研人员研究模型的动力系统。NetLogo自带强大的模型库,我们可以用它来进行包括数学、艺术、科学、人文学科在内的多项实验。

在NetLogo的官网(www.netlogoweb.org)你可以免费下载软件,也可以官网上体验在线版模型。在线版运行会比较慢,建议下载使用。
我们用模拟软件NetLogo来进行森林大火实验,在NetLogo的模型库中,选择Earth Science -Fire,打开森林火灾模型。

这是一个研究森林密度与森林火灾关系的模拟程序(当然,你可以研究其他因素)。程序的右半边是一个由绿色格子和黑色格子组成的模拟系统,绿色格子表示这个区域种植了树木,黑色格子表示这是一块空地。程序的左上角滑杆“density”表示森林密度,调节滑杆,右边的树木的数量就会发生变化;下方两个按钮setup和go表示初始化和启动模型;下方percent burned表示目前烧毁的面积。

setup初始化后,点击go即可运行程序,下面是森林密度为58%的模拟情况,绿色的格子表示健康的树木,红色的格子表示燃烧中的植物,暗红色的格子表示已经燃烧过的植物。

看上去很眼花缭乱,是吧?其实森林火灾模型的运行规则非常简单,它只遵循以下4条规则:
  • 火灾从最左列的树木开始燃起;
  • 绿色的格子(植物)是可燃的,黑色的格子(空地)是不可燃的;
  • 植物(绿色)经过燃烧(变成红色)后,成为灰烬(暗红色),灰烬不可再被点燃;
  • 当植物(绿色格子)燃烧(变红色)时,与它相邻(上下左右)的四个格子中的植物(绿色格子)也会在下个回合被点燃(变成红色),而空地(黑色)或灰烬(暗红色)则不被点燃;


还看不明白?我们用4×4的图来示表示一下,起火点在第1排第3列,经过六个回合,左边绿色的树林格子燃成灰烬,而有了黑色的空地保护,第4排的树木都幸存下来。

在这个模型中,学生可以自由探索森林密度对过火面积有什么影响,并思考森林密度是多少的时候,火才能从最第一排烧到最后一排。

数据分析
模型探索会激发起学生对于实验的兴趣,但只有经过数据分析,才能将感性的认知转化为理性的认识。我们可以鼓励学生用Excel或SPSS画出森林密度与过火面积的关系图。

如果是小学或初中生,我们可以让他们用自己的语言描述森林密度跟过火面积之间的关系。在图表中,我们能看到一个很明显的突变区间(58%-61%),一旦森林密度超过了这个区间,火灾的危害性瞬间增加。

如果是高中生,我们可以让他们画出散点图,并用多项式拟合找出自变量和因变量的函数关系,再对拟合函数进行求导,探讨图形的变化关系。

结论和拓展
最后,我们根据实验数据,让学生分组讨论有哪些措施可以用于森林防火,学生们提出有什么手段可以降低树林密度等。如果时间允许,可以让他们提出自己的森林防火方案。

教师也可以引导学生提出目前有的一些森林防火方案,例如防火道、防火林等等,思考如果把它们加入模型,你应该怎样设计。
防火道

如果学有余力,我们可以在森林火灾模型上做进一步修改。例如,如果一棵树燃烧的时候周围8个格子都可以点燃,那合理的森林密度应该是多少。只要将程序代码中的变量“neighbor4”修改成“neighbor”就可以实现。

我们还可以在模型的基础上增加风力的变量,探讨风的方向对于森林火灾的影响。对于有编程基础的教师或学生来说这个操作并不复杂。

课程总结
森林火灾是一个能够很好开发成STEM课程的主题。在科学上,学生认识了影响火灾的要素;在技术上,学生学会认识了NetLogo语言,并学会简单的编程方法;在工程上,学生学会用模型处理现实问题;在数学上,学生了解了数学中的动力系统,只需要几条简单的规则,就可以出现复杂的变化。在德育方面,学生深刻认识森林火灾的危害,认识我们既要尊重自然规律,也有发挥主观能动性,降低自然灾害的影响。
而将NetLogo模型系统引入现实问题的解决,更是计算思维在解决现实问题中的体现。我们将复杂的森林情况分解抽象成树林、空地、燃烧、灰烬四种类型;并将它们一般化为一个个格子;设计算法描述燃烧的规律;并对模型进行评估和改善。而这个模型的设计,本身就建立在对自然条件进行逻辑建构之上的。

最后,我们希望肆虐的加州山火能够早日扑灭,灾民们能够早日重建他们的天堂。


天地任纵横,相约全椒人!
您需要登录后才可以回帖 登录 | 中文注册

本版积分规则

天地任纵横,相约全椒人! 『申明』本站所有言论及图片仅代表网友个人意见,与本网无关!
网站简介 |  公司动态 |  广告服务 |  诚聘英才 |  友情链接 |  法律声明 |  隐私保护 |  联系我们 |  帮助中心  | 
版权所有:全椒点耐特文化传媒有限公司
信息产业部备案/许可证编号:皖ICP备12005735号 Copyright 2003-2016 www.quanjiao.net All Right Reserved

皖公网安备 34112402000240号

返回顶部