像科學(xué)家一樣思考 像工程師一樣實(shí)踐

高云峰 楊超 陳詠梅 張乃新

航空航天領(lǐng)域既包含數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科知識，也包含自動(dòng)化、機(jī)械工程、人工智能等工程技術(shù)。在中小學(xué)開設(shè)航空航天課程，需要整合相關(guān)內(nèi)容，尋找一條適合學(xué)生發(fā)展的課程建設(shè)路徑。目前，許多學(xué)校進(jìn)行了一系列嘗試，我們邀請幾位航空航天領(lǐng)域的專家探討航空航天課程的意義和內(nèi)容，同時(shí)呈現(xiàn)一些學(xué)校的課程建設(shè)成果。

將航天精神融入思政教育

清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授高云峰談到，2013年6月、2021年12月、2022年3月，我國先后開展了3次“太空授課”活動(dòng)，航天員王亞平結(jié)合太空中微重力環(huán)境、液體表面張力特點(diǎn)和生理機(jī)能，向數(shù)千萬中小學(xué)生展示了多個(gè)神奇現(xiàn)象，并與地面師生進(jìn)行了雙向互動(dòng)交流。太空授課影響廣泛，許多學(xué)生看過太空授課視頻后，自己在家嘗試進(jìn)行模擬失重的實(shí)驗(yàn)，一些學(xué)校組織學(xué)生觀看后，陸續(xù)開展了航天探究活動(dòng)，開發(fā)了與航天有關(guān)的校本課程。

在中小學(xué)開設(shè)航天課程，除了關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科，還可以將航天精神融入思政教育。航天領(lǐng)域許多生動(dòng)活潑的案例充滿了教育意義，容易引起學(xué)生共鳴，有利于讓學(xué)生學(xué)習(xí)航天精神、認(rèn)識大國重器、了解航天應(yīng)用、超越自我局限、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度、提升工程素養(yǎng)。

學(xué)習(xí)航天精神。中國航天事業(yè)從無到有、從小到大、從弱到強(qiáng)，走出了一條具有鮮明特色的發(fā)展道路，形成了航天傳統(tǒng)精神、“兩彈一星”精神和載人航天精神等。認(rèn)識大國重器。大國重器關(guān)系國家民族命運(yùn)，“兩彈一星”的建設(shè)奠定了我國長期發(fā)展的基礎(chǔ)，使我國的國家安全有了戰(zhàn)略保障。習(xí)近平總書記多次在考察中強(qiáng)調(diào)“大國重器一定要掌握在自己手里”，重大科技創(chuàng)新成果是國之重器、國之利器，只有把核心技術(shù)掌握在自己手中，才能真正掌握競爭和發(fā)展的主動(dòng)權(quán)，才能從根本上保障國家經(jīng)濟(jì)安全、國防安全和其他安全。

了解航天應(yīng)用。航天技術(shù)已經(jīng)深刻影響到我們的日常生活：氣象衛(wèi)星每天提供氣象觀測數(shù)據(jù)，氣象預(yù)報(bào)越來越準(zhǔn)確;出行可能需要用到導(dǎo)航衛(wèi)星;移動(dòng)通信、電視轉(zhuǎn)播、遠(yuǎn)程醫(yī)療等上百種服務(wù)的基礎(chǔ)是衛(wèi)星通信技術(shù);數(shù)碼相機(jī)、尿不濕、重癥監(jiān)護(hù)室等都是航天技術(shù)轉(zhuǎn)為民用的案例。美國“阿波羅登月”計(jì)劃中有3000多項(xiàng)專利技術(shù)轉(zhuǎn)為民用，帶動(dòng)了美國計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、測控技術(shù)、火箭技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)等高新技術(shù)的全面發(fā)展，將美國的科技整體水平提高到一個(gè)全新的高度。近年來，我國的航天技術(shù)也開始大量向民用方向轉(zhuǎn)換。

蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基是航天理論的奠基者，他在1911年提出了一個(gè)著名的預(yù)言：“地球是人類的搖籃，但是人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里?！弊鳛橐粋€(gè)鄉(xiāng)村中學(xué)教師，齊奧爾科夫斯基熱心研究飛艇和飛機(jī)，后來由于經(jīng)費(fèi)不足轉(zhuǎn)而進(jìn)行理論研究，在溫飽問題還沒有完全解決時(shí)，他思考的卻是未來人類如何飛出地球。齊奧爾科夫斯基的故事將會(huì)引導(dǎo)更多學(xué)生樹立遠(yuǎn)大理想，而不是僅僅看重眼前的利益。美國宇航員阿姆斯特朗首次踏上月球表面時(shí)說：“這是個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步?！卑⒛匪固乩蕦€(gè)人的成就歸于人類的進(jìn)步，這也將激勵(lì)學(xué)生超越自我局限，擁有更大的視野和格局。

培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。航天工程是當(dāng)今世界最復(fù)雜、最龐大的工程之一，航天型號對于質(zhì)量和可靠性的要求非常高，不能有絲毫馬虎。中國航天人秉持嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的理念，在實(shí)踐中形成了“產(chǎn)品零缺陷、發(fā)射零疑點(diǎn)、在軌零故障”的質(zhì)量理念，建立了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析與控制、質(zhì)量問題徹底歸零、應(yīng)急突發(fā)事件快速處理等管理機(jī)制，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)章，“做事有依據(jù)、做事按依據(jù)、做事留記錄”，體現(xiàn)了航天人科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真務(wù)實(shí)的態(tài)度和作風(fēng)。

學(xué)校可以組織專家收集、整理已有的航天課程、航天活動(dòng)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建較為完善的、考慮不同學(xué)段特點(diǎn)的航天課程，既讓學(xué)生多方面受益，又為航天事業(yè)的發(fā)展提供后備人才。

為“科學(xué)普及”提供實(shí)踐方向

北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院教授楊超指出，我國正處于由航空航天大國向航空航天強(qiáng)國發(fā)展的過程中。一個(gè)國家航空航天的整體水平體現(xiàn)在5個(gè)方面：軍用空天力量、民用空天力量、航空航天工業(yè)、航空航天高等教育、航空航天科普。5個(gè)方面必須相互關(guān)聯(lián)、相互支撐，才能健康持久發(fā)展。其中，航空航天科普面向社會(huì)大眾和中小學(xué)生，目前與一些歐美國家差距較大，這個(gè)“短板”會(huì)影響我國航空航天事業(yè)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展，必須引起高度重視并采取措施。要想普及并發(fā)展航空航天教育，首先應(yīng)該明確航空航天分類的基礎(chǔ)知識以及我國航空航天事業(yè)的發(fā)展和巨大成就。

航空航天飛行器主要分為航空器、航天器、火箭與導(dǎo)彈3類。我國古代就有航空航天的發(fā)展雛形，比如風(fēng)箏、火藥火箭、孔明燈、走馬燈、竹蜻蜓等;1909年，“中國航空之父”馮如設(shè)計(jì)、制造、試飛了中國第一架飛機(jī)。然而，直到新中國成立之前，中國空軍和民航主要都在購買國外的飛機(jī)，除了少量的維修工廠和部分高校的航空院系外，還沒有形成完備的航空工業(yè)、航空教育體系，也沒有航天事業(yè)的發(fā)展意識，航空航天整體處于非常落后的狀態(tài)。

與許多歐美國家的發(fā)展途徑不同，我國是先有空軍，后有航空工業(yè)，再有航空高等教育，很長一段時(shí)間處于學(xué)習(xí)和追趕階段。新中國成立至今，中國航空航天人奮力追趕的步伐從未停息：航空領(lǐng)域歷經(jīng)維修、仿制、自主研制、完全自主研制幾個(gè)階段，國產(chǎn)殲20、運(yùn)20、直20以及各類無人機(jī)橫空出世，基本形成了完整的航空工業(yè)體系;航天領(lǐng)域經(jīng)過“兩彈一星”、載人航天、探月工程、火星探索等里程碑階段，形成了完整的航天工業(yè)體系，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

雖然航空航天科技發(fā)展迅速，但是目前我國的航空航天教育仍然缺乏社會(huì)層面的共識和互動(dòng)，造成航空航天原始創(chuàng)新方面動(dòng)力不足、意識淡漠等問題，甚至?xí)绊懳磥砗娇蘸教焓聵I(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力需要從小培養(yǎng)，在中小學(xué)開展航空航天教育至關(guān)重要。

航空航天是大量基礎(chǔ)科學(xué)（包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等）與工程技術(shù)（包括自動(dòng)化、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)、人工智能等）的綜合交叉，所以開展航空航天課程可以促使學(xué)生探索多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識。當(dāng)然，課程必須兼顧知識學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐，一方面讓學(xué)生了解航空航天的歷史、學(xué)習(xí)與航空航天相關(guān)的各種知識，另一方面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用和解決問題的能力。

具體的課程可以從制作初級航空航天模型開始。許多學(xué)生覺得航模、紙飛機(jī)、水火箭等航空航天初級模型充滿神秘，這些模型的科學(xué)原理比較簡單，容易讓學(xué)生獲得成就感，不斷循環(huán)“好奇-探索-成功-收獲-再探索”的過程。制作航空航天模型的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是“飛行性能”，這需要學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐。初始階段不需要數(shù)學(xué)計(jì)算和復(fù)雜的科學(xué)原理分析，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下很容易就能掌握“飛行”的基本規(guī)律，取得“飛起來”的成功喜悅;但是要想“飛得快、飛得久、飛得遠(yuǎn)、飛得高”，教師還要引導(dǎo)學(xué)生深入探索相關(guān)學(xué)科的知識，從而幫助學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

習(xí)近平總書記指出：“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置?！痹谥行W(xué)廣泛開展航空航天課程，正是為“科學(xué)普及”提供了嶄新思路和實(shí)踐方向。

“眾籌”航天STEM課程資源

北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校創(chuàng)新教育研究中心教研員陳詠梅，張乃新談到，北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校成立了專門的職能部門，與區(qū)域40多所中小學(xué)一起進(jìn)行航天STEM課程的持續(xù)探索。航天STEM課程提升了學(xué)生的問題解決能力和高階思維，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新、合作交流能力，激發(fā)學(xué)生面向星辰大海的強(qiáng)烈好奇心和內(nèi)驅(qū)力。

航天STEM課程面臨挑戰(zhàn)

航天STEM課程的開發(fā)與整合、實(shí)施與評價(jià)面臨很大挑戰(zhàn)：第一，航天領(lǐng)域的任務(wù)復(fù)雜性使現(xiàn)有航天科普活動(dòng)難以課程化，難以形成課程體系，缺少明晰的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑。第二，缺少航天領(lǐng)域的背景知識，缺少航天領(lǐng)域任務(wù)轉(zhuǎn)化為課程的方法和工具，跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的課程開發(fā)與整合具有一定難度。第三，設(shè)計(jì)課程目標(biāo)和組織課程內(nèi)容時(shí)，科學(xué)探究和工程實(shí)踐的平衡點(diǎn)不容易把握。如果偏重科學(xué)的原理和概念，容易陷入海量“超標(biāo)”的知識學(xué)習(xí)，如果偏重工程實(shí)踐，則容易陷于技能訓(xùn)練。第四，一些教師自主開發(fā)課程，課程評價(jià)的依據(jù)不足，課程改進(jìn)的周期較長。

作為教師研修及教學(xué)實(shí)踐基地，海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校以研究與實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行航天STEM課程的開發(fā)與實(shí)施，通過航天STEM精品課程、優(yōu)秀教學(xué)案例的研發(fā)及推廣服務(wù)學(xué)校特色發(fā)展，通過區(qū)域、學(xué)校、高校、科研院所和企業(yè)的共建共享“眾籌”航天STEM課程資源，通過研討與實(shí)踐提煉課程開發(fā)與實(shí)施的成果，通過把成果轉(zhuǎn)化為教師研修課程，促進(jìn)STEM教師專業(yè)發(fā)展、提升學(xué)生創(chuàng)新能力、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

尋找課程體系的設(shè)計(jì)起點(diǎn)

學(xué)校應(yīng)該從浩如煙海的航天任務(wù)中尋找適切的內(nèi)容作為課程體系的設(shè)計(jì)起點(diǎn)，可以選擇前沿研究實(shí)踐的大系統(tǒng)，將其分解為子系統(tǒng)，將蘊(yùn)含的知識與多學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)系對應(yīng)，與學(xué)生的認(rèn)知特征相匹配。對于中小學(xué)而言，可以實(shí)踐的領(lǐng)域包括“載人星球基地建設(shè)”“中國空間站”“未來太空城市”等。

海淀區(qū)通過調(diào)研航天領(lǐng)域?qū)＜液臀墨I(xiàn)資料，形成了一張“載人星球基地建設(shè)”的工程大系統(tǒng)圖，其中“星球基礎(chǔ)設(shè)施”部分包括“星球基地本體系統(tǒng)”“球面運(yùn)輸及作業(yè)系統(tǒng)”“球面起飛與著陸系統(tǒng)”“星球通信與導(dǎo)航系統(tǒng)”“其他輔助與支持系統(tǒng)”等。以“星球基地本體系統(tǒng)”為例，可以分解為熱控、能源、信息、生命保障、防護(hù)、輔助等子系統(tǒng)，其中“生命保障系統(tǒng)”是提供人在太空工作和生活期間的消耗品供應(yīng)、生命維持所必需的載人環(huán)境、健康及醫(yī)療監(jiān)測保障等設(shè)施，又可以進(jìn)一步分解為水、空氣、食物、光照、溫濕度等子系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)過程中，首先要明確課程主題，聚焦典型的航天挑戰(zhàn)性任務(wù)，與航天專家共同研討學(xué)習(xí)，突破專業(yè)領(lǐng)域知識不足的問題，提煉真實(shí)問題的解決路徑;其次要找到與物理、生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科素材的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，對應(yīng)多學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，梳理學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知特征，形成航天STEM課程目標(biāo)，依據(jù)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)評價(jià)方案;最后還要把真實(shí)問題解決過程轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)活動(dòng)，為學(xué)生的問題解決設(shè)計(jì)路徑、搭建支架、提供學(xué)習(xí)資源，讓課程實(shí)施保持開放性?？偠灾?，航天STEM課程中的學(xué)習(xí)活動(dòng)要整合跨學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容，體現(xiàn)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的有機(jī)融合。課程實(shí)施需要強(qiáng)調(diào)學(xué)生為主體，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主，讓學(xué)生經(jīng)歷分析、解決、評估、優(yōu)化問題的過程。

突破課程開發(fā)與整合難點(diǎn)

海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校將航天領(lǐng)域知識、跨學(xué)科知識作為基礎(chǔ)研修，將航天STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中提煉出的課程設(shè)計(jì)模式和課程實(shí)施策略轉(zhuǎn)化作為專業(yè)研修，通過體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、研究性實(shí)踐、跟進(jìn)式研修等方式，促進(jìn)教師對航天STEM課程的系統(tǒng)認(rèn)識，突破課程開發(fā)與整合難點(diǎn)，提升學(xué)校的教學(xué)實(shí)施與評價(jià)能力。

必修課程中，有“月球探測的科學(xué)目標(biāo)及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”“載人航天生命保障系統(tǒng)”等航天領(lǐng)域知識，有從多個(gè)課程案例中提煉出的科學(xué)與工程實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)施策略，有項(xiàng)目學(xué)習(xí)支架和表現(xiàn)性評價(jià)設(shè)計(jì)與實(shí)施的展示研討等內(nèi)容，一般依據(jù)研修目標(biāo)，以工作坊、專家講座、研究課、展示研討、課程開發(fā)實(shí)踐等方式進(jìn)行研修。

選修課程中，要帶動(dòng)不同學(xué)段的教師積極開展航天STEM課程。并非所有教師都必須親自進(jìn)行課程開發(fā)，可以通過“眾籌共研”提升專業(yè)能力?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階理論，可以讓小學(xué)、初中、高中等不同學(xué)段的教師組建不同課程主題的學(xué)習(xí)共同體，對挑戰(zhàn)性任務(wù)、概念建構(gòu)、核心科學(xué)與工程實(shí)踐能力、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)成果、學(xué)習(xí)評價(jià)、學(xué)習(xí)活動(dòng)、學(xué)習(xí)支架和工具等內(nèi)容進(jìn)行深入細(xì)致的研討、實(shí)踐，使教師明確適合學(xué)生發(fā)展的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式，形成不同學(xué)段的課程實(shí)施策略和學(xué)習(xí)資源。

綜上所述，航天STEM課程需要融入學(xué)校教育主陣地，助推學(xué)校建設(shè)高質(zhì)量教育體系，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考、像工程師一樣實(shí)踐，從而發(fā)展學(xué)生的高階思維能力，培養(yǎng)新時(shí)代的創(chuàng)新人才。 （來源：中國教師報(bào)）