像科學家一樣思考 像工程師一樣實踐

高云峰 楊超 陳詠梅 張乃新

航空航天領域既包含數學、物理、化學、生物等學科知識，也包含自動化、機械工程、人工智能等工程技術。在中小學開設航空航天課程，需要整合相關內容，尋找一條適合學生發展的課程建設路徑。目前，許多學校進行了一系列嘗試，我們邀請幾位航空航天領域的專家探討航空航天課程的意義和內容，同時呈現一些學校的課程建設成果。

將航天精神融入思政教育

清華大學航天航空學院教授高云峰談到，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，航天員王亞平結合太空中微重力環境、液體表面張力特點和生理機能，向數千萬中小學生展示了多個神奇現象，并與地面師生進行了雙向互動交流。太空授課影響廣泛，許多學生看過太空授課視頻后，自己在家嘗試進行模擬失重的實驗，一些學校組織學生觀看后，陸續開展了航天探究活動，開發了與航天有關的校本課程。

在中小學開設航天課程，除了關聯數學、物理、化學、生物等學科，還可以將航天精神融入思政教育。航天領域許多生動活潑的案例充滿了教育意義，容易引起學生共鳴，有利于讓學生學習航天精神、認識大國重器、了解航天應用、超越自我局限、培養嚴謹態度、提升工程素養。

學習航天精神。中國航天事業從無到有、從小到大、從弱到強，走出了一條具有鮮明特色的發展道路，形成了航天傳統精神、“兩彈一星”精神和載人航天精神等。認識大國重器。大國重器關系國家民族命運，“兩彈一星”的建設奠定了我國長期發展的基礎，使我國的國家安全有了戰略保障。習近平總書記多次在考察中強調“大國重器一定要掌握在自己手里”，重大科技創新成果是國之重器、國之利器，只有把核心技術掌握在自己手中，才能真正掌握競爭和發展的主動權，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全。

了解航天應用。航天技術已經深刻影響到我們的日常生活：氣象衛星每天提供氣象觀測數據，氣象預報越來越準確;出行可能需要用到導航衛星;移動通信、電視轉播、遠程醫療等上百種服務的基礎是衛星通信技術;數碼相機、尿不濕、重癥監護室等都是航天技術轉為民用的案例。美國“阿波羅登月”計劃中有3000多項專利技術轉為民用，帶動了美國計算機技術、通信技術、測控技術、火箭技術、激光技術、材料技術、醫療技術等高新技術的全面發展，將美國的科技整體水平提高到一個全新的高度。近年來，我國的航天技術也開始大量向民用方向轉換。

蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基是航天理論的奠基者，他在1911年提出了一個著名的預言：“地球是人類的搖籃，但是人類不會永遠生活在搖籃里。”作為一個鄉村中學教師，齊奧爾科夫斯基熱心研究飛艇和飛機，后來由于經費不足轉而進行理論研究，在溫飽問題還沒有完全解決時，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引導更多學生樹立遠大理想，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說：“這是個人的一小步，卻是人類的一大步。”阿姆斯特朗將個人的成就歸于人類的進步，這也將激勵學生超越自我局限，擁有更大的視野和格局。

培養嚴謹態度。航天工程是當今世界最復雜、最龐大的工程之一，航天型號對于質量和可靠性的要求非常高，不能有絲毫馬虎。中國航天人秉持嚴謹務實的理念，在實踐中形成了“產品零缺陷、發射零疑點、在軌零故障”的質量理念，建立了技術風險分析與控制、質量問題徹底歸零、應急突發事件快速處理等管理機制，嚴格執行規章，“做事有依據、做事按依據、做事留記錄”，體現了航天人科學嚴謹、求真務實的態度和作風。

學校可以組織專家收集、整理已有的航天課程、航天活動，以此為基礎構建較為完善的、考慮不同學段特點的航天課程，既讓學生多方面受益，又為航天事業的發展提供后備人才。

為“科學普及”提供實踐方向

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

航空航天飛行器主要分為航空器、航天器、火箭與導彈3類。我國古代就有航空航天的發展雛形，比如風箏、火藥火箭、孔明燈、走馬燈、竹蜻蜓等;1909年，“中國航空之父”馮如設計、制造、試飛了中國第一架飛機。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，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、航空教育體系，也沒有航天事業的發展意識，航空航天整體處于非常落后的狀態。

與許多歐美國家的發展途徑不同，我國是先有空軍，后有航空工業，再有航空高等教育，很長一段時間處于學習和追趕階段。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：航空領域歷經維修、仿制、自主研制、完全自主研制幾個階段，國產殲20、運20、直20以及各類無人機橫空出世，基本形成了完整的航空工業體系;航天領域經過“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體系，達到了世界先進水平。

雖然航空航天科技發展迅速，但是目前我國的航空航天教育仍然缺乏社會層面的共識和互動，造成航空航天原始創新方面動力不足、意識淡漠等問題，甚至會影響未來航空航天事業的高質量發展。創新意識和創新能力需要從小培養，在中小學開展航空航天教育至關重要。

航空航天是大量基礎科學（包括數學、物理、化學、生物等）與工程技術（包括自動化、機械工程、計算機、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生探索多學科、多領域的知識。當然，課程必須兼顧知識學習和動手實踐，一方面讓學生了解航空航天的歷史、學習與航空航天相關的各種知識，另一方面培養學生的動手能力，引導學生將所學知識轉化為實際應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。許多學生覺得航模、紙飛機、水火箭等航空航天初級模型充滿神秘，這些模型的科學原理比較簡單，容易讓學生獲得成就感，不斷循環“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標準是“飛行性能”，這需要學生動腦、動手進行實踐。初始階段不需要數學計算和復雜的科學原理分析，學生在教師的指導下很容易就能掌握“飛行”的基本規律，取得“飛起來”的成功喜悅;但是要想“飛得快、飛得久、飛得遠、飛得高”，教師還要引導學生深入探索相關學科的知識，從而幫助學生養成科學嚴謹的學習態度。

習近平總書記指出：“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置。”在中小學廣泛開展航空航天課程，正是為“科學普及”提供了嶄新思路和實踐方向。

“眾籌”航天STEM課程資源

北京市海淀區教師進修學校創新教育研究中心教研員陳詠梅，張乃新談到，北京市海淀區教師進修學校成立了專門的職能部門，與區域40多所中小學一起進行航天STEM課程的持續探索。航天STEM課程提升了學生的問題解決能力和高階思維，發展學生的實踐創新、合作交流能力，激發學生面向星辰大海的強烈好奇心和內驅力。

航天STEM課程面臨挑戰

航天STEM課程的開發與整合、實施與評價面臨很大挑戰：第一，航天領域的任務復雜性使現有航天科普活動難以課程化，難以形成課程體系，缺少明晰的學習進階路徑。第二，缺少航天領域的背景知識，缺少航天領域任務轉化為課程的方法和工具，跨領域、跨學科的課程開發與整合具有一定難度。第三，設計課程目標和組織課程內容時，科學探究和工程實踐的平衡點不容易把握。如果偏重科學的原理和概念，容易陷入海量“超標”的知識學習，如果偏重工程實踐，則容易陷于技能訓練。第四，一些教師自主開發課程，課程評價的依據不足，課程改進的周期較長。

作為教師研修及教學實踐基地，海淀區教師進修學校以研究與實踐相結合的方式進行航天STEM課程的開發與實施，通過航天STEM精品課程、優秀教學案例的研發及推廣服務學校特色發展，通過區域、學校、高校、科研院所和企業的共建共享“眾籌”航天STEM課程資源，通過研討與實踐提煉課程開發與實施的成果，通過把成果轉化為教師研修課程，促進STEM教師專業發展、提升學生創新能力、發展學生核心素養。

尋找課程體系的設計起點

學校應該從浩如煙海的航天任務中尋找適切的內容作為課程體系的設計起點，可以選擇前沿研究實踐的大系統，將其分解為子系統，將蘊含的知識與多學科課程標準進行聯系對應，與學生的認知特征相匹配。對于中小學而言，可以實踐的領域包括“載人星球基地建設”“中國空間站”“未來太空城市”等。

海淀區通過調研航天領域專家和文獻資料，形成了一張“載人星球基地建設”的工程大系統圖，其中“星球基礎設施”部分包括“星球基地本體系統”“球面運輸及作業系統”“球面起飛與著陸系統”“星球通信與導航系統”“其他輔助與支持系統”等。以“星球基地本體系統”為例，可以分解為熱控、能源、信息、生命保障、防護、輔助等子系統，其中“生命保障系統”是提供人在太空工作和生活期間的消耗品供應、生命維持所必需的載人環境、健康及醫療監測保障等設施，又可以進一步分解為水、空氣、食物、光照、溫濕度等子系統。課程設計過程中，首先要明確課程主題，聚焦典型的航天挑戰性任務，與航天專家共同研討學習，突破專業領域知識不足的問題，提煉真實問題的解決路徑;其次要找到與物理、生物、化學、數學等學科素材的關聯點，對應多學科課程標準，梳理學科核心概念和跨學科概念，結合學生認知特征，形成航天STEM課程目標，依據課程目標設計評價方案;最后還要把真實問題解決過程轉化為學習活動，為學生的問題解決設計路徑、搭建支架、提供學習資源，讓課程實施保持開放性。總而言之，航天STEM課程中的學習活動要整合跨學科的學習內容，體現科學探究與工程實踐的有機融合。課程實施需要強調學生為主體，以項目式學習為主，讓學生經歷分析、解決、評估、優化問題的過程。

突破課程開發與整合難點

海淀區教師進修學校將航天領域知識、跨學科知識作為基礎研修，將航天STEM課程設計與實施過程中提煉出的課程設計模式和課程實施策略轉化作為專業研修，通過體驗式學習、研究性實踐、跟進式研修等方式，促進教師對航天STEM課程的系統認識，突破課程開發與整合難點，提升學校的教學實施與評價能力。

必修課程中，有“月球探測的科學目標及實驗方案設計”“載人航天生命保障系統”等航天領域知識，有從多個課程案例中提煉出的科學與工程實踐活動設計實施策略，有項目學習支架和表現性評價設計與實施的展示研討等內容，一般依據研修目標，以工作坊、專家講座、研究課、展示研討、課程開發實踐等方式進行研修。

選修課程中，要帶動不同學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行課程開發，可以通過“眾籌共研”提升專業能力。基于學習進階理論，可以讓小學、初中、高中等不同學段的教師組建不同課程主題的學習共同體，對挑戰性任務、概念建構、核心科學與工程實踐能力、學習目標、學習成果、學習評價、學習活動、學習支架和工具等內容進行深入細致的研討、實踐，使教師明確適合學生發展的學習內容和學習方式，形成不同學段的課程實施策略和學習資源。

綜上所述，航天STEM課程需要融入學校教育主陣地，助推學校建設高質量教育體系，引導學生像科學家一樣思考、像工程師一樣實踐，從而發展學生的高階思維能力，培養新時代的創新人才。 （來源：中國教師報）