基于FabLab 的科創教育課程探索
——高中生創新素養培育的格致實踐

吳 照 季金杰

（上海市格致中學 上海 200001）

一、 引言

FabLab（Fabrication Laboratory）是全球知名的智能制造與科創教育綜合項目，以“創制萬物”為理念，集創新實驗室、標準化數字制造設備、配套課程資源、專家團隊、全球Fab 年會于一體，在世界科創教育領域影響深遠。

FabLab 的相關課程主要包括麻省理工學院開發的“如何制造萬物”（How to Make Almost Anything）、哈佛大學醫學院開發的“如何培植萬物”（How to Grow Almost Anything）、哈佛大學開發的“AI 設計”、斯坦福大學開發的“設計思維”（Design Thinking）等。[1]

上海市格致中學的前身格致書院是我國近代最早系統傳授西方自然科學知識、培養民族科技人才的新型學堂。近一個半世紀以來，學校積極傳承“愛國、科學”的優良傳統，通過課程資源與實驗環境的整合，培養學生的科學素養和創新實踐能力。2009 屆畢業生鄧蓓佳曾將自己在高中階段發明的19 項專利中的3 項無償轉讓給上海世博局，被2010 年上海世博會采用。[2]在上海市首批23 個高中創新實驗室典型案例中，上海市格致中學有3 個創新實驗室（實踐平臺）入選，數量位居全市高中之首。[3]

為貫徹國家創新驅動發展戰略，培養青少年科創人才，拓展高中生科創素養培育路徑，上海市格致中學借鑒國際科創教育經驗，于2014 年引進中國高中第一家FabLab 創新實驗室——格致FabLab 創智空間，旨在通過教學空間和實驗設備的變革，推動科創教育實踐創新和育人方式轉型。

9 年來，上海市格致中學圍繞“高中生科創教育本土化實踐”，攻堅克難，通過嫁接、轉化、再生，構建高中生科創課程體系，建立適合科創教育的學生指導機制，實現了過程留痕式的評價增值，打造了高中生科創素養培育的本土化實踐范例。

二、 基于FabLab 的科創教育本土化實踐

上海市格致中學推進科創教育實踐的基本思路是：從“完善學校課程實施規劃，豐富科創課程資源供給”入手，分層構建本土化高中科創課程體系，為學生開展科創實踐奠定學習基礎。通過真實任務驅動學生開展長周期項目研究，全時段開放創新實驗室，全過程給予學生個性化指導。在此基礎上，進一步構建適合科創教育的評價方式，引導學生在失敗與摸索中享受科技創新的樂趣，體驗科技創新的過程，提升科學研究素養，從而實現“人人參與科創，人人都有創意，人人都能創造”的發展愿景。

（一） 移花接木：構建本土化高中科創課程體系

FabLab 配套課程是以國外高校學生為學習對象而開發的。因此，在引進FabLab 實驗室的基礎上，如何根據我國高中生的實際學情，進行科創課程的本土化改造與重構，是上海市格致中學多年來銳意探索的研究課題。

首先，通過對FabLab 原版配套課程的試學試教，調研師生的教學反饋，發現原版課程中有關智能制造設備的使用方法及耗材的介紹過于詳細，超出了高中生開展科創活動的實際需要，且理論講授式的敘述方法不符合高中生的認知特點。因此，對“設備用法與耗材”的相關課程內容進行轉化，改編為融合設備基本用法與實踐體驗的8 個實踐項目。通過教學實踐與觀察，改編后的項目能幫助學生快速掌握FabLab 實驗室中常用制造設備的用法。

其次，將“必修、選修、創新實踐”作為學校科創課程的基本層次結構，遵循“以問題解決為導向，凸顯個性化設計與制造”的課程設計思路，以高中物理、信息技術、通用技術等學科課程標準中的學業質量要求為依據，作為錨定學生知識與能力基礎的假設，研究麻省理工學院FabLab 標準化配套課程資源涉及的課程門類和內容模塊，評估學生完成各課程模塊的實踐項目所需達到的知識與能力水平，選取和我國高中生知識與能力水平相適應的項目內容，作為科創課程本土化實施和課程資源開發的參考依據。再選取FabLab 標準化配套課程中的部分典型項目作為案例，分析項目的編寫體例與情境創設特點，通過先模仿改編后設計創造，結合FabLab中的智能制造設備，設計單元項目活動，開設“3D 設計與打印”“激光切割與雕刻”等校本科創課程。通過課堂教學實踐、教學反思、課程內容調整、教學設計修訂，不斷凸顯課程內容的項目化、情境化特征和問題解決導向，提升課程內容的適用性，培養學生的科技創意、探究精神，提升學生的動手實踐能力。

在第一輪課程開發經驗的基礎上，我們將橫向解構和縱向分層作為本土化科創課程體系的頂層設計，進一步組織開發相應的科創課程模塊，逐步構建和完善基于FabLab 的本土化科創課程體系（見圖1）。

圖1 基于FabLab 的本土化科創課程體系

橫向解構和縱向分層是基于FabLab 的本土化科創課程體系的兩大特征。所謂橫向解構，是以學科為橫向維度，按照學科門類，將科創課程內容分解到各個學科知識體系中。所謂縱向分層，是以課型和教學組織方式為縱向維度，以學生的學習心理特征為出發點，將不同的教學內容分散到不同的課型和教學活動中。所有的科創課程均通過傳統的線下教學和基于MOOC 平臺的在線教學兩種方式實施。

具體而言，縱向的課程結構呈“必修課程（普及）、選修課程（興趣）、創新實踐課程（個性）”的階梯式，橫向的學科能力培養以“基礎、個性、精英”分層遞進。必修課程側重于普及學生的科學素養。選修課程主要針對學生的個性化學習需求，激發學生的學習興趣，引領其在知識和技能方面向更高層次發展。創新實踐課程以基于FabLab 的創新實踐活動為載體，實現課程學習與自主研究的無縫對接，實現課堂教學與課外教育相結合，面向有專業特長和創新潛質的學生，側重于創新潛力的挖掘和精英人才的培養。

1. 必修課程

必修課程包含“創新學”“格致學”等課程。“創新學”主要包括創新思維和創造發明技法兩大板塊。教師結合具體案例，為學生分析和介紹逆向思維、側向思維、求異思維、類比思維、發散思維、綜合思維等創新思維的基本形式；結合具體實例，深入剖析組合發明法、補短發明法、需要發明法、專利利用創新法等創造發明技法。“格致學”主要包括中國近代自然科學發展史和“格物致知”的哲學內涵。本土化科創課程的必修部分并非聚焦于技術應用和操作技能，而是通過線上學習的方式，從歷史、哲學、創新思維多個視角帶領學生走近創新、了解創新，進而激發創新熱情。

2. 選修課程

選修課程包括智能制造、航空航天船模、電子編程等內容模塊，以線下教學為主要實施方式。課程圖譜如圖2 所示。

圖2 基于FabLab 的本土化選修課程圖譜

（1） 智能制造模塊

該模塊包含“3D 設計與打印”“激光切割與雕刻”“智能家居系列”“FABO 智造”“設計思維與創新設計”等。

“3D 設計與打印”旨在讓學生運用三維設計軟件和3D 打印技術解決實際生活中的工程問題，提高設計能力、物化能力和解決實際問題的能力。

“激光切割與雕刻”旨在讓學生運用三維設計軟件和激光雕刻機，設計外觀與實用性兼顧的個性化物件，提高設計能力和物化能力。教學中融合了節約環保的育人理念，引導學生合理設計圖像，最大程度地利用好原始的整塊木質材料。

“智能家居系列”以項目為載體，融合了積木式編程、電子通信和木工制造三項內容專題。學生運用3D 打印或激光切割技術，制造出與現實家居等比例的木結構家居模型，并給這些家居的部分部件安裝網卡。通過無線網絡環境，學生能夠感受遠程控制家居的物聯體驗。

（2） 航空航天船模模塊

該模塊包含“RW D C 無人機設計與應用”“船模的藝術加工”“衛星應用”等。

“RWDC 無人機設計與應用”分為無人機工作原理、試飛無人機、設計無人機三大內容專題。該課程綜合數學、物理、飛行原理、三維建模、城市規劃、軟件編程、通信工程、英語表達等學科知識，旨在全面提高學生的跨學科綜合能力。參加該課程的學生團隊將被推薦參加真實世界設計挑戰（Real World Design Challenge，簡稱RWDC）大賽。

“船模的藝術加工”旨在讓學生掌握不同類型船模的歷史淵源、物理原理，區分不同類型船模的航行優勢；通過動手制作和加工船模，掌握實踐操作能力，并結合船模比賽，培養競爭意識和團隊協作能力。

“衛星應用”屬于地理學科之地理信息技術方向。學生以小組活動的方式學習ArcGIS 和ENVI 軟件的各種功能。教師引導學生完成一項以“城市變遷”為主題的地理信息研究任務。

（3） 電子編程模塊

該模塊包含“App Inventor 手機編程”“Arduino電子編程”“機器人”等。

“App Inventor 手機編程”基于App Inventor軟件，讓學生快速上手簡單的安卓系統App 的設計與開發，為智能制造模塊下的“智能家居系列”奠定基礎。

“Arduino 電子編程”以項目為載體，通過一系列Arduino 項目，帶領學生學習與掌握開源硬件的常用元件、傳感器和編程方法，激發學生靈感；結合真實情境，讓學生設計開發能解決具體問題的小發明。

“機器人”包含BLAST-WeDo 和BLASTEV3 兩個內容專題，課程內容包括WeDo 基礎學習、傳感器與智能編程、WeDo 編程游戲、WeDo智能生活、機器人基礎、機器人城市與交通、Blast 機器人挑戰、Blast 機器人全能運動會等。

3. 創新實踐課程

通過學科維度的橫向解構，基于創客教育的高科技特色高中創新實踐課程以“跨學科+X”的思路展開。

“跨學科+X”的創新實踐課程的設計思路是將一種技術應用于不同的學科領域和問題情境，其目的是讓學生在完成各課程模塊后，能進一步實現知識與技能的融會貫通。

“3D 打印+”課程是將3D 打印技術與不同的學科模塊進行結合。在“3D 打印+工程”模塊中，研究任務是開發手機支架或手機殼等手機延伸產品；在“3D 打印+物理實驗”模塊中，教師結合物理實驗如伯努利試驗、陀螺儀等，引導學生設計制作實驗器材和實驗教具；在“3D 打印+傳統文化”模塊中，教師引導學生聯想與戲曲、茶藝等傳統文化相關的創意產品，根據自己的喜好，運用3D 打印技術設計制作相關的道具和周邊衍生產品，為繼承和發揚傳統文化添磚加瓦；在“3D 打印+機械”模塊中，教師引導學生利用機械知識，結合Arduino 開源硬件，3D 打印機械臂，融合電子控制，組裝形成機器人。

“App Inventor+”課程是將基于安卓系統App 的開發工具App Inventor 與各學科相結合。在“App Inventor+文史”模塊中，學生研究如何運用“我愛背單詞”“聽音辨詞”等App 開發項目；在“App Inventor+智能家居”模塊中，學生結合生活經驗設計作品。

本土化高中科創課程體系的分層構建，既為學生認識科技創造、掌握現代制造技術、開展科創實踐搭建了循序漸進的學習階梯，也為學生結合自身的研究興趣開展項目研究提供了豐富的資源與學習選擇。

（二） 心手合一：構建合適的科創教育指導機制

“教師演示”“學生跟著教師做”是動手實踐類課程常用的教學方式。在首輪教學實踐中，教師運用“學生跟著教師做”的教學方式，在教學評價中發現學生在開放式主題下創作的作品同質性較高，學習興趣未被充分調動。

因此，在后續的教學實踐中，應當引導教師調整教學方式，嘗試開展“創意衣架設計與承重測試”等半開放式主題活動，以問題解決為導向，激勵學生在跨學科視角下開展長周期的創新實踐，體驗設計、制造、裝配、測試等創制實物的全過程。

為進一步指導學生的創新實踐，我們通過對國外FabLab 實驗室的考察和學習，運用非正式訪談研究法，對國外多個運行多年的FabLab 進行研究，分析借鑒其管理經驗。比如，仿照國外FabLab 實驗室管理團隊的角色分工，構建格致FabLab 創智空間的運行團隊。

格致FabLab 創智空間的管理和運行，既充分借鑒了麻省理工學院對FabLab 創新實驗室的管理標準與模式，又進行了必要的本土化改造。實驗室采用團隊管理模式與運行機制，由實驗室主任、技術主管、運營主管及資深專家組成管理和運行團隊。實驗室主任總體負責實驗室的各項工作。技術主管隊伍的組建充分吸取了國外管理經驗，在專職教師的基礎上，招募社區學者及部分有專長的家長，構成了20 人組成的技術主管團隊。同時，我們還聘請相關領域的著名學者和專家，對實驗室的各項活動進行高端指導。格致FabLab 創智空間的專家指導團隊成員包括FabLab 創始人尼爾·格申費爾德（Neil Gershenfeld）教授、麻省理工學院張曙光教授等。

格致FabLab 創智空間的運行理念是全時段開放，學生可以隨時進入FabLab 創作、學習。排入課表的時段由任課教師負責教學管理，未排入課表的時段主要由技術主管團隊負責學生科創活動的個性化指導和管理保障，對學生開展的創新研究項目進行全過程跟蹤和個性化指導。

指導團隊在學生創意實現的過程中解答疑難問題和點撥思路，引導學生形成“創意—制造—檢驗—創意調整—再制造—再檢驗”的意識與思維，內化創新制造的邏輯。

（三） 評促貫通：構建適合科創教育的評價方式

在前期的教學實踐中，教師僅將給作品打分作為學生創新素養的評價方式。因此，部分學生因軟件操作或裝配上的偏差，導致作品創作失敗，繼而影響創新實踐的積極性。事實上，創新是一個允許失敗的過程，僅對結果進行評價，難以全面反映創新實踐的歷程。基于這一觀點，在后續的教學實踐中，我們構建了過程評價、作品評價、增值評價相結合的評價方式。過程評價著眼于實踐過程的規范性，作品評價著眼于實踐成果的創新性，增值評價著眼于創新素養的發展性。

過程評價側重于評價學生的創新實踐過程是否規范，從創新精神、創新意識、創新學習、創新人格等維度進行評價。學校開發了如表1所示的過程評價工具，采用自評、互評、師評等相結合的評價實施方式。

表1 過程評價工具

作品評價是指綜合學生完成的科創作品在科創比賽、專利申請、活動交流、成果發表等方面的實際情況，形成作品得分。如表2 所示的作品評價量表設定了各項評價內容的賦分、權重和數據量化規則，能根據學生作品的獲獎等級、作品交流范圍、學生參與度等指標，將其轉換為評價數據。

表2 作品評價量表

增值評價則通過普通高中學生綜合素質評價系統，以學生發展增值為導向，觀察學生每一學期創新實踐素養的表現和得分，對實現增值的學生給予表彰。

三、 研究成效

在基于FabLab 的科創教育本土化實踐中，上海市格致中學取得的核心經驗可以概括為以下幾方面。其一，對科創課程的本土化開發，應采取“變繁為簡”的策略，將系統化、理論化的課程內容轉化為項目化、情境化的趣味項目。其二，在科創課程實施中，應采取任務驅動的教學策略，將“學生跟著教師做”的教學方式轉變為教師創設問題情境，以真實任務驅動學生自主探究和解決問題。其三，在創新實驗室的管理運作上，采用全時段開放、全過程給予學生指導的策略，將創意空間升級為學生科創實踐基地。其四，在科創教育的評價方面，從單一的作品評價拓展為多種評價方式相結合，引導學生注重實踐過程的規范性、實踐成果的創新性和創新素養的發展性。

截至2022 年末，格致學生累計獲國家專利1433 項，獲得專利數量領跑全國高中學校。開展基于FabLab 的科創教育本土化實踐以來，格致學生獲國家專利數量逐年增長，尤其是發明類專利數量穩步增長，表明基于FabLab 的科創教育本土化實踐能有效促進學生將科技創意物化為發明創造。

近年來，格致學生在世界頭腦奧林匹克大賽、RoboCup 青少年世界杯、國際青少年科創大賽、“明日科技之星”、“明天小小科學家”、丘成桐中學科學獎等省級及以上青少年科技類比賽中獲獎600余項。上海市普通高中學生綜合素質評價結果表明，2014 學年以來，格致學生在創新實踐方面的表現逐年提升，科創教育本土化實踐成效顯著。

上海市格致中學充分發揮中國FabLab 校際聯盟領銜校的輻射作用，接待30 余所中外學校的1500 余位學生參加FabLab 科創教育體驗營。學校組織科創課程開發團隊，在中國FabLab 校際聯盟成員校、中國教育學會科創教育聯盟學校分批次開展科創教育領航教師培訓、科創教育種子教師培訓，惠及全國800 余位中小學科創教師。學校為泉州第五中學創智空間、江蘇省常州高級中學創意坊、安徽省蚌埠市FabLab 創新教育聯盟等單位的FabLab 初創建設提供對口幫扶。學校在全國范圍內共帶動46 所學校或機構建立FabLab實驗室，輻射科創課程12 門。學校多次參加全球Fab 年會，介紹FabLab 的中國樣本，傳播科創教育的中國經驗，構筑中國科創教育的生態鏈。

四、 結語

黨的二十大以來，教育部等部門圍繞加強新時代中小學科學教育，頒布并實施了多項政策，進一步凸顯了高質量推進中小學科學教育的時代價值和重要意義。多年來，上海市格致中學基于FabLab 開展科創教育的本土化實踐，在科創課程的開發與實施、創新人才培養、科創教育評價等方面進行探索與實踐，形成了高中生科創素養培育的格致經驗。展望未來，中小學科創教育不僅要與時俱進，關注本土化科創課程的動態優化，還要重點研究如何通過科創教育本土化實踐的再深化，激發青少年的好奇心、想象力、探求欲，推動青少年拔尖創新人才的自主培養，提高全民科學素質，從而更好地為我國科學教育發展貢獻智慧，當好新時代中小學科學教育高質量發展的探索者和引領者。