[专题]区域研修赋能航天STEM教育的实践探索——以北京海淀区“月球基地”系列课程为例

在原有航天科普活动基础上，北京海淀教师进修学校（以下简称“海淀进校”）通过航天类STEM课程建设和教师研修双功能落实，赋能区域STEM教师，推进区域和学校的航天教育实践，提升学生的高阶思维和复杂工程问题解决能力，培育征服星辰大海的必备品格。

在区域STEM教育实践中，教师是关键，课程是基础。海淀区用航天领域情境任务进行区域STEM教育实践，因其具有工程实践的真实性、典型性和复杂性，能外显出清晰的问题解决路径，提炼出成熟的问题解决模型，有经典的工程技术和创新的方案设计，体现鲜明的传承与创新相结合特色。

区域研修推动航天类STEM课程建设

海淀进校通过课程开发项目的浸润式研修和问题导向的专题研修，实现航天类STEM课程研发与STEM教师研修双功能落实。

航天类STEM课程建设是教师研修的基础

区域航天类STEM课程体系建构

从浩如烟海的航天任务中，选择适切内容作为课程体系设计的起点，既要熟悉航天各领域前沿研究和工程实践的大系统，还要了解分解的子系统，更要对接课程标准，与学生的认知特征相匹配。中小学可以实践的领域有“载人星球基地建设（月球/火星）”“中国空间站”“未来太空城市”等。

以“载人星球基地建设”总任务为目标，依据航天系统工程拆解方法，以“星球基础设施”为例，子系统的关系如图1。

图1 载人星球基地工程大系统图（部分）

仅以“星球本体系统”举例，分解为热控、能源、信息、生命保障等子系统。其中“生命保障系统”是提供人在太空工作和生活期间的消耗品供应、生命维持所必需的载人环境、健康及医监医保等设施，拆解为水、空气、食物、光、温湿度等子系统。如此，通过调研航天领域专家和文献资料，形成一张工程任务系统图。

按照真实问题解决路径，把上述工程系统转化为海淀区航天类STEM课程体系。以“载人星球基地/太空城工程系统”为大目标，分解为“载人星球基地设施”和“空间运输系统”2个部分。“基地设施”从结构、人居、运营和自动化等角度分解；“运输”分为运载火箭和着陆器系统2个部分。“运营”拆解的7个子系统中有一个“生命保障系统”，细分为水、气、食物、温湿度等供给和调控系统；“食物供给”还能拆解形成更小的子系统。

据此，海淀进校与清华附中、北京一零一中学及矿大分校、北航附属实验学校（中学部）、八一学校、建华实验学校、中法实验学校、北京市二十一世纪国际学校等共同研发了以“月球基地”为大目标的“地月课程体系”，包含从地球出发、地月基地选址、月球基地建设、基地生命保障系统和星际探索5个组成部分，形成了“动力火箭”“月球基地生态舱植物生长的光照系统设计”等课程；与人大附中合作研发了“中国空间站”的部分课程。

航天类STEM课程开发的一般方法

以“月球基地建设”为大情境，提炼STEM课程开发模式，示范指导科学规范的课程开发（图2）。

图2 航天类STEM课程开发模式

针对课程主题突破领域知识不足和认识不系统的问题，解决领域知识的应用场景和常见问题。聚焦典型航天工程中的挑战性任务，提炼（航天）真实问题解决路径，梳理大概念建构路径，描述学习者核心素养，形成STEM课程目标。把航天真实问题解决过程转化为学习活动，依序设计支持学习的支架、工具和资源，依据课程目标进行评价方案设计。选择与组织航天类STEM课程内容时，体现科学探究与工程实践的有机融合，跨学科整合内容不割裂，促进合作探究、表达沟通等核心素养发展，加强数学建模的核心作用。提炼学习活动设计策略，促进系统思维、批判性思维和创新思维能力提升。

精品航天类STEM课程内容，与学科知识发展、学科思想方法能建立紧密联系。以清华附中教师申大山的“动力火箭”课程中“气动火箭数据分析”为例，工程目标是“可以准确抵达教室内任意指定的位置”，学生经过工程设计、制作、测试，获取了射程与充气的气体压强的一定量数据。通过数据拟合发现矛盾——射程与气压之间的关系究竟是一次函数还是二次函数关系。分解火箭模型工作过程，把每个工作过程建立物理模型，如理想气体状态方程、牛顿第二定律、斜抛运动，通过科学论证推演出结论，发现当隐含前提不同，则二者之间的关系就不同。激发学生继续与产品模型结构的构成要素进行关联，找出隐含前提中的变量，对产品结构中关键部件进行优化，继续测试、收集、分析数据。从而使学生在科学原理、工程产品构成、数理模型之间建立起联系，建构“系统、结构与功能”的大概念，形成数据分析和工程产品优化的一般方法。

区域研修促进航天类STEM课程普及

海淀进校把航天类STEM课程设计模式和课程实施策略转化为教师研修课程，通过体验式学习、研究性实践和跟进式研修方式，促进教师对航天类STEM教育的系统认识，突破课程开发与整合难点，提升教学实施与评价能力。

形成STEM教师研修课程

把航天类课程开发的领域知识、STEM课程开发理论、科学与工程实践融合策略、数学建模等成果作为研修课程内容进行展示研讨，优化改进。一般依据研修目标，以工作坊、讲座指导、研究课等形式进行研修实践。

基于学习进阶做贯穿学段的研修

如何确定航天类STEM课程适合不同学段学生的内容和方式？海淀进校基于学习进阶，以贯穿学段的课程组研讨实践，形成不同学段课程实施策略和学习支架。

在相同情境和课程主题下，对挑战性任务、概念建构、科学实践能力、学习目标、学习活动、学习成果、学习支架和工具等进行实践，形成流程和模式，转化为研修课程内容。

航天类真实复杂问题的STEM学习过程是跨学科学习，是一种潜力无穷的教育新范式，能够激发学生的学习动机，提供多样化机会，有利于个性化学习和潜能开发。航天类STEM课程，通过较长时间段的学习，学生在深度体验、讨论、反思、探究、设计、创作中获得对核心概念的深度理解，对认识世界方式的丰富，以及对征服星辰大海的信念。

原文刊载于《中国科技教育》2021年第7期专题“航天科技教育的校内外实践”，作者：陈咏梅、张柳、张乃新（北京市海淀区教师进修学校）。本文有删减，中国青辅协会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。

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