科研资源科普化 | 航天科技赋能教育——生命科学STEAM课程的转化路径探索

《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》提出实施“科技资源科普化工程”，是落实习近平总书记“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”重要论述的战略性举措。本期专题整理了航天、生命、海洋等学科科研机构在科普、研学、构建课程体系等方面的实践与探索，以期集合全社会力量，共同做好科学教育加法。

文_刘　聪1　张亚玺2　徐　敏3　邓玉林2*

（1. 北京理工亘天科技有限公司；2. 北京理工大学；3. 北京理工亘舒科技有限公司；*通讯作者）

摘要：本文以北京理工大学及其科技成果转化企业联合开发的课程体系为例，系统阐述了航天生命科学教育资源向中小学课程的转化路径。研究创新性地提出了“以真实科研问题为导引、核心技术情境化体验、分层教学设计”三位一体的课程研发理念，并构建了覆盖微流控芯片、新药研发与生物传感三大方向的系列课程。实践表明，该体系通过研学营、场馆课程与竞赛的多元实施路径，有效激发了青少年的科学兴趣，培养了跨学科创新与实践能力，为我国前沿科技资源的科普化与教育转化提供了可复制、可推广的成功范式。

关键词：航天生命科学　STEAM课程　课程开发　科学教育　转化路径

前言

国家的科技创新体系犹如一座金字塔，塔尖的顶尖科学家与工程师离不开底部坚实而广泛的创新型人才基础。若缺乏对青少年科学兴趣的系统培养，未来高等教育中理工科生源将面临萎缩风险，人才强国战略也将失去根基。《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》指出，应“加强科学教育，强化核心素养培育”“完善拔尖创新人才发现和培养机制”“着力加强创新能力培养”。教育部办公厅印发的《中小学科学教育工作指南》也明确要求“支持有兴趣的学生长期开展探究实践活动和项目专题研究”“强化基于真实情境的学段教学内容设计”。这些政策为在中小学阶段加强科学教育、推进跨学科课程建设提供了明确的指引与制度保障。

航天主题对青少年具有独特的吸引力，能够有效激发他们对宇宙探索的热情与对科学事业的向往。航天生命科学作为典型的交叉学科，融合了生物学、医学、工程学、物理学及信息科学等多个领域[1-2]。学习航天生命科学知识，有助于学生打破传统学科界限，构建系统化的知识体系，提升综合解决问题的能力。同时，航天生命科学的科普化传播能够拉近公众与尖端科技的距离，增强社会对航天事业的理解与认同，为培养未来科技领军人才播下种子。

然而，航天生命科学本身具有跨学科复合性强、技术门槛高等特点，导致其课程体系开发面临较高难度。目前，国内尚未形成系统完整、易于推广的航天生命科学STEAM课程体系，尤其缺乏具有代表性、可复制的教学案例，致使该领域内容在基础教育阶段难以有效推广与落地实施[3-4]。鉴于此，本文旨在填补航天生命科学在基础教育阶段系统化STEAM课程的空白，研发符合学生认知发展规律、融合多学科知识与真实科研情境的课程体系，并总结可行的实施路径与教学模式，为我国中小学航天科技教育的创新发展提供可借鉴的实践范式。

航天生命科学与STEAM课程

航天生命科学是研究生命体在空间特殊环境下（如微重力、强辐射、极端温度、密闭隔离等）的响应规律与适应机制，并利用该环境推动生命科学研究、保障航天员健康、支持地外生存的前沿交叉学科[5]。其研究范畴可归纳为3个核心方向：生命在空间环境下的响应与机制、空间生命保障技术与系统，以及空间环境生物技术应用。航天生命科学的发展高度依赖先进的技术平台，其技术体系正朝着微型化、自动化、智能化与高信息维度的方向演进，主要体现在4个关键领域：空间实验室的“芯片实验室”技术、生物医学载荷技术、人工智能与生物医学载荷的深度融合，以及生物传感技术。

如何设计航天生命科学STEAM课程？关键在于将前沿科研内容转化为契合学生认知水平与兴趣的教学内容。其核心路径是从航天生命科学领域中，提炼出既反映真实科研挑战、又能与中小学知识体系相衔接的科学问题。

例如，“如何在空间站中实现微生物的快速检测？”“如何利用空间环境筛选与研发新型药物？”“如何对空间环境下的生物功能与损伤进行可视化监测？”等议题，均源自我国空间站任务中的实际需求。这些问题所涉及的遗传物质、微生物结构、电磁波及物质分离等核心概念，与中学生物、物理、化学课程内容高度对应。同时，它们也与日常生活中常见的健康、药物、环境辐射等主题紧密关联，易于激发学生的共鸣与探究动机。

通过将此类高水平科学问题转化为可操作、可探究的教学项目，课程能够在基础教育与前沿科技之间建立有机桥梁，不仅帮助学生巩固学科知识，更引导其体验完整的科研流程，从而有效激发其对航天生命科学的兴趣，培养科学思维与创新实践能力。

航天生命科学STEAM课程的研发理念与路径

航天生命科学STEAM课程的开发，坚持以真实科研问题为引领，聚焦航天任务中面临的生物科学挑战，从中提炼出与中小学科学课程紧密衔接的核心探究课题。例如，“如何在空间站中检测微生物”这一实际问题，恰与中学生物课程中的“PCR微生物检测”知识点高度契合，能够让学生将课堂所学与前沿科技应用直接关联。

01

以真实的科研问题为导引，重塑科学学习路径

课程研发理念的核心在于引导学生“像科学家一样思考”。传统科学教学往往从定理与公式出发，容易脱离实际应用场景；而以真实问题为导向，则将学习过程“反转”，让学生首先直面尚未解决的开放性挑战。这种方式能迅速激发学生的好奇心与使命感，使其认识到所学知识并非孤立的理论，而是解决人类航天探索中关键问题的工具。在明确学习价值的基础上，学生将系统经历“提出问题—建立假设—设计实验—分析数据—得出结论”的完整科研流程，从而在掌握知识的同时，构建科学的思维范式，培养主动探究的能力。

02

注重核心技术的情景化体验，推动“做中学”

航天科技具有一定的认知门槛，其核心原理与设备往往难以直接接触。课程通过模拟、建模与动手制作等方式，将抽象复杂的技术转化为学生可感知、可操作的情境化任务，强调在实践体验中构建系统化认知。例如，使用安全无毒的果冻粉替代专业有机硅材料制作微流控芯片，或以粉笔末模拟硅胶粉完成天然产物分离实验，让学生在简化而真实的模拟中理解技术本质。此外，课程还引入人工智能技术，将复杂的实验流程开发为可交互的模拟程序，如构建“天然产物分离”虚拟实验游戏，增强学习的趣味性与沉浸感。

03

采用分层教学设计，兼顾普及性与专业性

航天生命科学课程面向广泛学段，从对太空充满兴趣的小学生，到具备一定学科基础、有志于深入探索的高中生。为适应不同学生的认知水平与发展需求，课程采用分层教学设计，确保每一位学习者都能在适合的认知台阶上获得成长。针对低年级学生，课程以趣味活动为主，如“设计制作飞行器”，通过纸鸢折叠、创意拼贴等形式，激发兴趣并锻炼基础动手能力；而高年级学生，则设置如“航天生物芯片设计与制作”等综合项目，要求其融合运用科学研究、数学建模与工程优化等高阶能力，完成从概念到实物的全流程开发。这一分层体系既保证了课程的广泛参与度，也为有潜质的学生提供了专业发展的阶梯，支持其在跨学科整合中实现个性化成长。

课程研发典型案例

课程系列：航天生物芯片

科学问题：如何在空间站中实现微生物的快速检测？

核心技术：微流控芯片技术

课程1. 果冻芯片制作与体验

课程时长：1日

对应学段：全学段（初阶）

内容简介：使用果冻粉等安全材料制作简易微流控芯片，直观体验该技术在航天生物检测中的核心优势与应用场景。

课程2. 航天生物芯片设计与制作

课程时长：5日

对应学段：中学（高阶）

内容简介：系统学习微流控与PCR技术原理，运用专业软件自主设计微生物检测芯片，并采用激光雕刻等工艺完成芯片的加工、测试与迭代优化。

课程系列：航天新药研发

科学问题：如何利用空间环境筛选与研发新型药物？

核心技术：虚拟仿真与色谱分离技术

课程3. 植物色素分离技术与体验

课程时长：1日

对应学段：全学段（初阶）

内容简介：通过虚拟仿真软件与模拟实验，学习并体验天然产物分离的基本技术，了解科学家的研究思路与流程。

课程4. 青蒿素分离与太空新药研发

课程时长：5日

对应学段：中学（高阶）

内容简介：亲手体验通过色谱法分离青蒿素的实验过程，重演诺贝尔奖级的科研历程；结合太空药物筛选的科学前沿，利用虚拟仿真技术深入探究新药研发全过程。

课程系列：航天生物传感

科学问题：如何对空间环境下的生物功能与损伤进行可视化监测？

核心技术：荧光探针与智慧传感技术

课程5. 神奇的发光细菌

课程时长：1日

对应学段：全学段（初阶）

内容简介：利用发光细菌作为活体传感器，进行水质与辐射检测的模拟实验，亲身感受空间站中生物监测技术的原理与魅力。

课程6. 太空辐射检测与防护

课程时长：5日

对应学段：中学（高阶）

内容简介：综合运用发光细菌、荧光探针等生物传感技术，自主设计并搭建一套可用于太空环境的辐射损伤检测实验装置。

课程实施推广与成效分析

在课程研发基础上，项目通过多元路径推广实施，并取得显著成效，具体体现在以下3种模式。

01

校内研学营：普及与深化并举

由北京理工大学与企业联合研发的航天生命科学STEAM课程，在推广初期，以“1日科普研学营”形式迅速打开局面。自2024年12月至2025年8月，课程先后接待了来自北京市多所中学，以及保定市的亲子家庭和全国多地的小学生团体，累计参与人数超过300人次。其中，“果冻芯片制作与体验”1日营尤为成功，学员在亲手制作芯片的过程中，不仅直观理解了微流控技术如何精准服务于航天生物研究，更从“看似简单却暗含精密操作”的实验中领悟到“细节决定成败”的科研精神，实现了科普性与实践性的完美融合。

学生测试自己设计和制作的航天生物芯片

在普及的基础上，课程进一步推出了高阶研学项目，面向学有余力且兴趣浓厚的学生开展深度研学。例如，“航天生物芯片设计与制作”与“青蒿素分离与太空新药研发”等课程，已成功为香港宏信书院等学校提供了跨区域研学服务。在为期5天的“航天生物芯片设计与制作”研学营中，学生从认识空间站微生物检测这一真实需求出发，通过专用教具体验微流控这一核心技术，学习使用设计软件，自主构思并绘制芯片结构图，再利用激光雕刻机加工出PMMA材质的芯片实体，最终通过反复测试、优化方案，完成项目答辩。这一过程让学生实现了从“航天爱好者”到“初级芯片设计师”的跨越，结营答辩时，学员无不洋溢着完成挑战的成就感与激动之情。

02

场馆融合：实现课程常态化与规模化

在课程体系初步验证有效的基础上，为进一步拓展实施场景，推动课程从阶段性研学活动向常态化教学转变，项目创新性地采用了“场馆融合”模式。该模式的核心在于将高校与企业联合研发的航天生命科学STEAM课程，系统性地植入具备专业设施与场景氛围的科普教育基地，从而实现课程在真实情境中的规模化推广与深度融入。

本项目与独家运营的狮山青少年科学创新实训中心、狮山航天科技体验中心达成深度合作。该中心坐落于广东佛山南海，是国内首批集科研实验、实景科普与互动体验于一体的综合性航天主题教育基地。

学生参观航天主题科创实训中心

在场馆融合模式中，初阶课程如“果冻芯片制作与体验”“神奇的发光细菌”等，被设计为半日或一日的标准化研学模块，可灵活嵌入各地中小学生到中心的集体研学行程中。学生在研学过程中不再是被动的参观者，而是化身为“太空实验员”，在模拟航天科研场景中亲手完成项目任务，实现从知识接收到实践体验的跨越。而高阶课程如“航天生物芯片设计与制作”“太空辐射检测与防护”等，则依托场馆的先进设备与专业环境，发展为深度研学营或校本选修课程。例如，当地中小学校可将该课程纳入课后服务体系，组织学生定期前往中心开展项目式学习，完成从芯片设计、加工到测试的全流程工程实践。这种“走出去”到专业场馆的学习形式，有效解决了中小学校在高端设备与专业环境方面的资源限制，使前沿科技实践得以在基础教育阶段真实发生。

学生体验航天模拟设备

场馆融合模式的优势显著：其一，它实现了课程实施的常态化，使航天STEAM教育不再局限于寒暑假或特殊活动，而成为可定期开展的教学组成部分；其二，它推动了课程覆盖的规模化，凭借场馆的接待能力与辐射效应，可同时服务来自全国不同地区的学生团体；其三，它增强了学习体验的场景化，让学生在高度仿真的航天科研环境中建构知识，极大提升了学习代入感与目标认同感。

03

赛事结合：从课程学习到创新输出

航天事业的进步离不开创新想法的汇聚。航天生命科学STEAM课程中的优秀学生实践作品正为航天生命科学研究提供源源不断的灵感与雏形方案。国际空间科学与载荷大赛作为由北京理工大学、中国宇航学会、国际宇航科学院、亚太空间合作组织、中国航天基金会联合多家权威机构发起的全球性赛事，为课程成果提供了高水平的展示平台，课程中的杰出作品经深化完善后，可直接参与此类国际竞赛，让学生的学习成果得以在更高舞台上接受检验，真正实现从知识学习到创新实践的能力跃迁。

结束语

航天生命科学STEAM课程体系涵盖微流控芯片、航天新药研发与生物传感三大技术方向，并适配全学段学生认知水平。课程研发秉承三位一体的核心理念，有效破解了高科技资源教育转化的核心难题。在实施层面，形成了校内研学营普及、场馆融合常态化、赛事结合促创新的多元路径，构建了从航天科研资源到科普教育实践的有效转化机制。实践反馈表明，该课程体系显著激发了学生的科学兴趣，系统培养了跨学科思维与创新实践能力。

带学生了解航天科技成果的转化实例

展望未来，航天生命科学STEAM课程的深化与推广应聚焦三大方向：强化政企校协同育人网络，整合多方资源；建立课程质量国家标准，保障教学内容的科学性与规范性；构建“教学—实践—反馈”闭环评价体系，以数据驱动课程持续优化，从而推动航天科普教育向规模化、专业化、体系化迈进。

参考文献

[1]Lin W, He F, Zhang W S, et al. Astrobiology at altitude in Earth's near space[J]. Nature Astronomy, 2022(6): 289.

[2] 李莹辉，孙野青，郑慧琼，等．中国空间生命科学40年回顾与展望[J]．空间科学学报，2021，41（1）：46-67．

[3] 王丽娟．利用社会热点话题进行STS教学——“神舟9号”生命保障系统的设计[J]．生物学通报，2004（5）：34-35．

[4] 叶燕珠，沈雪青，吴新建，等．STEM视域下初中化学跨学科项目式学习实践研究——以“探寻火箭发射的奥秘”为例[J]．化学教学，2024（4）：38-45．

[5] 赵玉芬，华跃进，李一良，等．空间生命学科发展战略研究[J]．空间科学学报，2024，44（3）：387-399．■

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来源 | 《中国科技教育》2025-12

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜