像科学家一样思考 像工程师一样实践

高云峰 杨超 陈咏梅 张乃新

航空航天领域既包含数学、物理、化学、生物等学科知识，也包含自动化、机械工程、人工智能等工程技术。在中小学开设航空航天课程，需要整合相关内容，寻找一条适合学生发展的课程建设路径。目前，许多学校进行了一系列尝试，我们邀请几位航空航天领域的专家探讨航空航天课程的意义和内容，同时呈现一些学校的课程建设成果。

将航天精神融入思政教育

清华大学航天航空学院教授高云峰谈到，2013年6月、2021年12月、2022年3月，我国先后开展了3次“太空授课”活动，航天员王亚平结合太空中微重力环境、液体表面张力特点和生理机能，向数千万中小学生展示了多个神奇现象，并与地面师生进行了双向互动交流。太空授课影响广泛，许多学生看过太空授课视频后，自己在家尝试进行模拟失重的实验，一些学校组织学生观看后，陆续开展了航天探究活动，开发了与航天有关的校本课程。

在中小学开设航天课程，除了关联数学、物理、化学、生物等学科，还可以将航天精神融入思政教育。航天领域许多生动活泼的案例充满了教育意义，容易引起学生共鸣，有利于让学生学习航天精神、认识大国重器、了解航天应用、超越自我局限、培养严谨态度、提升工程素养。

学习航天精神。中国航天事业从无到有、从小到大、从弱到强，走出了一条具有鲜明特色的发展道路，形成了航天传统精神、“两弹一星”精神和载人航天精神等。认识大国重器。大国重器关系国家民族命运，“两弹一星”的建设奠定了我国长期发展的基础，使我国的国家安全有了战略保障。习近平总书记多次在考察中强调“大国重器一定要掌握在自己手里”，重大科技创新成果是国之重器、国之利器，只有把核心技术掌握在自己手中，才能真正掌握竞争和发展的主动权，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

了解航天应用。航天技术已经深刻影响到我们的日常生活：气象卫星每天提供气象观测数据，气象预报越来越准确;出行可能需要用到导航卫星;移动通信、电视转播、远程医疗等上百种服务的基础是卫星通信技术;数码相机、尿不湿、重症监护室等都是航天技术转为民用的案例。美国“阿波罗登月”计划中有3000多项专利技术转为民用，带动了美国计算机技术、通信技术、测控技术、火箭技术、激光技术、材料技术、医疗技术等高新技术的全面发展，将美国的科技整体水平提高到一个全新的高度。近年来，我国的航天技术也开始大量向民用方向转换。

苏联科学家齐奥尔科夫斯基是航天理论的奠基者，他在1911年提出了一个著名的预言：“地球是人类的摇篮，但是人类不会永远生活在摇篮里。”作为一个乡村中学教师，齐奥尔科夫斯基热心研究飞艇和飞机，后来由于经费不足转而进行理论研究，在温饱问题还没有完全解决时，他思考的却是未来人类如何飞出地球。齐奥尔科夫斯基的故事将会引导更多学生树立远大理想，而不是仅仅看重眼前的利益。美国宇航员阿姆斯特朗首次踏上月球表面时说：“这是个人的一小步，却是人类的一大步。”阿姆斯特朗将个人的成就归于人类的进步，这也将激励学生超越自我局限，拥有更大的视野和格局。

培养严谨态度。航天工程是当今世界最复杂、最庞大的工程之一，航天型号对于质量和可靠性的要求非常高，不能有丝毫马虎。中国航天人秉持严谨务实的理念，在实践中形成了“产品零缺陷、发射零疑点、在轨零故障”的质量理念，建立了技术风险分析与控制、质量问题彻底归零、应急突发事件快速处理等管理机制，严格执行规章，“做事有依据、做事按依据、做事留记录”，体现了航天人科学严谨、求真务实的态度和作风。

学校可以组织专家收集、整理已有的航天课程、航天活动，以此为基础构建较为完善的、考虑不同学段特点的航天课程，既让学生多方面受益，又为航天事业的发展提供后备人才。

为“科学普及”提供实践方向

北京航空航天大学航空科学与工程学院教授杨超指出，我国正处于由航空航天大国向航空航天强国发展的过程中。一个国家航空航天的整体水平体现在5个方面：军用空天力量、民用空天力量、航空航天工业、航空航天高等教育、航空航天科普。5个方面必须相互关联、相互支撑，才能健康持久发展。其中，航空航天科普面向社会大众和中小学生，目前与一些欧美国家差距较大，这个“短板”会影响我国航空航天事业的可持续、高质量发展，必须引起高度重视并采取措施。要想普及并发展航空航天教育，首先应该明确航空航天分类的基础知识以及我国航空航天事业的发展和巨大成就。

航空航天飞行器主要分为航空器、航天器、火箭与导弹3类。我国古代就有航空航天的发展雏形，比如风筝、火药火箭、孔明灯、走马灯、竹蜻蜓等;1909年，“中国航空之父”冯如设计、制造、试飞了中国第一架飞机。然而，直到新中国成立之前，中国空军和民航主要都在购买国外的飞机，除了少量的维修工厂和部分高校的航空院系外，还没有形成完备的航空工业、航空教育体系，也没有航天事业的发展意识，航空航天整体处于非常落后的状态。

与许多欧美国家的发展途径不同，我国是先有空军，后有航空工业，再有航空高等教育，很长一段时间处于学习和追赶阶段。新中国成立至今，中国航空航天人奋力追赶的步伐从未停息：航空领域历经维修、仿制、自主研制、完全自主研制几个阶段，国产歼20、运20、直20以及各类无人机横空出世，基本形成了完整的航空工业体系;航天领域经过“两弹一星”、载人航天、探月工程、火星探索等里程碑阶段，形成了完整的航天工業体系，达到了世界先进水平。

虽然航空航天科技发展迅速，但是目前我国的航空航天教育仍然缺乏社会层面的共识和互动，造成航空航天原始创新方面动力不足、意识淡漠等问题，甚至会影响未来航空航天事业的高质量发展。创新意识和创新能力需要从小培养，在中小学开展航空航天教育至关重要。

航空航天是大量基础科学（包括数学、物理、化学、生物等）与工程技术（包括自动化、机械工程、计算机、人工智能等）的综合交叉，所以开展航空航天课程可以促使学生探索多学科、多领域的知识。当然，课程必须兼顾知识学习和动手实践，一方面让学生了解航空航天的历史、学习与航空航天相关的各种知识，另一方面培养学生的动手能力，引导学生将所学知识转化为实际应用和解决问题的能力。

具体的课程可以从制作初级航空航天模型开始。许多学生觉得航模、纸飞机、水火箭等航空航天初级模型充满神秘，这些模型的科学原理比较简单，容易让学生获得成就感，不断循环“好奇-探索-成功-收获-再探索”的过程。制作航空航天模型的评价标准是“飞行性能”，这需要学生动脑、动手进行实践。初始阶段不需要数学计算和复杂的科学原理分析，学生在教师的指导下很容易就能掌握“飞行”的基本规律，取得“飞起来”的成功喜悦;但是要想“飞得快、飞得久、飞得远、飞得高”，教师还要引导学生深入探索相关学科的知识，从而帮助学生养成科学严谨的学习态度。

习近平总书记指出：“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。”在中小学广泛开展航空航天课程，正是为“科学普及”提供了崭新思路和实践方向。

“众筹”航天STEM课程资源

北京市海淀区教师进修学校创新教育研究中心教研员陈咏梅，张乃新谈到，北京市海淀区教师进修学校成立了专门的职能部门，与区域40多所中小学一起进行航天STEM课程的持续探索。航天STEM课程提升了学生的问题解决能力和高阶思维，发展学生的实践创新、合作交流能力，激发学生面向星辰大海的强烈好奇心和内驱力。

航天STEM课程面临挑战

航天STEM课程的开发与整合、实施与评价面临很大挑战：第一，航天领域的任务复杂性使现有航天科普活动难以课程化，难以形成课程体系，缺少明晰的学习进阶路径。第二，缺少航天领域的背景知识，缺少航天领域任务转化为课程的方法和工具，跨领域、跨学科的课程开发与整合具有一定难度。第三，设计课程目标和组织课程内容时，科学探究和工程实践的平衡点不容易把握。如果偏重科学的原理和概念，容易陷入海量“超标”的知识学习，如果偏重工程实践，则容易陷于技能训练。第四，一些教师自主开发课程，课程评价的依据不足，课程改进的周期较长。

作为教师研修及教学实践基地，海淀区教师进修学校以研究与实践相结合的方式进行航天STEM课程的开发与实施，通过航天STEM精品课程、优秀教学案例的研发及推广服务学校特色发展，通过区域、学校、高校、科研院所和企业的共建共享“众筹”航天STEM课程资源，通过研讨与实践提炼课程开发与实施的成果，通过把成果转化为教师研修课程，促进STEM教师专业发展、提升学生创新能力、发展学生核心素养。

寻找课程体系的设计起点

学校应该从浩如烟海的航天任务中寻找适切的内容作为课程体系的设计起点，可以选择前沿研究实践的大系统，将其分解为子系统，将蕴含的知识与多学科课程标准进行联系对应，与学生的认知特征相匹配。对于中小学而言，可以实践的领域包括“载人星球基地建设”“中国空间站”“未来太空城市”等。

海淀区通过调研航天领域专家和文献资料，形成了一张“载人星球基地建设”的工程大系統图，其中“星球基础设施”部分包括“星球基地本体系统”“球面运输及作业系统”“球面起飞与着陆系统”“星球通信与导航系统”“其他辅助与支持系统”等。以“星球基地本体系统”为例，可以分解为热控、能源、信息、生命保障、防护、辅助等子系统，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、健康及医疗监测保障等设施，又可以进一步分解为水、空气、食物、光照、温湿度等子系统。课程设计过程中，首先要明确课程主题，聚焦典型的航天挑战性任务，与航天专家共同研讨学习，突破专业领域知识不足的问题，提炼真实问题的解决路径;其次要找到与物理、生物、化学、数学等学科素材的关联点，对应多学科课程标准，梳理学科核心概念和跨学科概念，结合学生认知特征，形成航天STEM课程目标，依据课程目标设计评价方案;最后还要把真实问题解决过程转化为学习活动，为学生的问题解决设计路径、搭建支架、提供学习资源，让课程实施保持开放性。总而言之，航天STEM课程中的学习活动要整合跨学科的学习内容，体现科学探究与工程实践的有机融合。课程实施需要强调学生为主体，以项目式学习为主，让学生经历分析、解决、评估、优化问题的过程。

突破课程开发与整合难点

海淀区教师进修学校将航天领域知识、跨学科知识作为基础研修，将航天STEM课程设计与实施过程中提炼出的课程设计模式和课程实施策略转化作为专业研修，通过体验式学习、研究性实践、跟进式研修等方式，促进教师对航天STEM课程的系统认识，突破课程开发与整合难点，提升学校的教学实施与评价能力。

必修课程中，有“月球探测的科学目标及实验方案设计”“载人航天生命保障系统”等航天领域知识，有从多个课程案例中提炼出的科学与工程实践活动设计实施策略，有项目学习支架和表现性评价设计与实施的展示研讨等内容，一般依据研修目标，以工作坊、专家讲座、研究课、展示研讨、课程开发实践等方式进行研修。

选修课程中，要带动不同学段的教师积极开展航天STEM课程。并非所有教师都必须亲自进行课程开发，可以通过“众筹共研”提升专业能力。基于学习进阶理论，可以让小学、初中、高中等不同学段的教师组建不同课程主题的学习共同体，对挑战性任务、概念建构、核心科学与工程实践能力、学习目标、学习成果、学习评价、学习活动、学习支架和工具等内容进行深入细致的研讨、实践，使教师明确适合学生发展的学习内容和学习方式，形成不同学段的课程实施策略和学习资源。

综上所述，航天STEM课程需要融入学校教育主阵地，助推学校建设高质量教育体系，引导学生像科学家一样思考、像工程师一样实践，从而发展学生的高阶思维能力，培养新时代的创新人才。 （来源：中国教师报）