王向斌 龔雪
隨著人工智能時(shí)代的到來,培養(yǎng)能解決復(fù)雜問題的跨學(xué)科創(chuàng)新人才已成為各國共識(shí)??鐚W(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí),是基于真實(shí)項(xiàng)目的情境問題開展跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的探究實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生在自主探究及與同伴合作中完成項(xiàng)目挑戰(zhàn),有效提高批判性思維、創(chuàng)造性解決問題、溝通合作與表達(dá)等能力,這將為學(xué)生未來發(fā)展與提升國家競(jìng)爭(zhēng)力奠定基礎(chǔ)。
在跨學(xué)科項(xiàng)目式課程開發(fā)中有兩個(gè)難點(diǎn)。一是“真”,即設(shè)計(jì)真實(shí)有效的情境與問題,促進(jìn)真實(shí)有效的思維與實(shí)踐。二是“跨”,與學(xué)科學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合,跨學(xué)科解決問題。本項(xiàng)目通過航天真實(shí)情境促進(jìn)有效學(xué)習(xí),通過項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與學(xué)科相結(jié)合促進(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí),嘗試解決跨學(xué)科項(xiàng)目式課程開發(fā)中的兩個(gè)難點(diǎn),以期為跨學(xué)科項(xiàng)目式課程開發(fā)提供借鑒,為跨學(xué)科創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)助力。
項(xiàng)目背景
為什么選擇航天主題
航天是跨多個(gè)學(xué)科的高科技領(lǐng)域,太空探索涉及到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球宇宙、技術(shù)工程等多個(gè)學(xué)科,是開展跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的良好載體。
為什么選擇太空農(nóng)場(chǎng)
“中國航天將分步建設(shè)月球科研站,靠地球遠(yuǎn)程供應(yīng)食物成本很高,如何通過建設(shè)太空農(nóng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)吃的自由?”太空農(nóng)場(chǎng)有其真實(shí)的航天情境背景,有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)太空探索的興趣。學(xué)生圍繞太空農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中的真實(shí)問題,開展項(xiàng)目實(shí)踐,深入理解學(xué)科與跨學(xué)科概念,綜合應(yīng)用知識(shí)技能設(shè)計(jì)方案、實(shí)施方案、得出結(jié)論、展示分享。同時(shí),太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目涉及諸多人類尚待突破的科技前沿領(lǐng)域,有助于學(xué)生了解航天技術(shù)的應(yīng)用會(huì)如何改善人們的生活、服務(wù)社會(huì)的發(fā)展,有助于樹立學(xué)生通過技術(shù)創(chuàng)新解決問題、造福社會(huì)的理想與價(jià)值觀。
太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介
通過跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí),引導(dǎo)學(xué)生分小組成立太空農(nóng)場(chǎng)公司,參與太空農(nóng)場(chǎng)方案征集項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)。通過角色分工、溝通協(xié)作、背景研究、頭腦風(fēng)暴,運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí),提出解決方案,制作相應(yīng)模型,并將項(xiàng)目成果有條有理地展現(xiàn)出來。完成太空農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵問題研究、太空農(nóng)場(chǎng)方案設(shè)計(jì)、未來太空農(nóng)場(chǎng)原型搭建、自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)、植物光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目PPT 展示答辯6 個(gè)挑戰(zhàn)任務(wù)。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)
對(duì)應(yīng)新課標(biāo)要求,確定跨學(xué)科主題
太空農(nóng)場(chǎng)跨學(xué)科主題設(shè)計(jì)包括大主題和子主題。以工程思維為經(jīng)線,設(shè)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目的大主題,將真實(shí)情境與工程實(shí)踐貫穿其中,引導(dǎo)學(xué)生探究太空農(nóng)場(chǎng)是什么、為什么要建太空農(nóng)場(chǎng),以及如何建太空農(nóng)場(chǎng)。以科學(xué)思維為緯線,設(shè)計(jì)項(xiàng)目的子主題,結(jié)合學(xué)生所在學(xué)段的課標(biāo)要求設(shè)計(jì)具體的子主題,將學(xué)科實(shí)踐有機(jī)融入,如繪制太空農(nóng)場(chǎng)生態(tài)循環(huán)原理、太空農(nóng)場(chǎng)植物選擇矩陣,設(shè)計(jì)太空農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)等。表1 為項(xiàng)目與相關(guān)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、核心素養(yǎng)的關(guān)聯(lián)。
明確挑戰(zhàn)性目標(biāo),結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目環(huán)節(jié)
以目標(biāo)為導(dǎo)向的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是跨學(xué)科項(xiàng)目式課程開發(fā)的關(guān)鍵。結(jié)合項(xiàng)目自身特點(diǎn)確定學(xué)生通過本項(xiàng)目學(xué)習(xí)能夠提升的核心素養(yǎng)目標(biāo),包括科學(xué)觀念目標(biāo)、科學(xué)思維目標(biāo)、探究實(shí)踐目標(biāo)和態(tài)度責(zé)任目標(biāo)。進(jìn)而以核心素養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)各個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié),產(chǎn)出過程性成果和結(jié)構(gòu)性成果。以目標(biāo)為導(dǎo)向的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)保證了課程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和邏輯性(表2)。
資源開發(fā)與利用,完善階段性成果
利用多途徑開發(fā)教學(xué)資源,提高項(xiàng)目式課程專業(yè)性。太空農(nóng)場(chǎng)跨學(xué)科項(xiàng)目式課程開發(fā)中涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,包括植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、微生物學(xué),還涉及到生態(tài)環(huán)境工程、自動(dòng)化技術(shù)等技術(shù)工程,為保證課程設(shè)計(jì)的專業(yè)性,在課程開發(fā)過程中查閱了與航天相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資料和書籍文獻(xiàn),如美國航空航天局(NASA)、中國載人航天工程官方網(wǎng)站及《太空基地受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)》等。
制作學(xué)習(xí)支架工具,完善階段性成果。任務(wù)單是重要的學(xué)習(xí)支架工具和過程性評(píng)價(jià)工具,在太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目中,我們開發(fā)制作了“太空農(nóng)場(chǎng)栽培植物選擇”“太空農(nóng)場(chǎng)選址任務(wù)”“太空農(nóng)場(chǎng)方案設(shè)計(jì)”等10 項(xiàng)任務(wù)單,幫助學(xué)生有效開展項(xiàng)目式探究學(xué)習(xí),完成探究任務(wù),產(chǎn)出階段性探究成果。
項(xiàng)目實(shí)踐
跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是持續(xù)探究的過程,項(xiàng)目的實(shí)施與反饋能幫助教師完善與迭代課程。太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目式課程分別于2022 年暑期和秋季在人大附中豐臺(tái)校區(qū)9 年級(jí)實(shí)施2 次。學(xué)生為自己的太空探索小組起名為“北平制造”“太空花朵”“養(yǎng)殖大亨”“自然選擇”“常樂公司”“永駐者”等,以建設(shè)太空農(nóng)場(chǎng)為背景,體驗(yàn)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的完整閉環(huán)。以“常樂公司”為代表的小組,遵循“節(jié)約成本、保障供給、可持續(xù)發(fā)展”的設(shè)計(jì)理念,將蟻穴的概念引入太空農(nóng)場(chǎng)植物艙設(shè)計(jì)中,很好體現(xiàn)了創(chuàng)新思維及利用各學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問題的能力。
在科學(xué)探究中,各個(gè)小組的小科學(xué)家們解決太空農(nóng)場(chǎng)建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題,如運(yùn)用生物圈原理設(shè)計(jì)太空農(nóng)場(chǎng)方案,利用決策矩陣工具解決太空農(nóng)場(chǎng)植物選擇問題,分析月球表面環(huán)境條件解決太空農(nóng)場(chǎng)選址問題等,鍛煉了科學(xué)思維、使用數(shù)學(xué)工具解決問題的能力。
在工程實(shí)踐中,各個(gè)小組的小工程師們利用身邊的材料制作太空農(nóng)場(chǎng)模型,設(shè)計(jì)太空農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)灌溉、光照系統(tǒng),鍛煉了工程設(shè)計(jì)思維、搭建模型能力和觀察分析能力,培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)在有限的資源條件下,識(shí)別問題、分析問題、溝通合作、最終解決問題的能力。
項(xiàng)目特色
跨學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力
航天主題項(xiàng)目跨多個(gè)學(xué)科,太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目是眾多航天主題項(xiàng)目之一,涉及生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、勞動(dòng)等學(xué)科知識(shí)與學(xué)科實(shí)踐,體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生綜合實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作、溝通表達(dá)、項(xiàng)目管理、運(yùn)用學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。
以真實(shí)情境開啟科學(xué)思維與工程思維培養(yǎng)
真實(shí)的情境問題是開啟思維的鑰匙,思維培養(yǎng)是科學(xué)教育與工程教育的核心。太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目以建設(shè)月球科研站為真實(shí)情境,學(xué)生在將來很有可能參與其中,激發(fā)學(xué)生的探究興趣和參與熱情。在太空農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目中,以解決設(shè)計(jì)與建設(shè)太空農(nóng)場(chǎng)問題為挑戰(zhàn)目標(biāo),科學(xué)思維與工程思維培養(yǎng)貫穿始終。
使用建議
本項(xiàng)目針對(duì)具有科學(xué)探究與工程實(shí)踐基礎(chǔ)的小學(xué)高年級(jí)和初中學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)。在使用過程中,可針對(duì)不同學(xué)段學(xué)生設(shè)定不同的項(xiàng)目目標(biāo)。項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)跨項(xiàng)目式學(xué)習(xí)與學(xué)科相結(jié)合,通過創(chuàng)設(shè)航天情境,合作探究太空農(nóng)場(chǎng)建設(shè)中可能會(huì)遇到的實(shí)際問題,引導(dǎo)學(xué)生在解決太空農(nóng)場(chǎng)選址、植物選擇、功能設(shè)計(jì)、自動(dòng)灌溉、繪制知識(shí)圖譜等問題中,幫助學(xué)生理解相關(guān)學(xué)科與跨學(xué)科概念,提高創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性解決問題能力。
專家點(diǎn)評(píng)
該案例是比較典型的模擬真實(shí)工程項(xiàng)目的項(xiàng)目學(xué)習(xí),項(xiàng)目主題具有重大意義,挑戰(zhàn)性任務(wù)非常能夠激發(fā)中學(xué)生持久探究與實(shí)踐的興趣,以“整體設(shè)計(jì)和局部探究實(shí)踐”相結(jié)合的方式,學(xué)生可以充分體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)過程。該案例依據(jù)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行了具體化設(shè)計(jì),階段性學(xué)習(xí)成果豐富。5 個(gè)子任務(wù)承載著不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成,大多數(shù)學(xué)習(xí)任務(wù)就是評(píng)價(jià)任務(wù),實(shí)施中可以看到學(xué)生產(chǎn)生了很多過程性成果,作為終結(jié)性評(píng)價(jià)的證據(jù),與其他評(píng)價(jià)任務(wù)中的學(xué)習(xí)表現(xiàn)相結(jié)合,使得師生都能夠清楚地看到和判斷學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否達(dá)到目標(biāo)和如何達(dá)到目標(biāo)的。最具特色的亮點(diǎn)是將工程思維貫穿了整體方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和局部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),用工程設(shè)計(jì)流程遞進(jìn)式完成挑戰(zhàn)性任務(wù),學(xué)生經(jīng)歷了多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),在方案設(shè)計(jì)中提煉科學(xué)問題,對(duì)相關(guān)科學(xué)原理和問題進(jìn)行了分析與探究,探究結(jié)論可用于指導(dǎo)問題解決。
太空農(nóng)場(chǎng)的方案設(shè)計(jì),是一個(gè)大系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù),最終學(xué)習(xí)結(jié)果是一個(gè)整體方案,需要考慮的要素多,要素之間的關(guān)系比較復(fù)雜,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生盡量認(rèn)識(shí)接近真實(shí)的設(shè)計(jì)想法,建立系統(tǒng)觀。此外,搭建灌溉系統(tǒng)和光照系統(tǒng)這兩個(gè)局部模型,測(cè)試而來的數(shù)據(jù)和結(jié)論,能否支持整體方案設(shè)計(jì)的設(shè)想,是案例優(yōu)化時(shí)需要考慮的。再者,如果有評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施,更能比較好地體現(xiàn)該案例對(duì)于學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的價(jià)值。