王向斌 龔雪

隨著人工智能時代的到來，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?？鐚W(xué)科項目式學(xué)習(xí)，是基于真實項目的情境問題開展跨多個學(xué)科領(lǐng)域的探究實踐活動。學(xué)生在自主探究及與同伴合作中完成項目挑戰(zhàn)，有效提高批判性思維、創(chuàng)造性解決問題、溝通合作與表達等能力，這將為學(xué)生未來發(fā)展與提升國家競爭力奠定基礎(chǔ)。

在跨學(xué)科項目式課程開發(fā)中有兩個難點。一是“真”，即設(shè)計真實有效的情境與問題，促進真實有效的思維與實踐。二是“跨”，與學(xué)科學(xué)習(xí)有機結(jié)合，跨學(xué)科解決問題。本項目通過航天真實情境促進有效學(xué)習(xí)，通過項目結(jié)構(gòu)化設(shè)計與學(xué)科相結(jié)合促進跨學(xué)科學(xué)習(xí)，嘗試解決跨學(xué)科項目式課程開發(fā)中的兩個難點，以期為跨學(xué)科項目式課程開發(fā)提供借鑒，為跨學(xué)科創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)助力。

項目背景

為什么選擇航天主題

航天是跨多個學(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)工程等多個學(xué)科，是開展跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)的良好載體。

為什么選擇太空農(nóng)場

“中國航天將分步建設(shè)月球科研站，靠地球遠程供應(yīng)食物成本很高，如何通過建設(shè)太空農(nóng)場實現(xiàn)吃的自由？”太空農(nóng)場有其真實的航天情境背景，有利于激發(fā)學(xué)生對太空探索的興趣。學(xué)生圍繞太空農(nóng)場設(shè)計和建設(shè)過程中的真實問題，開展項目實踐，深入理解學(xué)科與跨學(xué)科概念，綜合應(yīng)用知識技能設(shè)計方案、實施方案、得出結(jié)論、展示分享。同時，太空農(nóng)場項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)用會如何改善人們的生活、服務(wù)社會的發(fā)展，有助于樹立學(xué)生通過技術(shù)創(chuàng)新解決問題、造福社會的理想與價值觀。

太空農(nóng)場項目簡介

通過跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生分小組成立太空農(nóng)場公司，參與太空農(nóng)場方案征集項目競標(biāo)。通過角色分工、溝通協(xié)作、背景研究、頭腦風(fēng)暴，運用科學(xué)、技術(shù)、工程、設(shè)計、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，提出解決方案，制作相應(yīng)模型，并將項目成果有條有理地展現(xiàn)出來。完成太空農(nóng)場關(guān)鍵問題研究、太空農(nóng)場方案設(shè)計、未來太空農(nóng)場原型搭建、自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計、植物光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計、太空農(nóng)場項目PPT 展示答辯6 個挑戰(zhàn)任務(wù)。

項目設(shè)計

對應(yīng)新課標(biāo)要求，確定跨學(xué)科主題

太空農(nóng)場跨學(xué)科主題設(shè)計包括大主題和子主題。以工程思維為經(jīng)線，設(shè)計整個項目的大主題，將真實情境與工程實踐貫穿其中，引導(dǎo)學(xué)生探究太空農(nóng)場是什么、為什么要建太空農(nóng)場，以及如何建太空農(nóng)場。以科學(xué)思維為緯線，設(shè)計項目的子主題，結(jié)合學(xué)生所在學(xué)段的課標(biāo)要求設(shè)計具體的子主題，將學(xué)科實踐有機融入，如繪制太空農(nóng)場生態(tài)循環(huán)原理、太空農(nóng)場植物選擇矩陣，設(shè)計太空農(nóng)場自動灌溉系統(tǒng)等。表1 為項目與相關(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)化項目環(huán)節(jié)

以目標(biāo)為導(dǎo)向的項目結(jié)構(gòu)化設(shè)計是跨學(xué)科項目式課程開發(fā)的關(guān)鍵。結(jié)合項目自身特點確定學(xué)生通過本項目學(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)、探究實踐目標(biāo)和態(tài)度責(zé)任目標(biāo)。進而以核心素養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)化設(shè)計各個項目環(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)向的項目結(jié)構(gòu)化設(shè)計保證了課程設(shè)計的科學(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，提高項目式課程專業(yè)性。太空農(nóng)場跨學(xué)科項目式課程開發(fā)中涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，包括植物學(xué)、動物學(xué)、微生物學(xué)，還涉及到生態(tài)環(huán)境工程、自動化技術(shù)等技術(shù)工程，為保證課程設(shè)計的專業(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，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》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價工具，在太空農(nóng)場項目中，我們開發(fā)制作了“太空農(nóng)場栽培植物選擇”“太空農(nóng)場選址任務(wù)”“太空農(nóng)場方案設(shè)計”等10 項任務(wù)單，幫助學(xué)生有效開展項目式探究學(xué)習(xí)，完成探究任務(wù)，產(chǎn)出階段性探究成果。

項目實踐

跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)是持續(xù)探究的過程，項目的實施與反饋能幫助教師完善與迭代課程。太空農(nóng)場項目式課程分別于2022 年暑期和秋季在人大附中豐臺校區(qū)9 年級實施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)場為背景，體驗科學(xué)探究與工程實踐的完整閉環(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)計理念，將蟻穴的概念引入太空農(nóng)場植物艙設(shè)計中，很好體現(xiàn)了創(chuàng)新思維及利用各學(xué)科知識解決復(fù)雜問題的能力。

在科學(xué)探究中，各個小組的小科學(xué)家們解決太空農(nóng)場建設(shè)過程中的關(guān)鍵問題，如運用生物圈原理設(shè)計太空農(nóng)場方案，利用決策矩陣工具解決太空農(nóng)場植物選擇問題，分析月球表面環(huán)境條件解決太空農(nóng)場選址問題等，鍛煉了科學(xué)思維、使用數(shù)學(xué)工具解決問題的能力。

在工程實踐中，各個小組的小工程師們利用身邊的材料制作太空農(nóng)場模型，設(shè)計太空農(nóng)場自動灌溉、光照系統(tǒng)，鍛煉了工程設(shè)計思維、搭建模型能力和觀察分析能力，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識在有限的資源條件下，識別問題、分析問題、溝通合作、最終解決問題的能力。

項目特色

跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力

航天主題項目跨多個學(xué)科，太空農(nóng)場項目是眾多航天主題項目之一，涉及生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、勞動等學(xué)科知識與學(xué)科實踐，體現(xiàn)了對學(xué)生綜合實踐、團隊合作、溝通表達、項目管理、運用學(xué)科知識解決實際問題等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

以真實情境開啟科學(xué)思維與工程思維培養(yǎng)

真實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)場項目以建設(shè)月球科研站為真實情境，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)場項目中，以解決設(shè)計與建設(shè)太空農(nóng)場問題為挑戰(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

本項目針對具有科學(xué)探究與工程實踐基礎(chǔ)的小學(xué)高年級和初中學(xué)生設(shè)計開發(fā)。在使用過程中，可針對不同學(xué)段學(xué)生設(shè)定不同的項目目標(biāo)。項目強調(diào)跨項目式學(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)場建設(shè)中可能會遇到的實際問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決太空農(nóng)場選址、植物選擇、功能設(shè)計、自動灌溉、繪制知識圖譜等問題中，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。

專家點評

該案例是比較典型的模擬真實工程項目的項目學(xué)習(xí)，項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)生持久探究與實踐的興趣，以“整體設(shè)計和局部探究實踐”相結(jié)合的方式，學(xué)生可以充分體驗工程設(shè)計過程。該案例依據(jù)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)習(xí)目標(biāo)進行了具體化設(shè)計，階段性學(xué)習(xí)成果豐富。5 個子任務(wù)承載著不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)達成，大多數(shù)學(xué)習(xí)任務(wù)就是評價任務(wù)，實施中可以看到學(xué)生產(chǎn)生了很多過程性成果，作為終結(jié)性評價的證據(jù)，與其他評價任務(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)過程中是否達到目標(biāo)和如何達到目標(biāo)的。最具特色的亮點是將工程思維貫穿了整體方案的系統(tǒng)設(shè)計和局部子系統(tǒng)的設(shè)計，用工程設(shè)計流程遞進式完成挑戰(zhàn)性任務(wù)，學(xué)生經(jīng)歷了多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在方案設(shè)計中提煉科學(xué)問題，對相關(guān)科學(xué)原理和問題進行了分析與探究，探究結(jié)論可用于指導(dǎo)問題解決。

太空農(nóng)場的方案設(shè)計，是一個大系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)，最終學(xué)習(xí)結(jié)果是一個整體方案，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)生盡量認識接近真實的設(shè)計想法，建立系統(tǒng)觀。此外，搭建灌溉系統(tǒng)和光照系統(tǒng)這兩個局部模型，測試而來的數(shù)據(jù)和結(jié)論，能否支持整體方案設(shè)計的設(shè)想，是案例優(yōu)化時需要考慮的。再者，如果有評價方案設(shè)計與實施，更能比較好地體現(xiàn)該案例對于學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的價值。