將嫦娥四號(hào)改編成科技活動(dòng)把前沿科技和課程結(jié)合起來(lái)

陳染

嫦娥四號(hào)的成功發(fā)射和著陸吸引了全世界科技愛(ài)好者的目光，是2019年開年的一件科技盛事。同時(shí)，嫦娥四號(hào)的話題性和前沿性也是很好的科技教育主題。我們可以從網(wǎng)絡(luò)、報(bào)紙、電視、雜志等渠道獲取到不勝其數(shù)的評(píng)論和分析材料，足以支持我們把它開展成創(chuàng)客教育或STEM教育活動(dòng)。但我們首先需要找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)，才能設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的課程。

我們可以從多個(gè)角度思考嫦娥四號(hào)與科技教育的關(guān)系?；鸺痫w前，我們可以用合適的材料設(shè)計(jì)運(yùn)載火箭模型（例如《飛行器》課程）;飛往月球時(shí)，我們可以用創(chuàng)意編程模擬設(shè)計(jì)地月轉(zhuǎn)移軌道;著陸時(shí)，我們可以設(shè)計(jì)軟著陸的方案;著陸后，我們可以設(shè)計(jì)在月球上行走的模型，或者做出模擬科研儀器工作的智能設(shè)計(jì)。

科技學(xué)堂選取了玉兔二號(hào)的行走裝置作為主題，設(shè)計(jì)了科技教育活動(dòng)。通過(guò)積木，我們搭建出玉兔二號(hào)的行走模型，這是一項(xiàng)把前沿科技和科技教育結(jié)合起來(lái)的活動(dòng)，在活動(dòng)中，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)玉兔二號(hào)和月球環(huán)境的特點(diǎn)，培養(yǎng)他們的工程思維和國(guó)家認(rèn)同感。

課程通過(guò)中國(guó)探月工程的科研進(jìn)展引入，通過(guò)大量案例認(rèn)識(shí)人類對(duì)月球探索的歷史，讓學(xué)生對(duì)科學(xué)家刻苦鉆研、百折不撓的精神產(chǎn)生出油然而生的敬意，激發(fā)起學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣。在完成對(duì)人類宏大的探月史的敘述后，我們需要聚焦活動(dòng)主題，探討“什么樣的輪子適合月球行走”。

對(duì)于提出的問(wèn)題，我們需要有明確的定義，才能讓學(xué)生正確設(shè)計(jì)出“適合”行走的作品。在這個(gè)階段，我們通過(guò)視頻、圖片、軟件等方法讓學(xué)生認(rèn)識(shí)月球的真實(shí)環(huán)境和地球有什么不同。同時(shí)，我們還要充分考慮工程的限制條件，例如體積、重量等。在科研中，設(shè)計(jì)合理的巡視器行走機(jī)構(gòu)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，課程中學(xué)生可能會(huì)說(shuō)出許多真實(shí)而重要的約束條件，但作為科技教育，很多條件是我們無(wú)法（或不方便）在課堂中模擬出來(lái)的，我們需要對(duì)這些約束條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，只聚焦可用積木實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)具體條件。

為了防止學(xué)生的目光只局限于玉兔二號(hào)的行走機(jī)械結(jié)構(gòu)，科技教師可以準(zhǔn)備如蘇聯(lián)的月面步行者、美國(guó)阿波羅系列的月面考察漫游車（LRV），火星探索的旅居者號(hào)、機(jī)遇號(hào)、好奇號(hào)等具有行走機(jī)構(gòu)探測(cè)器的圖片或模型，甚至還可以準(zhǔn)備一些坦克、越野車的圖片和模型，通過(guò)分析這些行走裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到各種方法都有優(yōu)劣性，沒(méi)有哪一種辦法能應(yīng)對(duì)所有工程任務(wù)，所以工程師應(yīng)該針對(duì)具體的工程任務(wù)設(shè)計(jì)出合適的方案。

在明確了工程任務(wù)之后，著手設(shè)計(jì)之前，我們需要和學(xué)生一起討論設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜一些的，我們可以通過(guò)沙盤等制作模擬月球表面環(huán)境，簡(jiǎn)單一些的，我們可以用積木搭建若干障礙，如果在規(guī)定條件下通過(guò)障礙測(cè)試了，就認(rèn)為檢驗(yàn)成功。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)合理與否取決于教師和學(xué)生對(duì)約束條件的理解。

接下來(lái)是設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)前面內(nèi)容的鋪墊，學(xué)生已經(jīng)對(duì)工程任務(wù)形成了初步的理解。在這一步，學(xué)生需要設(shè)計(jì)出自己的工程模型并通過(guò)檢驗(yàn)，加深對(duì)工程問(wèn)題的理解。在這個(gè)例子中，我們以玉兔二號(hào)為原型設(shè)計(jì)了六輪懸掛搖臂的行走機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)有輪子和腿的特點(diǎn)，能夠像輪子一樣高效地前進(jìn)，也能像腿一樣跨越障礙物。當(dāng)然，學(xué)生還可以根據(jù)其他原型，甚至設(shè)計(jì)出想象中的模型，只要符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，我們都應(yīng)該認(rèn)為是合理的。

最后是交流分享環(huán)節(jié)。完成測(cè)試任務(wù)后，學(xué)生們通過(guò)交流分享，學(xué)會(huì)客觀地評(píng)價(jià)其他人的設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)的答案不止一個(gè)，只有最合適的，沒(méi)有最好的。

把前沿科技和科技教育結(jié)合起來(lái)，是一種話題性強(qiáng)、時(shí)代性鮮明、學(xué)習(xí)積極性高的教育方法。它不僅具備了一般科技教育所應(yīng)有的要素，更是在培養(yǎng)科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新等核心素養(yǎng)方面，有著更鮮明的特色。在活動(dòng)中，學(xué)生能夠?qū)η把乜萍籍a(chǎn)生獨(dú)立思考，并能夠辨證分析看待它們;新聞媒體對(duì)時(shí)事和前沿科技的廣泛報(bào)道，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)能夠有效地獲取、評(píng)估、鑒別和使用信息;關(guān)乎我們生活的前沿科技能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生國(guó)家認(rèn)同感，也能培養(yǎng)他們的全球意識(shí);而將前沿科技轉(zhuǎn)變成活動(dòng)，則能夠提高學(xué)生理解技術(shù)所帶來(lái)的進(jìn)步，并產(chǎn)生學(xué)習(xí)和掌握技術(shù)的意愿。

對(duì)于教師而言，把前沿科技和科技教育結(jié)合起來(lái)是高效的教育主題;而對(duì)于科研機(jī)構(gòu)而言，這也是一個(gè)很好的宣傳機(jī)會(huì)，能為科技教師提供權(quán)威的數(shù)據(jù)和參考。相信許多科技教師對(duì)2013年神舟十號(hào)飛船的太空授課有著深刻的印象，學(xué)生在教室里就能接收到遠(yuǎn)在飛船之上的課程，切身體會(huì)科技發(fā)展帶來(lái)的變化。

但從另外一個(gè)角度看，教師把前沿科技和科技教育結(jié)合起來(lái)有個(gè)顯而易見(jiàn)的困難。那就是前沿科技所涉及的科研領(lǐng)域往往非常艱深，對(duì)于科技教師而言，如果沒(méi)有相關(guān)專業(yè)知識(shí)，很難準(zhǔn)確地理解這些前沿科技的概念，更別說(shuō)以此為話題開展相關(guān)課程了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，除了加強(qiáng)教9幣自身的科技素養(yǎng)，更需要相關(guān)專業(yè)的科研人員（最好是直接參與項(xiàng)目的科研人員）的技術(shù)支持。在這方面，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）有很多將前沿科技和教育結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，值得我們借鑒。

舉一個(gè)例子。2018年11月27日，NASA發(fā)射的洞察號(hào)火星探測(cè)器成功著陸火星表面，洞察號(hào)攜帶的熱流物理性質(zhì)探測(cè)器（HP3）將幫助我們更深入地認(rèn)識(shí)火星內(nèi)部能量。同一天，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了以洞察號(hào)為主題的教學(xué)指導(dǎo)方案。從技術(shù)層面上看，這是一個(gè)簡(jiǎn)化版的熱流物理性質(zhì)探測(cè)器，它由Arduino（或其他主控板）、溫度傳感器和輸出設(shè)備制成，并用射燈模擬火星的光照或地?zé)幔瑢囟葌鞲衅鞑迦胪寥乐?，學(xué)生通過(guò)輸出設(shè)備監(jiān)測(cè)土壤的溫度變化并計(jì)算熱量的變化速率

這正是洞察號(hào)的熱流物理性質(zhì)探測(cè)器所做的事。在教學(xué)層面，它與美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》和《州共同核心標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系緊密，教案還對(duì)教師提供了一些具體的教學(xué)建議，幫助科技教師更好地開展課程。

也許熱流物理性質(zhì)探測(cè)器還算比較容易被教師和學(xué)生理解的科研設(shè)備，而對(duì)于一些更抽象的科學(xué)概念和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，科研人員可以通過(guò)視頻等方式提供更直接的技術(shù)指導(dǎo)，幫助科技教師將前沿科技融入科技教育，我們用另一個(gè)例子說(shuō)明問(wèn)題。

2018年11月16日，第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)在法國(guó)舉行，本屆大會(huì)將國(guó)際單位制中的千克進(jìn)行重新定義，使用了100多年的國(guó)際千克原器正式退休，而改用普朗克單位重新定義千克。從此，質(zhì)量能夠與時(shí)間、長(zhǎng)度等其他國(guó)際單位制聯(lián)系起來(lái)。這項(xiàng)決定也受到了全世界科技媒體的廣泛關(guān)注，但對(duì)于科技教師而言，這項(xiàng)新聞似乎“過(guò)于遙遠(yuǎn)”。然而，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST，參與標(biāo)準(zhǔn)制定的組織之一）卻設(shè)計(jì)出以此為主題的科技教育活動(dòng)。

活動(dòng)的切入點(diǎn)是制定標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵儀器——基布爾天平。基布爾天平是一種龐大而昂貴的尖端科研儀器，能夠進(jìn)行超高精度的質(zhì)量測(cè)量，而NIST根據(jù)基布爾天平的原理，用樂(lè)高積木搭建能夠真正用于測(cè)量的基布爾天平，并設(shè)計(jì)成課堂科學(xué)項(xiàng)目。

為了讓更多學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解為什么國(guó)際計(jì)量大會(huì)要重新定義千克的含義，NIST還專門制作了一個(gè)生動(dòng)有趣的視頻，視頻中2位青少年用幽默的語(yǔ)言講解樂(lè)高搭建基布爾天平的原理，即使教師不準(zhǔn)備真正搭建出基布爾天平，也能從視頻中學(xué)習(xí)基布爾天平的原理。

通過(guò)上面幾個(gè)例子，我們希望能為各位科技教師設(shè)計(jì)相關(guān)課程帶來(lái)一些有益的啟示。

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