建造太空農(nóng)場(chǎng)

王向斌 龔雪

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，培養(yǎng)能解決復(fù)雜問(wèn)題的跨學(xué)科創(chuàng)新人才已成為各國(guó)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(wèn)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(wèn)題、溝通合作與表達(dá)等能力，這將為學(xué)生未來(lái)發(fā)展與提升國(guó)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(wèn)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(wèn)題。本項(xiàng)目通過(guò)航天真實(shí)情境促進(jìn)有效學(xué)習(xí)，通過(guò)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(guó)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(guò)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(guò)程中的真實(shí)問(wèn)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(guò)技術(shù)創(chuàng)新解決問(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)。完成太空農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵問(wèn)題研究、太空農(nóng)場(chǎng)方案設(shè)計(jì)、未來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)航空航天局（NASA）、中國(guó)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)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(wèn)題，分析月球表面環(huán)境條件解決太空農(nóng)場(chǎng)選址問(wèn)題等，鍛煉了科學(xué)思維、使用數(shù)學(xué)工具解決問(wèn)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(wèn)題、分析問(wèn)題、溝通合作、最終解決問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題，對(duì)相關(guān)科學(xué)原理和問(wèn)題進(jìn)行了分析與探究，探究結(jié)論可用于指導(dǎo)問(wèn)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(lái)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。