stem创新教学设计（带学生飞上天的STEM课程设计）

stem创新教学设计（带学生飞上天的STEM课程设计）——以“机械臂捕获失效卫星”为例二、航天类STEM课程教学设计航天科技教育具有时效性、启发性、项目性、综合性的特点。长征系列运载火箭“3个100次”发射分别用时37年、7.5年和4.25年，对应年均发射2.7 次、13.3次和23.5次，高密度发射已实现常态化。因此，对学生开展科技教育活动需要紧跟航天大事件。航天领域涉及多学科知识和技术。航天科技教育活动天然具备项目属性、学科综合属性，非常适合采用项目式的教学方式，在解决问题中启发学生思维。在教育过程中，可以围绕一个航天科技应用背景，让学生学会综合使用各学科知识解决问题，让学生在已有知识的基础上，发挥基于科学的想象力，体会发现问题、分析问题、解决问题的过程，培养坚毅的科学品质。但是，航天领域的项目主题离学生的生活和学习很远，且往往不能在地球环境中验证某个问题的解决方案的可行性。所以如何将复杂的航天领域问题转化为学生可探究、可验证的课题，是航

浩瀚宇宙，星空璀璨，神秘梦幻的星空承载着亘古的历史和人类的想象，充满了未知和无限可能。近几年，随着我国航天事业的快速发展，航天活动进入了十分密集的时期。“嫦娥”造访月球，“天问一号”探访火星，神舟十三号载着翟志刚、王亚平和叶光富升入太空……激起广大青少年对航天科技的志趣和向往。

天问一号

一、航天科技教育的特点

航天科技教育是青少年科普活动中最具有特点的领域，对于弘扬新时代爱国主义精神和能吃苦、能攻关、能战斗、能奉献的航天精神，普及知识和研究方法，激发青少年对科学事业的兴趣，培养青少年的探索精神、创新意识和实践能力，打造坚毅、不服输的性格，都具有十分重要的意义和积极的作用。

航天科技教育具有时效性、启发性、项目性、综合性的特点。长征系列运载火箭“3个100次”发射分别用时37年、7.5年和4.25年，对应年均发射2.7 次、13.3次和23.5次，高密度发射已实现常态化。因此，对学生开展科技教育活动需要紧跟航天大事件。

航天领域涉及多学科知识和技术。航天科技教育活动天然具备项目属性、学科综合属性，非常适合采用项目式的教学方式，在解决问题中启发学生思维。在教育过程中，可以围绕一个航天科技应用背景，让学生学会综合使用各学科知识解决问题，让学生在已有知识的基础上，发挥基于科学的想象力，体会发现问题、分析问题、解决问题的过程，培养坚毅的科学品质。

但是，航天领域的项目主题离学生的生活和学习很远，且往往不能在地球环境中验证某个问题的解决方案的可行性。所以如何将复杂的航天领域问题转化为学生可探究、可验证的课题，是航天领域课程教学设计的关键所在。

二、航天类STEM课程教学设计

——以“机械臂捕获失效卫星”为例

青少年是开展航天科技教育的重点人群，需要在教学活动设计中结合他们的学习特点，启发方式为主，激发学生的学习动力，弥补课堂教育的不足。

设计思路和学习方式

本实践案例在整个课程体系中的位置如图所示：

项目主题与情境

大主题背景是“太空垃圾清理”，聚焦到的单元主题是“用机械臂方式清理地球周围的失效卫星”。单元主题对应的挑战性任务可以分为6个子任务，本案例选取了“实施抓捕”这个子任务，并详细介绍了如何将以工程设计为导向的项目式学习用于这个子任务的教学设计。

教学方式以工程设计为导向的项目式学习为主，以帮助学生在解决问题的思维能力上获得深度提升。学生将在每个项目模块经历以下思维过程：

项目主题要能够吸引学生，既具有趣味性，又具有真实性和拓展性。项目主题确定后，就需要对项目情境进行描述，以调动学生探究的积极性，确保待解决的问题是学生够得到、能解决的。

# 本单元教学情境

随着人类对外太空的探索活动逐渐增加，每年都有大量太空发射任务，以满足通信、气象监测及空间站维护等需求。但同时，人类活动对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的失效卫星、火箭末级、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。

2020年9月23日，国际空间站为避免和太空碎片的碰撞，不得不进行机动变轨和暂时转移舱内工作人员。2021年，国际空间站就曾3次机动变轨躲避太空碎片。

随着地球周围的空间越来越拥挤，避免和太空垃圾碰撞的策略将越来越普遍。有超过50万块环绕地球运行的太空垃圾被跟踪。它们环绕的速度高至7.8千米/秒，1块小的碎片就能对卫星或航天器造成损坏。但是卫星的控制员不可能避免所有可能的碰撞，因为需要消耗很多时间和燃料，而且有的太空垃圾没有记录在数据库里，未被跟踪。

挑战性任务

设计一个项目时，可以将待探究的核心课题以一个问题的形式抛出。这个环节可以让学生一起参与。这个待探究或待解决的问题就是这个项目的核心，可以是具体的或者抽象的。但这个问题应该具备开放性，解决问题的过程和结果都应该具备多元性和开放性。挑战性任务是基于项目情境提出来的，与情境有明确关联。项目情境一般以项目任务书的形式发布给学生。

# 本单元项目任务书

面对地球周围空间越来越拥堵的问题，太空垃圾的清理对航天事业的发展将越来越重要。你能想出一个用机械臂方式清理地球周围的失效卫星的安全、可操控、时间和成本合理的好办法吗？

此挑战性任务又可以分为如图所示的6项子任务：对于每一项子任务，都可以采取以工程设计为导向的项目式学习流程。

任务拆解：用机械臂方式清理地球周围的失效卫星的6项子任务

以“实施抓捕”这项子任务为例，挑战性任务是“你能基于特定的机械臂，结合太空的实际环境，设计一个安全、可操控的抓捕地球周围的失效卫星的方案吗？”

教学流程

界定问题、标准和限制

学生首先要明确，需要解决的问题是什么。“实施抓捕”这项子任务要解决的问题，是机械臂如何对失效卫星实施抓捕。

模拟实验体验

让学生操控机械臂，体验在光滑地面上模拟太空中抓捕旋转的失效卫星模型的过程和技术难点，并且让学生将抓捕过程中体验到的技术难点与机械臂、失效卫星对应的特点记下来。让学生将实践体验中遇到的具体问题写出来，以便学生有针对性地解决问题。

头脑风暴

引导学生回顾太空环境和失效卫星的特点，并结合模拟实验中体验到的技术难点，提炼出解决实际问题的关键所在。然后引导学生进行概念建构，用头脑风暴从不同的角度思考可能的解决办法。

方案设计与迭代

根据调查研究和头脑风暴的结果，设计一种解决方案。方案设计好后，可以根据方案，利用实验室提供的器材构建模型原型，并测试模型原型，以验证方案的可行性。

也可以通过追问理论依据和逻辑推理，验证方案理论的正确性。相比仅仅从书本或者网络上查询信息，探究是一个更主动、更深度地收集和调查信息的过程，也是一个不断迭代的过程。

交流、评价、修改

项目成果既可以是一个实物模型，也可以是一个解决方案的展示。公开展示其项目成果将有效促进讨论和学习社区的形成，提高学生在项目式学习中的积极性，同时也有助促成高质量的产出。在项目式学习中，学生需要学习使用评估量表、评估模型等评估反馈工具，并学习正式反馈和评论的技巧。

学习实施效果 / 评价表

除校内的学生和教师外，校外的成年人和专家也可以参与评价过程，他们代表了来自真实世界的反馈意见。

反思与讨论

本课程的教学设计以学生为中心，以项目式学习为导向，利用航天领域的前沿且具有挑战性的问题，吸引学生的重视和兴趣，培养学生的科学探究能力、工程思维，以及综合利用所学知识解决实际问题的能力。

教学过程注重从学生的体验出发，启发学生将体验到的感性认识，转化为具体的可研问题。在地面上模拟太空环境，结合太空实际环境，通过设计、验证和修正方案，解决挑战性的实际问题。

教学过程从定性到定量，从猜想到验证，认知由浅到深的顺序，构建概念之间的关联，层层递进地进行教学；并利用同伴学习和评价的方式，进行交流讨论和反思。

来源丨《中国科技教育》

作者丨唐香维 温明男，中国人民大学附属中学