北京市海淀區(qū)中關(guān)村學區(qū)：有效利用科研院所資源做深做實科學教育

近年來，北京市海淀區(qū)中關(guān)村學區(qū)積極發(fā)揮區(qū)域科技資源優(yōu)勢，與中國科學院行政管理局協(xié)同聯(lián)動中國科學院京區(qū)各科研院所，開發(fā)實施科學院課程，讓學生走近科學家，親歷科學探究實踐過程，培養(yǎng)學生的好奇心、想象力和探求欲，拓寬科學課程教學邊界，實現(xiàn)科教深度融合，在教育“雙減”中做深做實科學教育。

一、學區(qū)與科研院所共同建構(gòu)適合學生的課程

課程是科研院所科技資源與學校科學教育有效銜接、有機融合的核心。學區(qū)與科研院所組織開展中小學科學教師調(diào)研訪談，讓科學家了解學校科學教育的課程教學狀況、學生認知水平和發(fā)展需求，充分利用科研院所的科學家資源、實驗室資源、大科學裝置、博物館及展廳、最新科研成果等，整體設計學習主題、課程模塊和活動環(huán)節(jié)。課程設計充分尊重中小學生認知規(guī)律，體現(xiàn)學生發(fā)展核心素養(yǎng)要求，按照1-3年級、4-6年級、7-9年級不同學段，科學設計“知識儲備預學”“院所實地研學”“校內(nèi)實驗提升”等課程模塊。

科學院課程旨在幫助學生了解前沿科學知識，掌握科學探究方法，激發(fā)學生探究科學奧秘的濃厚興趣，引導學生在心中埋下科技創(chuàng)新的種子，增強其科技強國信念。例如，數(shù)學與系統(tǒng)科學研究院的“有趣的圖形”“數(shù)字偵探”“奇奇怪怪的數(shù)學”、軟件所的“體驗人工智能下的智慧生活”“人工智能中的人機交互設計”“人工智能的未來”、空間中心的“揭秘空間站”“神奇微重力”“探秘微重力”等，涉及數(shù)學、物理、化學、聲學、地理、氣候變化、動物學、植物學、人工智能等多個領(lǐng)域。

比如，化學所以不同年齡學生的生活經(jīng)驗和認知基礎為起點，綜合考慮學生的科學教育現(xiàn)狀，設計了三個學段的遞進課程，包括“生活中的化學”“食品中的化學”“化學創(chuàng)造美好生活”等（見表1）。面向低年級學生的“生活中的化學”，主要指導學生觀察和認識身邊的化學現(xiàn)象，激發(fā)學生對化學探索的興趣；中年級學生在科學家?guī)ьI(lǐng)下探索“食品中的化學”，走進實驗室了解如何利用食物的化學性質(zhì)制作美食；高年級學生通過了解化學所的最新科研成果，研究化學如何創(chuàng)造美好生活。院所豐富的科技資源為學生提供基于真實情境和任務的活動體驗，在實踐探究中培養(yǎng)學生的科學觀念、科學思維。

表1：“中國科學院化學研究所”課程方案

二、為學生提供豐富的預學資源

走進科學院所之前，學校教師組織學生預學“科學資源包”和“好奇加油站”兩個資料包里面的內(nèi)容，讓學生初步感知院所概況、研究領(lǐng)域、科技前沿最新動態(tài)和科學家事跡，激發(fā)學生探究的好奇心和求知欲。

1. 科學資源包

科學資源包是院所科學家為學生精心選擇的科普資源，包括院所的基本情況、知識視頻、文圖資料、圖書推薦和科學家故事等，是科學院課程的資料庫。以力學所課程為例，科學資源包主要包括：科學家的情況介紹，如錢學森和郭永懷的生平資料、科學家訪談的視頻；科普知識圖文資料和視頻，如風洞是什么、飛機的組成部分、飛機最怕什么天氣、形狀奇怪的飛機等。在走進力學所之前，學校教師組織學生學習和討論科學資源包的內(nèi)容，了解相關(guān)背景資料、觀看視頻，學生在預學過程中獲得初步的感性認知，知道力學所的發(fā)展歷史和當前概況，了解飛機的結(jié)構(gòu)、功能等有關(guān)知識，為實地探索和學習做好知識儲備。

2. 好奇加油站

好奇加油站是科學家結(jié)合課程內(nèi)容在課前給學生的引導性問題，旨在激發(fā)學生產(chǎn)生更多的奇思妙想，提出自己的思考和疑惑。之后，教師通過問卷星收集學生提出的問題，并請科學家給予有針對性的回應。

例如，在走進古脊椎動物與古人類研究所前，好奇加油站啟發(fā)學生思考以下問題：你的祖先是什么？你覺得研究化石、恐龍等古生物對我們現(xiàn)代人有什么意義？你知道考古學家有哪些必備的本領(lǐng)嗎？在古生物學領(lǐng)域你最想知道什么？在這些問題的啟發(fā)下，學生進一步思考，提出“恐龍與人類到底有什么關(guān)系、古生物有哪些種類、我國考古研究處于世界什么水平”等問題。

三、通過參觀和講座進一步激發(fā)學生的探求欲

經(jīng)過充分預學，學生帶著對相關(guān)院所的初步印象和無限好奇實地參觀展廳展館，近距離觸摸實驗室和大科學裝置，聆聽科學家的講座。

1. 參觀展廳展館

各院所充分運用實物展品、智能設備、互動裝置和模型器材等，讓學生置身于科學情境中，直觀感知科學現(xiàn)象。實地參觀學習有明確的活動目標，比如力學所的活動目標是：通過參觀研究所展館、錢學森和郭永懷辦公室、風洞實驗室等，了解研究所概況、學習科學知識、感受科研氛圍、學習科學家精神。在力學所郭永懷烈士墓和錢學森雕像前，學生聆聽工作人員講解他們矢志報國的光輝事跡；在錢學森和郭永懷的辦公室，學生近距離觀看科學家簡陋的工作環(huán)境、簡樸的生活用品和珍貴的研究手稿。在力學所展館，講解員為學生介紹力學所的發(fā)展歷史、研究內(nèi)容、科研創(chuàng)新成果和老一輩科學家事跡，學生學習“力學星空、力學閱讀、知識測驗、實驗觀摩和實踐園地”五個板塊的力學科普知識，參觀風洞實驗室，了解風洞的功能。

為了更好地鞏固研學成果，學校教師與院所組織人員共同設計便于學生參觀、學習和記錄的“導學卡”，引領(lǐng)學生有效進行學習探究，隨時記錄自己的所見所聞所思所想，確保學有所獲。例如，低年段學生在導學卡上主要記錄以下內(nèi)容：力學所展館中介紹了哪些內(nèi)容？你最感興趣的是什么？力學所研究的內(nèi)容有哪些？請說出三位力學所科學家的名字。參觀了力學所展館、錢學森和郭永懷辦公室、風洞實驗室，你有什么感受？

在參觀過程中，學生親身感受錢學森“5年歸國路，10年兩彈成”的豐功偉績和郭永懷“報效祖國、獻身科研”的愛國情懷，充分理解了科學家精神的深刻內(nèi)涵。在沉浸式體驗中，學生自然而然地將個人理想與祖國命運緊密相連，在心中種下了一顆科技報國的種子。

2. 聆聽科學家講座

為了讓學生更深入地了解各科研院所的最新研究成果，科學家為不同學段的學生開設不同主題的講座，激發(fā)學生學科學、愛科學、用科學的熱情。比如在植物所，科學家為初中生講解“植物的光合作用”，介紹植物的光合作用現(xiàn)象、基本原理、研究歷史、對人類生活的重大意義，還分享研究團隊的最新研究進展，講解“光配方”在植物工廠中的應用。內(nèi)容豐富的講座幫助學生了解植物光合作用的現(xiàn)象、發(fā)生過程和對人類生活的重要影響。在互動環(huán)節(jié)，學生積極思考和參與，就自己感興趣的內(nèi)容與科學家展開熱烈討論，不斷發(fā)問：植物的光合作用都是靠葉子完成的嗎？葉綠素是如何吸收光能的？促進學生走近植物學、感受植物學研究的魅力，體會科學探究的樂趣。當學生身臨其境，了解到科學家匡廷云和他的前沿科技研究“植物工廠”時，學生深深感受到我國植物領(lǐng)域前沿科技發(fā)展的日新月異，體悟到科技前沿發(fā)展背后蘊含的創(chuàng)新智慧。

四、在院所實驗室動手實踐、具身學習

在院所的實驗室動手實驗是學生最喜歡的活動環(huán)節(jié)。每個院所都精心設計實驗室課程，在情境創(chuàng)設、任務驅(qū)動、實地探究、跨學科學習過程中激發(fā)學生實驗探究的興趣，培養(yǎng)學生的科學思維，使學生掌握更多的科學研究方法，樹立嚴謹?shù)目茖W思想和態(tài)度。實驗室課程主要包括兩種類型：一是科學實驗。在科學家指導下，學生以觀察、互動、操作為主，充分調(diào)動感官，學會團結(jié)協(xié)作，掌握實驗操作步驟，增強科學探究的參與度；二是實踐活動。在科學家指導下，學生運用此前在講座中習得的知識開展“做中學”，如紅外測溫儀的正確使用、植物觀察與分類、城市熱島效應的應用等。學生在自主探究和實驗操作過程中經(jīng)歷知識產(chǎn)生的全過程，生成對知識意義和科學現(xiàn)象的真正理解。

學校教師與院所科學家共同設計實驗室課程內(nèi)容，包括實驗活動目標、實驗器材準備和實驗過程設計等。實驗過程包括“情境導入、明確任務”“圍繞問題討論”“動手操作實施”“點撥引導、過程檢查”“分享交流”“專家點評、總結(jié)拓展”等環(huán)節(jié)，旨在引導學生親歷科學家實驗研究的全過程，學會實驗研究的思想方法和操作規(guī)程。

比如在過程工程所，1-3年級在實驗室里開展“免疫‘奧特曼’和病原體‘小怪獸’”的實驗探究，讓學生了解免疫細胞與病原體的作用過程，繪制免疫細胞和病原體。4-6年級在實驗室利用紫甘藍制作酸堿指示劑，探究花青素在不同酸堿環(huán)境下呈現(xiàn)出不同顏色的性質(zhì)。7-9年級在實驗室學會辨別溶液的酸堿性，自制酸堿指示劑，了解酸堿指示劑的作用和變色原理。

以7—9年級的實驗室課程為例，實驗活動目標是引導學生了解植物的光合作用、知道葉綠素是植物光合作用中吸收光能的主要物質(zhì)，在科學家指導下完成葉綠素的提取，啟發(fā)學生深入研究植物光合作用，了解光合作用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要影響。實驗課內(nèi)容是對校內(nèi)生物課的有益補充和深化，激發(fā)了學生深入探究的興趣。學生在實驗操作和交流分享中明晰了花青素的變色原理。通過實驗室課程探究，學生不僅親手操作花青素和pH試紙的實驗，還深刻體會實驗操作過程的科學性和嚴謹性，近距離感知科學家實事求是、求真務實的科研作風。學生與身邊的科學家面對面互動交流，仔細觀察、動手操作、認真實驗，探究身邊的科學問題，在“學中思”，在“做中學”，在反復試錯中習得方法、建構(gòu)認知、提升能力。

五、校內(nèi)科學實踐鞏固提高成果

學生把所學的科學知識、科學思考、科學感悟帶回學校，由教師指導學生運用所學知識開展進一步的科學實驗、科學調(diào)查或科學觀察活動，鞏固和提升院所的學習內(nèi)容，形成科學實踐成果。

例如，4-6年級學生在力學所動手研究飛機飛行的原理后，學生回到學校研究“自制直升機”，動手組裝飛機模型并進行測試優(yōu)化，進一步探究伯努利原理，了解直升機的飛行動力。教師指導學生按照飛機用途和機體構(gòu)造對飛機進行分類，觀察直升機的構(gòu)造。學生利用橡皮筋直升機實驗材料包（太陽能直升機）自主組裝直升機。在這個過程中，教師及時幫助學生解決實驗中遇到的困難和問題，如檢查安裝的模型是否左右對稱，測試直升機飛行是否姿態(tài)平穩(wěn)等。最后，教師組織學生交流自己的直升機模型以及操作過程，總結(jié)收獲與體會，提高理性認識和學以致用的能力。

科學院課程讓學生走出校門、走進科學殿堂，在科學家身邊感悟科學家精神的時代內(nèi)涵，在實驗室與科學家一起動手實驗、探究、思考，成為做好科學教育加法、落實立德樹人的重要抓手。學區(qū)將進一步打通資源壁壘，盤活資源存量，發(fā)揮資源效能，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，構(gòu)建科教融合協(xié)同育人共同體，培養(yǎng)更多具備科學家潛質(zhì)的青少年。

（王振惠 作者系北京市海淀區(qū)中關(guān)村學區(qū)管理中心主任，中國人民大學附屬中學實驗小學黨總支書記，高級教師、高級校長）

《人民教育》2023年第19期