03 第3 章 CHAPTER 3 科创教育实践模型 3.1　科创教育的实验平台建设 3.2　科创教育课程的开发 3.3　科创教育项目的实施 3.4　国际科创教育实践 54 科创教育理论与实践 国内外教育界越来越重视将学生参与“科学实践”作为培养青少年科学创造力的 重要途径。比如美国国家研究理事会（NRC）于2011 年发布的《K-12 年级科学教育 框架》，就提议让K-12 年级的学生通过以围绕科学大概念而组织的实践来提升科学素 养，提高创造力。2017 年我国教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》提 出，通过探究、服务、制作、体验等方式进行学习，综合运用各学科知识分析、解决 现实问题，尊重学生的自主选择与创造，真正让学生“活”起来，“做”出来。这些都 为科创教育的真正落地创造了良好的环境。我国北京、上海等地区的学校、科技教师 更是先行先试，开展了丰富的科创教育实践，探索青少年创新素养培养的新途径。本 章将从实验室平台建设、课程开发、科创项目指导等不同层面，以鲜活案例的形式， 介绍北京地区科技教师的实践。最后，还介绍了国外科创教育的部分实践案例。期望 通过这些实践案例，为科技教师们开展科创教育提供看得见、摸得着的“抓手”和着 力点，让科创教育真正落地。 3.1　科创教育的实验平台建设 自2010 年开始，随着国家中长期发展规划纲要的集中出台，创新教育的重要性 被反复强调。为探索青少年科创教育模式，为科创教育发展提供平台，全国各地尤其 是教育发达地区，如上海、北京、江苏等地开始了建设高中学阶段创新实验室的热 潮。北京市于2012 年底启动了市级高中开放式重点实验室建设，由教育行政部门出 资在50 所高中学校建设了50 个开放式创新实验室，该项目的宗旨是通过建设市级高 中重点开放实验室，与拔尖创新人才改革实验相结合，满足不同潜质的学生的发展需 要，为青少年创新型人才的脱颖而出创造条件。近十年来，上海市也在部分高中学校 进行了创新实验室建设的试点工作。多所高中学校对创新实验室建设的原则、使用及 课程开发等相关的实践行动进行研究。上海教育杂志2013 年为此开设了一期专刊， 介绍了上海市各学校创新实验室的建设情况。浙江、重庆等地也都启动了普通高中创 新实验室的建设使用探索。 从上述实践行动研究中可以发现，与传统学科实验室相比，创新实验室具有明显 的不同，具体如表3-1 所示。 在创新实验室的建设和使用过程中，多项理论和实践研究对创新实验室在科创教 育发展中的作用进行了阐述。 第3章　科创教育实践模型 55 表3-1　传统学科实验室与创新实验室的不同 类　别传统学科实验室创新实验室 使用对象所有学生部分有兴趣的学生 实验内容学科基础实验未知的生活或科学问题 实验性质验证性实验探究性实验 实验设备课标规定的标准化设备各科学领域先进的仪器设备 考察方式动手操作的规范性和完整性对问题的探究过程 授课教师相关学科教师具有科研背景的教师、高校科研人员等 本书将重点从以下三个方面进行阐述。 1. 创新实验室环境有助于提高学生的创新能力 一般认为，中小学生创新能力由创新意识、创新思维和创新技能三部分组成。研 究发现，创新实验室通过配备具有创新素养的教师和软硬件设备，实现了创新课程设 计、项目式教学及多元化评价，从而能够激发学生的创新意识、加强学生的创新思 维、提高学生的创新技能。 作为连接创新意识和创新技能桥梁的创新思维是创新能力的重要指标。缺乏创新 思维是目前我国的应试教育体制下被反复提及的一个问题，因此培养青少年的创新思 维是科创教育的核心目标之一。如何培养创新思维呢？有研究发现，创新实验室的开 放式教学环境，使学生能够带着问题去自主探索的项目式学习模式，能够重构学生的 学习环境，有利于培养学生的分析问题能力和创新思维。赖雪桃等人通过创新实验室 环境下的初中机器人教学实践发现，通过项目式学习和实践探究学习方式的综合教学 方法应用，有利于培养学生创新思维的求异性、独创性和综合性。 2. 创新实验室建设有助于科技教师的成长 创新实验室课程实施过程中，涉及的跨学科内容及科学前沿内容很多，而且由于 其功能定位，势必要配备很多超出常规学科教学内容的仪器设备，这就要求创新实验 室的教师在指导学生过程中应不断提升自己，提升自己的科学实践能力、科创课程开 发能力及创新素养培育能力，使教师由单纯的“学科授课者”向“课程开发、指导与 管理者”转变。 56 科创教育理论与实践 3. 创新实验室建设能促进学校实施素质教育的进程 以“科创教育”或“科技教育”为关键词在知网进行搜索可以发现，介绍各学校 进行科技教育实践的文章非常多，而且文章主题离不开的关键词是“科技创新人才培 养”。可以看出，各学校普遍认可，并一直在实践的是以科创教育带动学校实施素质 教育，培养青少年科技创新人才。而深入梳理这些学校的实践历程能够发现，学校实 践过程中普遍采取了建设创新实验室或科创实验平台的措施。当然，由于经费等限 制，创新实验室或科创实验平台的规模不一，但是为开展科创教育设立专门的区域并 配备相关的设备、设施是各学校普遍的做法。 综上所述，创新实验室确实在科创教育中起到了至关重要的作用。科创教育不是 无根之水，科创教育的发展需要有孕育的土壤和相应的水分、阳光等条件。创新实验 室或科创实验平台的建设就是其中一项至关重要的条件，配备了相关设备及专业教师 和课程的实验平台，不仅能够为学生提供个性化学习的机会，更重要的是可以转变教 师的教学观念，提升学校教育教学尤其是素质教育的实效，为科创教育的发展提供切 实可行的载体和手段。 但是为了保障创新实验室的作用发挥，在创新实验室建设和使用中必须把握一定 的原则。研究者通过分析美国典型的STEAM 实验室案例，发现其具有五个共同的特 征：学生、教师、家长及公众共同参与的学习方式；丰富的资源设备支持；创新思维 的引导；持续完善的分级项目以及配置具有专业背景的STEAM 实验室协调员。我国 研究者也总结了我国中小学创新实验室建设与使用过程中的五个关键词——理念、课 程、教学、评价、教师。 下面我们将通过几个创新实验室的案例来深入理解上述原则。 3.1.1　科学探究创新实验室建设案例——纳米材料创新实验室 在纳米尺度（通常指1 ～ 100nm）下，物质具有量子尺寸效应、表面效应和宏观 量子隧道效应等特点，展现出与宏观尺度下物质的物理、化学、光学、力学、生物学 等不同或宏观不具备的特性。纳米科学技术是20 世纪80 年代末期崛起并正在迅猛 发展的新兴交叉学科，它的基本内涵是在纳米尺度上研究和利用物质的特性（包括原 子、分子的操纵）、相互作用和纳米效应。纳米科技涉及诸多学科领域，包括物理、 化学、生物学、医学、材料科学、信息科学、能源科学、先进制造科学等，是高度交 第3章　科创教育实践模型 57 叉的综合性学科，也体现了前沿科学和高技术的融合，对很多基础学科和应用领域都 将产生重要的影响。 我国纳米科技的布局较早，在纳米科技发展的开始阶段就同国际发展保持同步。 20 世纪90 年代以来，纳米材料的应用研究成果涌现，我国纳米材料的研究进入了以 基础研究带动应用研究的崭新局面。在基础研究方面，我国部分研究成果在国际上引 起了较大影响：2013 年，中国科学技术大学侯建国带领的单分子科学团队在国际上首 次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像，将具有化学识别能力的空间成像分辨率提 高到前所未有的0.5nm；同年，国家纳米科学中心裘晓辉团队利用改进的非接触原子 力显微镜在实空间观测到分子间氢键和配位键的相互作用，在国际上首次实现了对分 子间局域作用的直接成像，中国学者首次“看见”氢键引起国际同行的高度关注。在 应用技术方面，我国在纳米科技领域发明专利申请数量跃居世界第二，部分成果已经 走向产业化，取得了良好的社会经济效益：2013 年，中国科学院化学研究所宋延林团 队发明了具有亲（疏）水、亲（疏）油特性的纳米材料绿色印刷制版技术，实现直接 制版印刷，从根本上解决了印刷制版行业的环境污染问题并降低了生产成本，为印刷 产业实现绿色化、数字化做出了重要贡献；范守善团队领导、富士康纳米科技中心研 发的超顺排透明碳纳米管导电模，可用于制造碳纳米管触摸屏手机，2012 年实现了全 球首个碳纳米管触摸屏的产业化。 本节将以纳米材料创新实验室的建设为例分析科创教育中如何进行创新实验室的 建设与应用，以供更多的科技教师参考。 1. 学习目标 了解纳米科技相关的知识体系概况，掌握纳米材料制备和测试的基本实验原理与 方法，提高青少年学生对纳米科技的浓厚兴趣；引导学生熟练掌握溶液法制备纳米材 料、利用光谱仪器测试纳米材料的性质并处理相关实验数据的能力；鼓励学生探究社 会热点化学事件，尝试将纳米科技应用到生产生活中，锻炼创新思维和实践能力。 2. 场地及设施条件 1）场地条件 具备可无偿使用、使面积为100m2 的固定活动场所（图3-1），以及开展活动必需 的基础条件，包括实验桌椅、活动器材存放柜、药品存放柜、电源接口、上下水、应 急设施等。 58 科创教育理论与实践 2）设施条件 （1）科技辅导员专用设施 计算机、投影仪及投影屏幕。 （2）学生活动专用设施 ① 设备类：紫外可见分光光度计、激光 纳米粒度仪、接触角测量仪、荧光分光光度 计、原子力显微镜、磁力搅拌器、加热鼓风干 燥箱、金相显微镜、离心机、通风橱。 ② 工具类：铁架台、烧杯、试管、圆底烧瓶、磁子、胶管、石英比色皿、玻璃 棒、培养皿、载玻片、盖玻片、离心管、一次性吸管。 ③ 材料类：各类纳米材料、纯水、氯化钠、氢氧化钠等药品。 （3）实验室辅助设施 置物箱、网络、多媒体设备、水盆、纸巾、脱脂棉等。 3. 人员配备条件 配备1 名具有纳米材料相关专业背景的专职科技辅导员和1 名兼职科技辅导员， 建立3 人以上的科技辅导员志愿者队伍。 4. 容纳青少年数量 10 ～ 15 名。 5. 开放时间 工作日固定时间开放，周末和节假日预约开放。 6. 活动内容 1）趣味纳米实践 开展各项纳米趣味实验，如纳米钢皂的去味实验、认识比表面积、纳米亲疏水 材料的特性等，通过这些实验，学生可以了解神秘的纳米世界，激发深入探究的 兴趣。 2）纳米基础实验 利用纳米粒度仪进行颗粒粒径检测，利用紫外可见分光光度计及荧光光度计表征 纳米材料的光化学性质，利用接触角测量仪测试各类材料的亲疏水性能等。通过纳米 图3-1　纳米材料创新实验室 第3章　科创教育实践模型 59 科技相关仪器的学习和使用，锻炼基本实验技能，提高动手实践能力，为进行项目探 究课程奠定基础。 3）纳米科技探究项目 学生可以根据自己的兴趣爱好和知识基础，选择一个探究课题方向，经历课题开 题、中期汇报、结题并撰写论文参加相关展示活动等科学探究的全过程，培养中学生 的科学素养和创新实践能力。探究课题方向包括但不限于探究不同纳米材料的制备条 件，寻求绿色环保的纳米材料制备方法；尝试将纳米材料运用到生产生活中，解决生 活中存在的各类问题等。 7. 活动形式 个人或小组探究、展示、培训、竞赛等。 3.1.2　科学探究创新实验室建设案例——天文创新实验室 20 世纪，中国天文学在基础理论研究领域已达到世界先进水平，但在技术创新 方面却始终未能实现突破，尤其是在大望远镜建设方面与其他国家相比仍存在着不 小的差距；但在进入21 世纪后，中国大望远镜建设开启了新的篇章。“兴隆观测基 地”是中科院国家天文台的一个下属站点，有着举世瞩目的“大视场多目标光纤光谱 望远镜”——郭守敬望远镜（英文缩写LAMOST）。LAMOST 的结构史无前例，为 恒星天文学提供了海量的光谱巡天数据，填补了中国在该项目上的空白并实现领跑。 LAMOST 从1992 年由王绶琯、苏定强院士发起倡议，花费了9 年时间进行论证，又 用了10 年时间进行建设、安装、调试、精度改进，直到2012 年才正式开启巡天观 测任务，至今DR6 数据集提供了多达4902 个天区的1125 万条光谱数据。这标志着 LAMOST 正式进入千万量级时代。 除LAMOST 外，500m 口径球面射电望远镜FAST 也是中国人近几年最为自豪的 成就之一。FAST 由我国天文学家南仁东于1994 年提出，历时7 年论证立项、10 年 设计、5 年建设，于2016 年9 月启用。FAST 的建成，一举超过美国阿雷西博射电望 远镜305m 的记录，并在第2 年发现了新的脉冲星。截至2020 年第一季度，FAST 发 现并认证的脉冲星已超过100 颗，这为我国在深空自主导航等方面提供了大量的一手 数据。每一项大国重器绝不是某一个人一夜之间平地而起的，而是一代代默默无闻的 科学家、工程师、工人，靠着自己的辛勤付出，做好自己岗位的本职工作，在经过了 60 科创教育理论与实践 10 年、20 年的岁月积累之后水到渠成的成果。这种坚忍的意志品质，在中小学生求 学阶段也是需要去培养、磨炼的。 1. 学习目标 旨在让学生全面系统地认识天文学所涵盖的内容，从现象到本质逐步地深入体会天 文学的奥妙，培养其对天文学、自然科学的兴趣。对部分数理基础扎实且兴趣浓厚的学 生，可个性化地根据其自身特质，选取合适的切入点，引导其尝试进行项目式探究。 2. 场地及设施条件 1）场地条件 具备可无偿使用、面积为100m2 的高层 距空间，可采用传统的屋顶天文台方式，或 者地下两层打通的方式。同时具备开展活动 必需的基础条件，包括实验桌椅、天文观测 仪器存放柜、电源接口、上下水、应急设施 等（图3-2）。 2）设施条件 （1）科技辅导员专用设施 高内存、优质显卡配置的个人计算机一台、带鱼眼镜头的高分辨率投影仪一台、 直径8m 以上的投影球幕一个。 （2）学生活动专用设施 口径60mm 以上的折射或反射望远镜（图3-3）若 干，学生计算机台位若干。 （3）实验室辅助设施 网络、多媒体设备，如调音器、功放等，用于实现 影片资源的声音输出。 3. 人员配备条件 配备1 名具有天文学专业背景的专职科技辅导员和 1 名理工科专业背景的兼职科技辅导员，建立3 人以上 的科技辅导员志愿者队伍。 图3-2　球幕教室及鱼眼投影仪 图3-3　反射望远镜 第3章　科创教育实践模型 61 4. 容纳青少年数量 科普影片播放建议30 人左右为宜，其他天文活动或课程建议10 人左右为宜。 5. 开放时间 工作日固定时间开放，节假日预约开放。 6. 活动内容 1）天文学基础知识科普 如球幕影片的播放、利用天文软件模拟天文现象等（图3-4）。 图3-4　球幕影片《奇妙的望远镜》 2）天文相关主题的设计与动手制作 如活动星图、望远镜模型、天文艺术品等（图3-5）。 图3-5　3D 打印天文艺术品 62 科创教育理论与实践 3）典型天文现象的观测与记录 如太阳黑子、高精度月面成像、行星运行轨迹、流星雨等。 4）常见天文数据的获取处理与分析 如太阳二维成像、恒星光谱、人造天体轨迹等（图3-6）。 图3-6　太阳图像处理 7. 活动形式 个人或小组授课、观影、动手、探究、展示等。 8. 教学方法建议 绝大部分天文爱好者并未接受过系统的天文学知识教育，对各种天文现象的理解 往往存在管中窥豹的局限性，再加上他们本身数理知识积累的局限性，对真假信息的 辨别能力较差。教师在授课或组织活动前，最好事先梳理天文学分支体系的总体结 构，将大众从新闻中经常接触的各种天体或天文现象与总体框架进行一一对应。除此 之外，还需要在交流过程中，逐步引导学生的独立思考能力；对极个别具备科研潜质 及科研志向的学生，尽量创造条件并培养学生的科研精神和科研能力，让其了解科研 的一般原则和一般流程。简单的天文数据处理是一个很好的途径，既是天文科研的必 经之路，又不会与中学生水平完全脱节，根据学生实际水平进行难度调整即可。