將嫦娥四號改編成科技活動把前沿科技和課程結合起來
來源:用戶上傳
作者:
嫦娥四號的成功發射和著陸吸引了全世界科技愛好者的目光，是2019年開年的一件科技盛事。同時，嫦娥四號的話題性和前沿性也是很好的科技教育主題。我們可以從網絡、報紙、電視、雜志等渠道獲取到不勝其數的評論和分析材料，足以支持我們把它開展成創客教育或STEM教育活動。但我們首先需要找到一個合適的切入點，才能設計出具有針對性的課程。
我們可以從多個角度思考嫦娥四號與科技教育的關系?；鸺痫w前，我們可以用合適的材料設計運載火箭模型（例如《飛行器》課程）;飛往月球時，我們可以用創意編程模擬設計地月轉移軌道;著陸時，我們可以設計軟著陸的方案;著陸后，我們可以設計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計。
科技學堂選取了玉兔二號的行走裝置作為主題，設計了科技教育活動。通過積木，我們搭建出玉兔二號的行走模型，這是一項把前沿科技和科技教育結合起來的活動，在活動中，學生能夠認識玉兔二號和月球環境的特點，培養他們的工程思維和國家認同感。
課程通過中國探月工程的科研進展引入，通過大量案例認識人類對月球探索的歷史，讓學生對科學家刻苦鉆研、百折不撓的精神產生出油然而生的敬意，激發起學生對課程學習的興趣。在完成對人類宏大的探月史的敘述后，我們需要聚焦活動主題，探討“什么樣的輪子適合月球行走”。
對于提出的問題，我們需要有明確的定義，才能讓學生正確設計出“適合”行走的作品。在這個階段，我們通過視頻、圖片、軟件等方法讓學生認識月球的真實環境和地球有什么不同。同時，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，設計合理的巡視器行走機構是一項極具挑戰性的系統工程，課程中學生可能會說出許多真實而重要的約束條件，但作為科技教育，很多條件是我們無法（或不方便）在課堂中模擬出來的，我們需要對這些約束條件進行簡化，只聚焦可用積木實現的幾個具體條件。
為了防止學生的目光只局限于玉兔二號的行走機械結構，科技教師可以準備如蘇聯的月面步行者、美國阿波羅系列的月面考察漫游車（LRV），火星探索的旅居者號、機遇號、好奇號等具有行走機構探測器的圖片或模型，甚至還可以準備一些坦克、越野車的圖片和模型，通過分析這些行走裝置的結構特點，讓學生認識到各種方法都有優劣性，沒有哪一種辦法能應對所有工程任務，所以工程師應該針對具體的工程任務設計出合適的方案。
在明確了工程任務之后，著手設計之前，我們需要和學生一起討論設計的檢驗標準。復雜一些的，我們可以通過沙盤等制作模擬月球表面環境，簡單一些的，我們可以用積木搭建若干障礙，如果在規定條件下通過障礙測試了，就認為檢驗成功。檢驗標準合理與否取決于教師和學生對約束條件的理解。
接下來是設計和檢驗環節，通過前面內容的鋪墊，學生已經對工程任務形成了初步的理解。在這一步，學生需要設計出自己的工程模型并通過檢驗，加深對工程問題的理解。在這個例子中，我們以玉兔二號為原型設計了六輪懸掛搖臂的行走機構，這個機構有輪子和腿的特點，能夠像輪子一樣高效地前進，也能像腿一樣跨越障礙物。當然，學生還可以根據其他原型，甚至設計出想象中的模型，只要符合檢驗標準，我們都應該認為是合理的。
最后是交流分享環節。完成測試任務后，學生們通過交流分享，學會客觀地評價其他人的設計，認識到工程設計的答案不止一個，只有最合適的，沒有最好的。
把前沿科技和科技教育結合起來，是一種話題性強、時代性鮮明、學習積極性高的教育方法。它不僅具備了一般科技教育所應有的要素，更是在培養科學精神、學會學習、責任擔當、實踐創新等核心素養方面，有著更鮮明的特色。在活動中，學生能夠對前沿科技產生獨立思考，并能夠辨證分析看待它們;新聞媒體對時事和前沿科技的廣泛報道，讓學生有機會能夠有效地獲取、評估、鑒別和使用信息;關乎我們生活的前沿科技能夠讓學生在學習中產生國家認同感，也能培養他們的全球意識;而將前沿科技轉變成活動，則能夠提高學生理解技術所帶來的進步，并產生學習和掌握技術的意愿。
對于教師而言，把前沿科技和科技教育結合起來是高效的教育主題;而對于科研機構而言，這也是一個很好的宣傳機會，能為科技教師提供權威的數據和參考。相信許多科技教師對2013年神舟十號飛船的太空授課有著深刻的印象，學生在教室里就能接收到遠在飛船之上的課程，切身體會科技發展帶來的變化。
但從另外一個角度看，教師把前沿科技和科技教育結合起來有個顯而易見的困難。那就是前沿科技所涉及的科研領域往往非常艱深，對于科技教師而言，如果沒有相關專業知識，很難準確地理解這些前沿科技的概念，更別說以此為話題開展相關課程了。為了解決這個問題，除了加強教9幣自身的科技素養，更需要相關專業的科研人員（最好是直接參與項目的科研人員）的技術支持。在這方面，美國國家航空航天局（NASA）有很多將前沿科技和教育結合的經驗，值得我們借鑒。
舉一個例子。2018年11月27日，NASA發射的洞察號火星探測器成功著陸火星表面，洞察號攜帶的熱流物理性質探測器（HP3）將幫助我們更深入地認識火星內部能量。同一天，美國宇航局噴氣推進實驗室發布了以洞察號為主題的教學指導方案。從技術層面上看，這是一個簡化版的熱流物理性質探測器，它由Arduino（或其他主控板）、溫度傳感器和輸出設備制成，并用射燈模擬火星的光照或地熱，將溫度傳感器插入土壤中，學生通過輸出設備監測土壤的溫度變化并計算熱量的變化速率
這正是洞察號的熱流物理性質探測器所做的事。在教學層面，它與美國《新一代科學教育標準》和《州共同核心標準》的相關內容聯系緊密，教案還對教師提供了一些具體的教學建議，幫助科技教師更好地開展課程。
也許熱流物理性質探測器還算比較容易被教師和學生理解的科研設備，而對于一些更抽象的科學概念和科學實驗，科研人員可以通過視頻等方式提供更直接的技術指導，幫助科技教師將前沿科技融入科技教育，我們用另一個例子說明問題。
2018年11月16日，第26屆國際計量大會在法國舉行，本屆大會將國際單位制中的千克進行重新定義，使用了100多年的國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，質量能夠與時間、長度等其他國際單位制聯系起來。這項決定也受到了全世界科技媒體的廣泛關注，但對于科技教師而言，這項新聞似乎“過于遙遠”。然而，美國國家標準技術研究院（NIST，參與標準制定的組織之一）卻設計出以此為主題的科技教育活動。
活動的切入點是制定標準的關鍵儀器——基布爾天平?；紶柼炱绞且环N龐大而昂貴的尖端科研儀器，能夠進行超高精度的質量測量，而NIST根據基布爾天平的原理，用樂高積木搭建能夠真正用于測量的基布爾天平，并設計成課堂科學項目。
為了讓更多學生認識和了解為什么國際計量大會要重新定義千克的含義，NIST還專門制作了一個生動有趣的視頻，視頻中2位青少年用幽默的語言講解樂高搭建基布爾天平的原理，即使教師不準備真正搭建出基布爾天平，也能從視頻中學習基布爾天平的原理。
通過上面幾個例子，我們希望能為各位科技教師設計相關課程帶來一些有益的啟示。
閱讀更多
你可以在科技學堂的微信公眾號（sciclass）上回復關鍵詞“前沿科技”，可以查看月球巡視器的教案和我們翻譯的JPL和NIST的教案。
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/8/view-14847612.htm
