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高中创客教育课程体系的构建

一、实践背景与问题提出

在上海市格致中学建校140周年之际,一座延续格致传统的“英式”风格校园在奉贤区南桥新城东方美谷正式启用。创办上海市格致中学奉贤校区是上海市推进基础教育优质均衡发展的重要举措,也是学校面向教育现代化和教育信息化2.0时代,谋划新一轮发展的源动力和推进器。十九大报告提出,实现教育现代化,建设人力资源强国,标志着我国教育改革发展进入新征程。新时代教育发展不仅要解决规模、质量、公平、效益等共性问题,还要着力构建创新人才的培养体系和培养路径。教育创新在应对全球化竞争、建设创新型国家的战略中处于基础性、全局性、先导性地位,而教育信息化则是推进教育创新的重要抓手。伴随着现代信息技术对人类生产方式、生活方式乃至思维方式的深刻影响,教育信息化将进一步引领学习内容、学习方式、教育管理等方面的深度变革。教育创新的核心目标是实现人的创新发展。

基于这一教育改革发展背景,我们认为格致中学奉贤校区不仅要传承百年格致“爱国”“科学”的优良传统,秉持“格物致知、求实求是”的办学理念,彰显“理科见长,和谐发展”的办学特色,还要以“构建创新的课程、搭建创新的平台、丰富创新的实践”为发展策略,坚持“让每一位学生在创新中成才”的发展目标,从“科学伦理、科学精神、科学方法、科学知识”等四个维度培养学生基于“科学精神、科学知识、科学方法、科学伦理”的高科技素养,从而将上海市格致中学奉贤校区建设成为一所国际化、信息化特征鲜明的高科技高中。课程是学校实现育人目标、落实办学理念的重要载体。随着格致中学奉贤校区办学定位和发展目标的廓清,构建与之相适应的高科技特色高中课程成为学校办学发展过程中值得探究的重要课题。 

二、推进过程与举措

(一)构建思路

创客教育是一种融合信息技术,秉承“融合创新、探究体验”教育理念,以“在创造中学习”为主要学习方式、培养创新型人才为目的的新型教育模式。创客教育的目标是让学习者不仅掌握技术,还要运用技术进行创造,面对真实情境进行问题求解和优化完善。创客教育的跨学科性、实践性、科技性、合作性等特点为培养创新意识、创新精神、创新能力、创新人格提供了新的思路。根据以往学校校本课程的建设经验,在基于创客教育的高科技特色高中课程建设中,学校进一步整合资源,组建由学校管理者、教师、学生、家长、社区、共建单位等组成的“课程建设共同体”,共同开发并实施开放、多元、动态生成的课程体系,着力构建创客空间、科技教师、学生创客、高科技高中特色课程等要素和谐共振的创客教育生态环。在“创客教育生态环”中,创客空间是实施高科技课程的教学环境和硬件保障。科技教师是课程开发和实施主体。学生创客是课程实施的中心。高科技高中特色课程是实施创客教育的载体。以创客空间为基础,构建科技高中特色课程,应着力凸显跨学科、创新性、实践性三项基本原则,开发融基础型、拓展型、创新研究型三个层次的课程体系。在组建创客教师队伍时,以学科素养、创新能力为选拔标准,以信息技术为支撑,对教师进行分层培训,以理科教师为主体进行教师队伍建设。 

(二)课程体系

基于创客教育的高科技特色高中课程以创新人才的早期培养为课程目标,坚持立德树人根本导向,积极探索面向未来的学生高阶能力培育,发展学生的批判性思维、自主能力、创新能力、协作交流和跨文化能力,为学生终身学习和发展奠定基础。通过构建纵横开合、多元交融、文理兼容的高科技特色课程,实现覆盖面向全体的基础型课程,面向部分学生选修的跨学科实践应用课程,面向精英学生的前沿探究课程,形成凸显高科技特色的纵向金字塔分层课程体系,为每位学生的个性化发展提供培养路径。基于创客教育的高科技特色高中课程图谱如图1-1所示。

基于创客教育的高科技特色高中课程图谱

(三)课程设置

1.基础型课程通过学科维度的横向解构,基于创客教育的高科技特色高中基础型课程以线上慕课的形式开展,主要包含《天文学》《创新学》《格致学》《经典哲学》等课程。《天文学》在线课程以培养学生对天文学的兴趣为目标,分专题介绍天文常识、与生活相关的天文知识、以及今后进一步学习天文所必备的观测基础。《创新学》在线课程主要包含创新思维和创造发明技法两大版块,结合具体案例为学生分析和介绍逆向思维、侧向思维、求异思维、类比思维、发散思维、综合思维等创新思维的基本形式,结合具体实例,深入剖析创造奇迹的组合发明法、早出成果的补短发明法、独具魔力的需要发明法、专利利用创新法等创造发明技法。《格致学》讲述了学校的沿革历史,更主要的是讲中国近代自然科学发展史和“格物致知”的哲学内涵。中国自古以来有着领先世界的自然科学成就,对人类文明的贡献非常巨大,但在中国近代,“科学”一说没有引入之前,中国人把自然科学统称为“格致学”,自然科学研究者就统称为“格致家”。《经典哲学》分为上下两篇共14节微课,以人物为线索,系统讲授中外著名思想家的哲学理念及其蕴含的内在奥义。由此可见,基于创客教育的基础型课程并非聚焦于创新的技术和操作,而是通过线上学习的方式,从历史、哲学、创新思维多个视角带领学生走进创新、了解创新,进而萌发成为创客的学习热情。

2.拓展型课程通过学科维度的横向解构,基于创客教育的高科技特色高中拓展型课程分为智能制造、航空航天船模、电子编程等不同的课程内容模块,以线下教学的形式开展。智能制造模块包含《3D设计与打印课程》《激光切割与雕刻课程》《智能家居系列课程》等。《3D设计与打印课程》旨在让学生通过学习与实践3D设计与打印技术,培养学生运用三维设计软件和3D打印技术解决实际生活中的工程问题,提高设计能力、物化能力和解决实际问题的能力。课程内容可分为基础理论、软件应用与实体制造三大类。课程内容分类目录如表1-1所示。

“3D打印创意制作”课程的内容组成与核心专题

表 1-1“3D打印创意制作”课程的内容组成与核心专题《激光切割与雕刻课程》旨在让学生通过学习与实践激光雕刻技术,培养学生运用三维设计软件和激光雕刻机设计外观与实用性兼顾的个性化物件,提高学生的设计能力和物化能力。

《智能家居系列课程》以项目为载体,融合了积木式编程、电子通信和木工制造三项内容专题。航空航天船模模块包含《无人机课程》《船模的艺术加工课程》《卫星应用课程》等。电子编程模块包含《App Inventor手机编程课程》《Arduino电子编程课程》《机器人课程》等。3.研究型课程通过学科维度的横向解构,基于创客教育的高科技特色高中研究型课程以“跨学科+X”的思路来展开。“跨学科+X的研究型课程设计思路”将一种技术应用于不同学科领域和问题情境的设计思路,其目的是为了让学生在完成各课程模块后,能进一步实现知识与技能的融会贯通。例如,“3D打印+”课程是将3D打印技术与不同的学科模块进行连结:在“3D打印+工程”模块中,学生的研究任务是开发“手机支架或手机壳等手机延伸产品”;在“3D打印+物理实验”模块中,教师结合物理实验如伯努利实验、陀螺仪等,引导学生设计制作实验器材和实验教具;在“3D打印+传统文化”模块,教师引导学生联想与戏曲、茶艺等传统文化相关的创意产品,根据自己的喜好运用3D打印技术设计制作相关的道具和周边衍生产品,为继承和发扬传统文化添砖加瓦;在“3D打印+机械”模块,教师引导学生利用机械知识结合Arduino开源硬件,3D打印机械臂,融合电子控制,组装形成机器人。 

三、特色经验与实践成效

(一)优质课程的共建共享

上海中小学新科学新技术创新课程平台(简称“双新课程平台”),是一项推动学校创新教育的工程。上海市格致中学奉贤校区作为首批参加“双新课程平台”试点工作的学校(校区)之一,始终期望借助“双新课程平台”帮助学生接触科技前沿领域,经历创新学习过程,培养和发展学生的创新意识和实践能力。学校先后引进了多门“双新课程平台”课程。课程《“益生菌”的培养技术》在学校经历了两轮教学实践,现已摸索出了适合学生学习的项目式教学实践策略。教师在鼓励学生个性化选择实验内容的基础上,将课程内容和课程名称调整为“生物创新实验”。《生物创新实验》课程由四个模块组成,分别是益生菌、植物、动物、生化与分子,分别由四位学科教师授课,每位老师结合各自执教的学科模块特征,有选择性地设计实验。此外,《3D打印》课程在学校内已开展了三轮教学实践,老师逐渐探索形成了“3D打印+”的教学模式,在“双新课程”展示活动中得到分享和推广。

(二)构建课程实施平台

高考新政实施以来,学生研究性课题作为普通高中学生综合素质评价的重要组成部分,已经成为高校衡量学生研究素养和创新能力的重要参考之一。学校在指导学生开展研究性课题方面虽起步较早,创新实验室开放、海外课题研修、专家校内课题论证各项保障措施也相对健全,但在新时代、新教育背景下,学校仍始终在思考和规划如何充分运用现代信息技术进一步丰富学生的研究性学习资源、规范学生的课题研究流程、提升学生课题成果的质量、优化教师对学生研究性学习过程的管理与评价。在上海市电化教育馆的指导下,学校引入高中生研究型课程自适应学习平台(MOORS)。MOORS学习平台能帮助学习者突破学习时空的界线,并即时记录并追踪学习者的研究轨迹。除此之外,系统的最大亮点在于依据算法模型为学习者实时推送与研究主题相关联的个性资源。在这一平台的辅助下,学生可24小时开展线上自适应学习,充分利用碎片时间,提升研究型课程的学习水平。

(三)整合高校优势资源

近年来,学校先后与麻省理工学院、清华大学、上海交通大学等诸多国内外高校和研究机构开展了形式多样的交流合作,邀请诺贝尔奖得主科里(Dr.E.J.Corey)教授在内的知名专家为学生开设科普讲座和拓展型课程。2019年9月,学校与同济大学进一步深化交流互动,通过定期组织科普讲座、开设拓展型先修课程、学生研究性课题指导与孵化等形式,拓展学生在人工智能、大数据、5G技术、电子工程等方面的学科视野,助力青少年科创人才培养。此外,高校的尖端实验室也是高科技课程实施的重要资源。2019年4月,学校科技教师和部分高一年级的科创小能手们来到上海交通大学闵行校区,一起见证了格致中学奉贤校区与上海交通大学科创素养培养基地的落成。整合高校优势资源,联合成立科创基地,将为培育学生的科技创新与人文素养搭建广阔桥梁。

(四)完善创新实验室建设

格致中学奉贤校区由现代学习中心、人文艺术中心、科技创新中心、学生自主中心、体育活动中心、生活休憩中心、餐饮中心等八大中心组成。科技创新中心内预设有36间创新实验室。2014年,由美国麻省理工学院指导的中国大陆首家标准FabLab(Fabrication Laboratory)创新实验室——格致创智空间,在上海市格致中学揭牌成立。随后,格致中学奉贤校区也按照相同的实验设备配备标准建立了FabLab创智空间。近年来,校区内又先后新建了环境保护综合实验室、航海模型创新实验室、无人机创新实验室以及物理、化学、生物等学科创新实验室,为基于创客教育的高科技特色高中课程实施提供了坚实的保障。 

四、问题思考与未来展望

(一)开展学分互认的课程管理探索

位于美国新泽西州的“高科技高中(High Technology High School)”是“美国新闻与世界报道”杂志评出的顶尖STEM高中。学校的办学定位是一所早期培养工程学人才与工程行业从业者的高中,学校课程以工程学为核心,注重强调数学、科学、技术与人文的内在关联。学校在课程管理方面的特色做法是与罗切斯特理工学院(Rochester Institute of Technology)、乔治亚法院大学(Georgian Court University)、布鲁克达尔社区学院(Brookdale Community College)开展学分互认合作,学生修习核心课程可以获得上述大学的学分。

(二)开展基于创新实验室的研究型课程走班教学探索

研究型课程的实施在很大程度上需要依靠专用的实验环境或教学空间,尤其是开展自然科学类课题研究,不仅需要专门的实验室,而且在条件允许的情况下,应当合理控制学生和实验器材的比例,保障学生的实验环境。从这个角度而言,当前学校的创新实验室建设尽管门类齐全,设施设备也较新,但从生均创新实验室设施比例来看,还有所欠缺,难以开展基于创新实验室的研究型课程走班教学,仍以传统的班级授课制开展研究型课程。这一教学管理方式的弊端在于将不同研究方向和研究兴趣的学生集中在普通的教室中,难以实现个性化学习和有针对性的教学指导,不利于研究的有效推进。从教学空间而言,格致中学奉贤校区预留了36间创新实验室空间,若能进一步完善创新实验室建设、加强研究性课题指导教师团队建设,完全有条件开展基于创新实验室的研究型课程走班教学探索,逐步形成与高科技高中相适应的研究型课程教学组织方式。

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