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              高中創客教育課程體系的構建

              一、實踐背景與問題提出

              在上海市格致中學建校140周年之際,一座延續格致傳統的“英式”風格校園在奉賢區南橋新城東方美谷正式啟用。創辦上海市格致中學奉賢校區是上海市推進基礎教育優質均衡發展的重要舉措,也是學校面向教育現代化和教育信息化2.0時代,謀劃新一輪發展的源動力和推進器。十九大報告提出,實現教育現代化,建設人力資源強國,標志著我國教育改革發展進入新征程。新時代教育發展不僅要解決規模、質量、公平、效益等共性問題,還要著力構建創新人才的培養體系和培養路徑。教育創新在應對全球化競爭、建設創新型國家的戰略中處于基礎性、全局性、先導性地位,而教育信息化則是推進教育創新的重要抓手。伴隨著現代信息技術對人類生產方式、生活方式乃至思維方式的深刻影響,教育信息化將進一步引領學習內容、學習方式、教育管理等方面的深度變革。教育創新的核心目標是實現人的創新發展。

              基于這一教育改革發展背景,我們認為格致中學奉賢校區不僅要傳承百年格致“愛國”“科學”的優良傳統,秉持“格物致知、求實求是”的辦學理念,彰顯“理科見長,和諧發展”的辦學特色,還要以“構建創新的課程、搭建創新的平臺、豐富創新的實踐”為發展策略,堅持“讓每一位學生在創新中成才”的發展目標,從“科學倫理、科學精神、科學方法、科學知識”等四個維度培養學生基于“科學精神、科學知識、科學方法、科學倫理”的高科技素養,從而將上海市格致中學奉賢校區建設成為一所國際化、信息化特征鮮明的高科技高中。課程是學校實現育人目標、落實辦學理念的重要載體。隨著格致中學奉賢校區辦學定位和發展目標的廓清,構建與之相適應的高科技特色高中課程成為學校辦學發展過程中值得探究的重要課題。 

              二、推進過程與舉措

              (一)構建思路

              創客教育是一種融合信息技術,秉承“融合創新、探究體驗”教育理念,以“在創造中學習”為主要學習方式、培養創新型人才為目的的新型教育模式。創客教育的目標是讓學習者不僅掌握技術,還要運用技術進行創造,面對真實情境進行問題求解和優化完善。創客教育的跨學科性、實踐性、科技性、合作性等特點為培養創新意識、創新精神、創新能力、創新人格提供了新的思路。根據以往學校校本課程的建設經驗,在基于創客教育的高科技特色高中課程建設中,學校進一步整合資源,組建由學校管理者、教師、學生、家長、社區、共建單位等組成的“課程建設共同體”,共同開發并實施開放、多元、動態生成的課程體系,著力構建創客空間、科技教師、學生創客、高科技高中特色課程等要素和諧共振的創客教育生態環。在“創客教育生態環”中,創客空間是實施高科技課程的教學環境和硬件保障。科技教師是課程開發和實施主體。學生創客是課程實施的中心。高科技高中特色課程是實施創客教育的載體。以創客空間為基礎,構建科技高中特色課程,應著力凸顯跨學科、創新性、實踐性三項基本原則,開發融基礎型、拓展型、創新研究型三個層次的課程體系。在組建創客教師隊伍時,以學科素養、創新能力為選拔標準,以信息技術為支撐,對教師進行分層培訓,以理科教師為主體進行教師隊伍建設。 

              (二)課程體系

              基于創客教育的高科技特色高中課程以創新人才的早期培養為課程目標,堅持立德樹人根本導向,積極探索面向未來的學生高階能力培育,發展學生的批判性思維、自主能力、創新能力、協作交流和跨文化能力,為學生終身學習和發展奠定基礎。通過構建縱橫開合、多元交融、文理兼容的高科技特色課程,實現覆蓋面向全體的基礎型課程,面向部分學生選修的跨學科實踐應用課程,面向精英學生的前沿探究課程,形成凸顯高科技特色的縱向金字塔分層課程體系,為每位學生的個性化發展提供培養路徑。基于創客教育的高科技特色高中課程圖譜如圖1-1所示。

              基于創客教育的高科技特色高中課程圖譜

              (三)課程設置

              1.基礎型課程通過學科維度的橫向解構,基于創客教育的高科技特色高中基礎型課程以線上慕課的形式開展,主要包含《天文學》《創新學》《格致學》《經典哲學》等課程。《天文學》在線課程以培養學生對天文學的興趣為目標,分專題介紹天文常識、與生活相關的天文知識、以及今后進一步學習天文所必備的觀測基礎。《創新學》在線課程主要包含創新思維和創造發明技法兩大版塊,結合具體案例為學生分析和介紹逆向思維、側向思維、求異思維、類比思維、發散思維、綜合思維等創新思維的基本形式,結合具體實例,深入剖析創造奇跡的組合發明法、早出成果的補短發明法、獨具魔力的需要發明法、專利利用創新法等創造發明技法。《格致學》講述了學校的沿革歷史,更主要的是講中國近代自然科學發展史和“格物致知”的哲學內涵。中國自古以來有著領先世界的自然科學成就,對人類文明的貢獻非常巨大,但在中國近代,“科學”一說沒有引入之前,中國人把自然科學統稱為“格致學”,自然科學研究者就統稱為“格致家”。《經典哲學》分為上下兩篇共14節微課,以人物為線索,系統講授中外著名思想家的哲學理念及其蘊含的內在奧義。由此可見,基于創客教育的基礎型課程并非聚焦于創新的技術和操作,而是通過線上學習的方式,從歷史、哲學、創新思維多個視角帶領學生走進創新、了解創新,進而萌發成為創客的學習熱情。

              2.拓展型課程通過學科維度的橫向解構,基于創客教育的高科技特色高中拓展型課程分為智能制造、航空航天船模、電子編程等不同的課程內容模塊,以線下教學的形式開展。智能制造模塊包含《3D設計與打印課程》《激光切割與雕刻課程》《智能家居系列課程》等。《3D設計與打印課程》旨在讓學生通過學習與實踐3D設計與打印技術,培養學生運用三維設計軟件和3D打印技術解決實際生活中的工程問題,提高設計能力、物化能力和解決實際問題的能力。課程內容可分為基礎理論、軟件應用與實體制造三大類。課程內容分類目錄如表1-1所示。

              “3D打印創意制作”課程的內容組成與核心專題

              表 1-1“3D打印創意制作”課程的內容組成與核心專題《激光切割與雕刻課程》旨在讓學生通過學習與實踐激光雕刻技術,培養學生運用三維設計軟件和激光雕刻機設計外觀與實用性兼顧的個性化物件,提高學生的設計能力和物化能力。

              《智能家居系列課程》以項目為載體,融合了積木式編程、電子通信和木工制造三項內容專題。航空航天船模模塊包含《無人機課程》《船模的藝術加工課程》《衛星應用課程》等。電子編程模塊包含《App Inventor手機編程課程》《Arduino電子編程課程》《機器人課程》等。3.研究型課程通過學科維度的橫向解構,基于創客教育的高科技特色高中研究型課程以“跨學科+X”的思路來展開。“跨學科+X的研究型課程設計思路”將一種技術應用于不同學科領域和問題情境的設計思路,其目的是為了讓學生在完成各課程模塊后,能進一步實現知識與技能的融會貫通。例如,“3D打印+”課程是將3D打印技術與不同的學科模塊進行連結:在“3D打印+工程”模塊中,學生的研究任務是開發“手機支架或手機殼等手機延伸產品”;在“3D打印+物理實驗”模塊中,教師結合物理實驗如伯努利實驗、陀螺儀等,引導學生設計制作實驗器材和實驗教具;在“3D打印+傳統文化”模塊,教師引導學生聯想與戲曲、茶藝等傳統文化相關的創意產品,根據自己的喜好運用3D打印技術設計制作相關的道具和周邊衍生產品,為繼承和發揚傳統文化添磚加瓦;在“3D打印+機械”模塊,教師引導學生利用機械知識結合Arduino開源硬件,3D打印機械臂,融合電子控制,組裝形成機器人。 

              三、特色經驗與實踐成效

              (一)優質課程的共建共享

              上海中小學新科學新技術創新課程平臺(簡稱“雙新課程平臺”),是一項推動學校創新教育的工程。上海市格致中學奉賢校區作為首批參加“雙新課程平臺”試點工作的學校(校區)之一,始終期望借助“雙新課程平臺”幫助學生接觸科技前沿領域,經歷創新學習過程,培養和發展學生的創新意識和實踐能力。學校先后引進了多門“雙新課程平臺”課程。課程《“益生菌”的培養技術》在學校經歷了兩輪教學實踐,現已摸索出了適合學生學習的項目式教學實踐策略。教師在鼓勵學生個性化選擇實驗內容的基礎上,將課程內容和課程名稱調整為“生物創新實驗”。《生物創新實驗》課程由四個模塊組成,分別是益生菌、植物、動物、生化與分子,分別由四位學科教師授課,每位老師結合各自執教的學科模塊特征,有選擇性地設計實驗。此外,《3D打印》課程在學校內已開展了三輪教學實踐,老師逐漸探索形成了“3D打印+”的教學模式,在“雙新課程”展示活動中得到分享和推廣。

              (二)構建課程實施平臺

              高考新政實施以來,學生研究性課題作為普通高中學生綜合素質評價的重要組成部分,已經成為高校衡量學生研究素養和創新能力的重要參考之一。學校在指導學生開展研究性課題方面雖起步較早,創新實驗室開放、海外課題研修、專家校內課題論證各項保障措施也相對健全,但在新時代、新教育背景下,學校仍始終在思考和規劃如何充分運用現代信息技術進一步豐富學生的研究性學習資源、規范學生的課題研究流程、提升學生課題成果的質量、優化教師對學生研究性學習過程的管理與評價。在上海市電化教育館的指導下,學校引入高中生研究型課程自適應學習平臺(MOORS)。MOORS學習平臺能幫助學習者突破學習時空的界線,并即時記錄并追蹤學習者的研究軌跡。除此之外,系統的最大亮點在于依據算法模型為學習者實時推送與研究主題相關聯的個性資源。在這一平臺的輔助下,學生可24小時開展線上自適應學習,充分利用碎片時間,提升研究型課程的學習水平。

              (三)整合高校優勢資源

              近年來,學校先后與麻省理工學院、清華大學、上海交通大學等諸多國內外高校和研究機構開展了形式多樣的交流合作,邀請諾貝爾獎得主科里(Dr.E.J.Corey)教授在內的知名專家為學生開設科普講座和拓展型課程。2019年9月,學校與同濟大學進一步深化交流互動,通過定期組織科普講座、開設拓展型先修課程、學生研究性課題指導與孵化等形式,拓展學生在人工智能、大數據、5G技術、電子工程等方面的學科視野,助力青少年科創人才培養。此外,高校的尖端實驗室也是高科技課程實施的重要資源。2019年4月,學校科技教師和部分高一年級的科創小能手們來到上海交通大學閔行校區,一起見證了格致中學奉賢校區與上海交通大學科創素養培養基地的落成。整合高校優勢資源,聯合成立科創基地,將為培育學生的科技創新與人文素養搭建廣闊橋梁。

              (四)完善創新實驗室建設

              格致中學奉賢校區由現代學習中心、人文藝術中心、科技創新中心、學生自主中心、體育活動中心、生活休憩中心、餐飲中心等八大中心組成。科技創新中心內預設有36間創新實驗室。2014年,由美國麻省理工學院指導的中國大陸首家標準FabLab(Fabrication Laboratory)創新實驗室——格致創智空間,在上海市格致中學揭牌成立。隨后,格致中學奉賢校區也按照相同的實驗設備配備標準建立了FabLab創智空間。近年來,校區內又先后新建了環境保護綜合實驗室、航海模型創新實驗室、無人機創新實驗室以及物理、化學、生物等學科創新實驗室,為基于創客教育的高科技特色高中課程實施提供了堅實的保障。 

              四、問題思考與未來展望

              (一)開展學分互認的課程管理探索

              位于美國新澤西州的“高科技高中(High Technology High School)”是“美國新聞與世界報道”雜志評出的頂尖STEM高中。學校的辦學定位是一所早期培養工程學人才與工程行業從業者的高中,學校課程以工程學為核心,注重強調數學、科學、技術與人文的內在關聯。學校在課程管理方面的特色做法是與羅切斯特理工學院(Rochester Institute of Technology)、喬治亞法院大學(Georgian Court University)、布魯克達爾社區學院(Brookdale Community College)開展學分互認合作,學生修習核心課程可以獲得上述大學的學分。

              (二)開展基于創新實驗室的研究型課程走班教學探索

              研究型課程的實施在很大程度上需要依靠專用的實驗環境或教學空間,尤其是開展自然科學類課題研究,不僅需要專門的實驗室,而且在條件允許的情況下,應當合理控制學生和實驗器材的比例,保障學生的實驗環境。從這個角度而言,當前學校的創新實驗室建設盡管門類齊全,設施設備也較新,但從生均創新實驗室設施比例來看,還有所欠缺,難以開展基于創新實驗室的研究型課程走班教學,仍以傳統的班級授課制開展研究型課程。這一教學管理方式的弊端在于將不同研究方向和研究興趣的學生集中在普通的教室中,難以實現個性化學習和有針對性的教學指導,不利于研究的有效推進。從教學空間而言,格致中學奉賢校區預留了36間創新實驗室空間,若能進一步完善創新實驗室建設、加強研究性課題指導教師團隊建設,完全有條件開展基于創新實驗室的研究型課程走班教學探索,逐步形成與高科技高中相適應的研究型課程教學組織方式。

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