“未來科學(xué)家”的培養(yǎng)之道

授人以魚，不如授人以漁，還不如授人以漁場。這是陳水章老師多年來秉持的科學(xué)創(chuàng)新教育理念和教學(xué)主張，也為長郡芙蓉中學(xué)的特色科創(chuàng)教育錨定了前進的方向。在陳水章牽頭創(chuàng)立的“漁場”式“未來科學(xué)家活動中心”里，學(xué)生們有興趣、生想法、勤動手、見成果，真正被植入了創(chuàng)新基因，播下了科學(xué)家的種子。

陳水章，中共黨員，高級教師，國家級高級科技輔導(dǎo)員，長沙市中小學(xué)科技創(chuàng)新名師工作室首席名師，省級骨干教師，中國發(fā)明協(xié)會理事，曾獲“全國優(yōu)秀教師”“全國十佳科技輔導(dǎo)員”“湖南省芙蓉名師”“長沙市優(yōu)秀教育人才初中科技創(chuàng)新名師”等榮譽稱號，曾任湖南省教材編、審委員會專家組成員，長沙市初中生物兼職教研員，長沙市創(chuàng)新教育專家組成員，芙蓉區(qū)初中科學(xué)兼職教研員。獲國家專利22項，編寫出版省級教材4部，編寫各類專著9部，10篇論文發(fā)表在省級以上刊物，有3篇論文獲國家級一等獎，6篇獲省級一、二、三等獎，8篇獲市級一、二等獎。他親自參與或指導(dǎo)師生完成的作品獲各級獎項300余項，指導(dǎo)師生申報并獲得專利100余件。

漫科學(xué)：您提倡“授人以魚，不如授人以漁，還不如授人以漁場”的科學(xué)教育理念，那應(yīng)如何定義“漁場”，它在科學(xué)教育中發(fā)揮了怎樣的功能？

陳水章：我們一直提倡的“漁場”就是為學(xué)生打造一個可以自主學(xué)習(xí)、合作探究、創(chuàng)新實踐的平臺。在這個平臺里，我們期待學(xué)生能養(yǎng)成一種科學(xué)創(chuàng)新的行為模式，即通過教師的引領(lǐng)、策劃和組織，學(xué)生能完成自主學(xué)習(xí)任務(wù)與實踐創(chuàng)新項目，然后一步一步在“漁場”里面獲得相關(guān)知識，同時實現(xiàn)自己的個性發(fā)展。而我們所創(chuàng)立的“未來科學(xué)家活動中心”其實就是這樣一個集人工智能與智能造物一體的綜合創(chuàng)新式“漁場”，一個能讓學(xué)生將想法變成現(xiàn)實的科學(xué)教育平臺。

漫科學(xué)：那在這個“漁場”式的未來科學(xué)家活動中心里，學(xué)生們接受了怎樣的訓(xùn)練呢？

陳水章：首先是課程引領(lǐng)。目前，學(xué)校已經(jīng)把科學(xué)創(chuàng)新課程規(guī)劃成了由普到專的三級課程，同時配套由學(xué)校教師自行編寫、湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版的校本教材，我們把這個課程叫作“青少年科創(chuàng)STEAM實踐課程”。

其中，一級課程是全員普及課，這門課程已經(jīng)進入初一年級學(xué)生的課表，每班每周有一節(jié)，所有的學(xué)生都要接受一年的科學(xué)訓(xùn)練，讓科技創(chuàng)新成為學(xué)生的基礎(chǔ)技能。其實，將其設(shè)為常規(guī)課程是為了實現(xiàn)學(xué)校的育人目標，長郡芙蓉中學(xué)的育人目標是育有創(chuàng)新基因的中國少年。我們希望給學(xué)生植入一個創(chuàng)新基因，具體表現(xiàn)為學(xué)生對這個世界應(yīng)該始終保有好奇心與問題意識，在這種意識引領(lǐng)下進而提升實踐能力與創(chuàng)造力。

一級課程的實施分兩個學(xué)期，第一個學(xué)期是學(xué)習(xí)創(chuàng)新技法。首先，教師會設(shè)計很多創(chuàng)新技法訓(xùn)練，讓學(xué)生先掌握一些常見、常用的創(chuàng)新技法，例如組合發(fā)明法、仿生思考法等等。學(xué)生了解創(chuàng)新技法的原理與方法以后，教師會設(shè)計具體的情境案例，讓學(xué)生用這些技法解決現(xiàn)實生活中的具體問題。學(xué)生們在課堂上也會針對這些問題產(chǎn)生多種多樣的創(chuàng)意想法，這個過程就是在發(fā)展他們的創(chuàng)新思維，提升他們的創(chuàng)造力。

通過技法學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握一定的技術(shù)，同時讓創(chuàng)新思維獲得一定的發(fā)展后，就要進入第二個學(xué)期，開始對知識進行創(chuàng)新應(yīng)用。我們始終給學(xué)生灌輸一個思想，要思考如何把所學(xué)的知識融入生活去創(chuàng)造性地解決問題，而不是通過大量刷題去鞏固知識。我們始終鼓勵學(xué)生用知識去解決具體的問題時，一定要有創(chuàng)造性的想法。其實，我們的核心宗旨就是孩子的思維方式?jīng)]有定式，可以大膽去想。那么在課堂上，學(xué)生就會產(chǎn)生各種創(chuàng)意想法，做出各種創(chuàng)意設(shè)計方案。盡管這些想法或者方案往往過于理想化，是很粗獷而且不能夠?qū)嵤┑?，還需要進一步打磨。

于是，我們的下一步就是對學(xué)生的創(chuàng)意方案進行篩選。畢竟不是所有的學(xué)生都想成為、都能成為科學(xué)家，教師需要在課程中觀察學(xué)生慢慢顯露出來的天賦。了解學(xué)生的創(chuàng)意想法、創(chuàng)意設(shè)計方案就能看出他是否具有創(chuàng)新的潛力；記錄、判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)與思考軌跡能幫助我們挑選出一批學(xué)生進入二級課程——個性化選修課，接受我們的“0℃催化科技創(chuàng)新”。

所謂“0℃催化科技創(chuàng)新”是想為學(xué)生樹立信心，讓學(xué)生相信即便自己在科技創(chuàng)新方面“處于0℃結(jié)冰狀態(tài)”，也能通過引導(dǎo)、催化獲得十足的成長。我們始終秉持的觀念就是，只要學(xué)生感興趣、有想法、愿意參加，他就能在學(xué)校的科技創(chuàng)新課程中有所發(fā)明創(chuàng)造，甚至獲得專利成果。在課堂上，學(xué)生要向大家介紹自己的方案，并接受別人的“挑刺”。其實很多學(xué)生剛開始不理解，甚至有點難以接受。因為讓學(xué)生自己設(shè)計方案他可能覺得很難，但是讓他去找別人的問題，他可以把別人的設(shè)計方案批評得面目全非，但這對于被挑毛病的學(xué)生來說是很難受的。而我們一直告訴學(xué)生，被別人指出問題是最好的。為什么？因為一個腦袋往往難以思考周全，幾十個腦袋一起思考一個項目，那會得到一個很好的結(jié)果。

所以，我們的二級課程主要是進行方案的優(yōu)化和設(shè)計。通過多次論證、評估，催化作品成熟而后立項，帶領(lǐng)學(xué)生進入第三級課程——項目化實施的專修課程。學(xué)生需要根據(jù)自己的發(fā)明方案開展相應(yīng)的實驗研究，通過大量的實驗的論證并獲取相關(guān)的裝置和設(shè)備零部件的參數(shù)，比如“電機要有多大的功率”“節(jié)能面積有多大”。當(dāng)方案、參數(shù)確定以后，學(xué)校未來科學(xué)家活動中心的智能造物空間可以立馬按照方案進行加工，讓學(xué)生創(chuàng)新思維成果產(chǎn)物化。

中心的機器設(shè)備包括人工智能設(shè)備、無人機、3D打印機、激光切割機、車床等，在學(xué)生創(chuàng)造出產(chǎn)品后能立馬進行性能測試，達到要求以后申請專利。經(jīng)過項目化實施的專修課程，學(xué)生接受了從創(chuàng)意想法到設(shè)計方案到產(chǎn)品制作再到專利申請的全流程的鍛煉，所以我們把活動中心取名為“未來科學(xué)家活動中心”，希望為學(xué)生未來成為科學(xué)家奠定堅實的基礎(chǔ)。

漫科學(xué)：基于您這些年的教學(xué)經(jīng)驗，那些經(jīng)過了一系列的課程與實踐鍛煉的學(xué)生在哪些方面有非常明顯的變化與成長？

陳水章：我們剛開始開展科創(chuàng)教育的時候，有一部分家長也會擔(dān)憂，覺得會占用孩子的時間，怕影響孩子的中考成績，畢竟每個學(xué)生最終還是要通過中考、高考的關(guān)卡才能升學(xué)。但是，首先目前長沙市的高中招生有科技特長生招生，很多學(xué)生憑借著創(chuàng)新成果進入了他們理想的高中，這說明國家始終在大力支持學(xué)生發(fā)展科創(chuàng)方面的能力。

其次，我們開展的項目式研究，其實是學(xué)生理解、掌握和應(yīng)用理論知識的最佳途徑，一定會比刷題更有效。舉個例子，初中生物學(xué)有一個知識點是人體肺部與外界進行氣體交換，教師在課堂上設(shè)定了一個情景“汽車意外落水后，車內(nèi)的人應(yīng)怎么樣保證生命安全？”隨后，教師就開始引領(lǐng)學(xué)生沿著開展調(diào)查、定義需求、確定研究的基本思路進行探索。學(xué)生在設(shè)計、制作裝置之前，一定要清楚自己要解決什么問題，然后再開展實驗論證。這個項目中，教師跟學(xué)生一起運用了物理、體育、生物、數(shù)學(xué)、人工智能技術(shù)等學(xué)科知識，共同打造了一個裝置，在性能測試達到預(yù)期效果以后，學(xué)生著手整理研究過程中的所有材料。這個材料梳理過程一定要由學(xué)生親自完成，因為前面的研究都是學(xué)生零散的、碎片化的感性認知，只有通過對這個過程的整理歸納，他的實踐認知才能轉(zhuǎn)化為一個整體的、系列的理性認知，學(xué)生也能在這個過程中完成知識的積累與深化。

事實上，這種練習(xí)思路與當(dāng)前中高考的命題趨勢也是相吻合的。眾所周知，當(dāng)前我國高考有一個命題要求“無情境不命題”。基于真實的情境的命題考察什么，是考察學(xué)生用所學(xué)的知識在特定情境中解決問題的能力，而我們的項目式研究其實就是幫學(xué)生把低階思維轉(zhuǎn)化為高階思維，他看到考試題目的時候，能理解題目的底層邏輯，他就更有自信心了。

最后，實施科創(chuàng)項目其實也是助力“雙減”的有效途徑?，F(xiàn)在很多學(xué)生作業(yè)負擔(dān)減少了，參加校外培訓(xùn)機構(gòu)的課時也減少了，那么他們大部分的時間在干什么？在玩手機。而我們要把學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到創(chuàng)新實踐的漁場里來，我們的學(xué)生經(jīng)常在雙休日或寒暑假來活動中心待一天，始終在沉浸式的體驗中創(chuàng)新發(fā)明。如果他們一天能有一點小進步、解決一個小問題，他們就會獲得偌大的喜悅。

漫科學(xué)：您認為當(dāng)前處在基礎(chǔ)教育階段的孩子應(yīng)該接受哪些方面的科創(chuàng)引導(dǎo)和幫助，也就是未來的科學(xué)教育最應(yīng)朝哪個方向發(fā)力？

陳水章：目前我們也提出一種觀念叫作“新時代的科學(xué)教育”，我也一直在思考目前的新時代科學(xué)教育有哪些特質(zhì)。我認為，第一，教師在設(shè)計課程時要敢于打破學(xué)科界限，要不斷思考通過怎樣的項目、怎樣的平臺能把各學(xué)科的基礎(chǔ)知識、實踐應(yīng)用都像打太極一樣融合起來。

第二，現(xiàn)在的科學(xué)教育一定要有實踐創(chuàng)新的平臺，就是一定要讓學(xué)生自己動手操作，突破當(dāng)前這種為了做題而學(xué)習(xí)的瓶頸。比如我們的未來科學(xué)家活動中心，截至目前已經(jīng)投入了300多萬元用于購買設(shè)備裝備，活動中心的人工智能單片機、無人機以及各種數(shù)控現(xiàn)代化設(shè)備都是為了讓學(xué)生在理解原理的基礎(chǔ)上也能自己動手做。

第三，一定要讓學(xué)生聯(lián)系生活實際去創(chuàng)新創(chuàng)造。在學(xué)校中能觀察到現(xiàn)在有些學(xué)生很厭學(xué)，他感覺天天坐在教室里聽課，學(xué)到的東西與生活脫節(jié)了，無處施展。所以我們現(xiàn)在選擇的科創(chuàng)教學(xué)路徑就是項目化實施，一定要讓學(xué)生結(jié)合生活去創(chuàng)新創(chuàng)造。

第四，我們目前的科創(chuàng)課程要適應(yīng)當(dāng)前社會的發(fā)展，一定是智能化的，要讓學(xué)生能夠接觸到智能化的操作工具。比如，用激光切割一臺小車，學(xué)生需要先通過3D建模，建模以后使用激光切割機切割，切割出來的小車的零部件拼裝不能用膠，就要使切割出來的零部件具備卯榫結(jié)構(gòu)。然后，要讓這個小車承載一個300碼的砝碼在斜坡上滑下來跑直線，確保它能跑得又直又遠。而在這個過程中，學(xué)生要學(xué)會使用最先進、高端的加工工具，我們的目的是要讓學(xué)生知道，如果他今后成為一個研發(fā)人員，他用什么方式、什么工具能夠以最低的成本、最高的效率順利完成他的發(fā)明，收獲他想要的效果。

漫科學(xué)：根據(jù)您的觀察，初高中階段接受的科創(chuàng)教育會如何影響學(xué)生未來的職業(yè)選擇？

陳水章：首先，學(xué)生的職業(yè)取向會發(fā)生改變。很大一部分學(xué)生接受了這種項目式的科創(chuàng)教育，被激發(fā)了興趣后在規(guī)劃自己的職業(yè)方向上有了更大的選擇空間。其次，我們還有知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)課程，就知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)容比如著作權(quán)、商標權(quán)、專利權(quán)來和學(xué)生交流他們未來的職業(yè)生涯規(guī)劃。

我們會問學(xué)生很多相關(guān)問題，比如2035年你是什么樣的？你會為自己未來的企業(yè)設(shè)計什么樣的LOGO？你的產(chǎn)品會有什么樣的文化形象？我們想給他們今后的職業(yè)選擇埋下一顆種子，他們可以慢慢地規(guī)劃自己的人生，但作為學(xué)校、老師，要給他們相應(yīng)的鏈接。我們把企業(yè)、科研院所的資源引進來，讓學(xué)生可以到企業(yè)、科研院所去實地考察、去動手實踐。有了這些具有導(dǎo)向性的鏈接，學(xué)生可能會更知道自己到底喜歡什么、自己能做什么，這也能讓他們在未來面臨職業(yè)選擇的時候更有底氣。