“未來科學家”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創(chuàng)新教育理念和教學主張，也為長郡芙蓉中學的特色科創(chuàng)教育錨定了前進的方向。在陳水章牽頭創(chuàng)立的“漁場”式“未來科學家活動中心”里，學生們有興趣、生想法、勤動手、見成果，真正被植入了創(chuàng)新基因，播下了科學家的種子。

陳水章，中共黨員，高級教師，國家級高級科技輔導員，長沙市中小學科技創(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。他親自參與或指導師生完成的作品獲各級獎項300余項，指導師生申報并獲得專利100余件。

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

陳水章：我們一直提倡的“漁場”就是為學生打造一個可以自主學習、合作探究、創(chuàng)新實踐的平臺。在這個平臺里，我們期待學生能養(yǎng)成一種科學創(chuàng)新的行為模式，即通過教師的引領(lǐng)、策劃和組織，學生能完成自主學習任務(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”，一個能讓學生將想法變成現(xiàn)實的科學教育平臺。

漫科學：那在這個“漁場”式的未來科學家活動中心里，學生們接受了怎樣的訓練呢？

陳水章：首先是課程引領(lǐng)。目前，學校已經(jīng)把科學創(chuàng)新課程規(guī)劃成了由普到專的三級課程，同時配套由學校教師自行編寫、湖南科學技術(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)進入初一年級學生的課表，每班每周有一節(jié)，所有的學生都要接受一年的科學訓練，讓科技創(chuàng)新成為學生的基礎(chǔ)技能。其實，將其設(shè)為常規(guī)課程是為了實現(xiàn)學校的育人目標，長郡芙蓉中學的育人目標是育有創(chuàng)新基因的中國少年。我們希望給學生植入一個創(chuàng)新基因，具體表現(xiàn)為學生對這個世界應(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期，第一個學期是學習創(chuàng)新技法。首先，教師會設(shè)計很多創(chuàng)新技法訓練，讓學生先掌握一些常見、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，讓學生用這些技法解決現(xiàn)實生活中的具體問題。學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。

通過技法學習，學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，就要進入第二個學期，開始對知識進行創(chuàng)新應(yīng)用。我們始終給學生灌輸一個思想，要思考如何把所學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┑模€需要進一步打磨。

于是，我們的下一步就是對學生的創(chuàng)意方案進行篩選。畢竟不是所有的學生都想成為、都能成為科學家，教師需要在課程中觀察學生慢慢顯露出來的天賦。了解學生的創(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、判斷學生的學習與思考軌跡能幫助我們挑選出一批學生進入二級課程——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”是想為學生樹立信心，讓學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、催化獲得十足的成長。我們始終秉持的觀念就是，只要學生感興趣、有想法、愿意參加，他就能在學校的科技創(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”。其實很多學生剛開始不理解，甚至有點難以接受。因為讓學生自己設(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生來說是很難受的。而我們一直告訴學生，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)學生進入第三級課程——項目化實施的專修課程。學生需要根據(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”。當方案、參數(shù)確定以后，學校未來科學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“未來科學家活動中心”，希望為學生未來成為科學家奠定堅實的基礎(chǔ)。

漫科學：基于您這些年的教學經(jīng)驗，那些經(jīng)過了一系列的課程與實踐鍛煉的學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，畢竟每個學生最終還是要通過中考、高考的關(guān)卡才能升學。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，教師跟學生一起運用了物理、體育、生物、數(shù)學、人工智能技術(shù)等學科知識，共同打造了一個裝置，在性能測試達到預期效果以后，學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生親自完成，因為前面的研究都是學生零散的、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，這種練習思路與當前中高考的命題趨勢也是相吻合的。眾所周知，當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，是考察學生用所學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。現(xiàn)在很多學生作業(yè)負擔減少了，參加校外培訓機構(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。而我們要把學生的注意力轉(zhuǎn)移到創(chuàng)新實踐的漁場里來，我們的學生經(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：您認為當前處在基礎(chǔ)教育階段的孩子應(yīng)該接受哪些方面的科創(chuàng)引導和幫助，也就是未來的科學教育最應(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“新時代的科學教育”，我也一直在思考目前的新時代科學教育有哪些特質(zhì)。我認為，第一，教師在設(shè)計課程時要敢于打破學科界限，要不斷思考通過怎樣的項目、怎樣的平臺能把各學科的基礎(chǔ)知識、實踐應(yīng)用都像打太極一樣融合起來。

第二，現(xiàn)在的科學教育一定要有實踐創(chuàng)新的平臺，就是一定要讓學生自己動手操作，突破當前這種為了做題而學習的瓶頸。比如我們的未來科學家活動中心，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。

第三，一定要讓學生聯(lián)系生活實際去創(chuàng)新創(chuàng)造。在學校中能觀察到現(xiàn)在有些學生很厭學，他感覺天天坐在教室里聽課，學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)教學路徑就是項目化實施，一定要讓學生結(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)當前社會的發(fā)展，一定是智能化的，要讓學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，學生要學會使用最先進、高端的加工工具，我們的目的是要讓學生知道，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：根據(jù)您的觀察，初高中階段接受的科創(chuàng)教育會如何影響學生未來的職業(yè)選擇？

陳水章：首先，學生的職業(yè)取向會發(fā)生改變。很大一部分學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)來和學生交流他們未來的職業(yè)生涯規(guī)劃。

我們會問學生很多相關(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。有了這些具有導向性的鏈接，學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。