建造太空农场

随着人工智能时代的到来，培养能解决复杂问题的跨学科创新人才已成为各国共识。跨学科项目式学习，是基于真实项目的情境问题开展跨多个学科领域的探究实践活动。学生在自主探究及与同伴合作中完成项目挑战，有效提高批判性思维、创造性解决问题、沟通合作与表达等能力，这将为学生未来发展与提升国家竞争力奠定基础。

在跨学科项目式课程开发中有两个难点。一是“真”，即设计真实有效的情境与问题，促进真实有效的思维与实践。二是“跨”，与学科学习有机结合，跨学科解决问题。本项目通过航天真实情境促进有效学习，通过项目结构化设计与学科相结合促进跨学科学习，尝试解决跨学科项目式课程开发中的两个难点，以期为跨学科项目式课程开发提供借鉴，为跨学科创新后备人才培养助力。

项目背景

为什么选择航天主题

航天是跨多个学科的高科技领域，太空探索涉及到物质科学、生命科学、地球宇宙、技术工程等多个学科，是开展跨学科项目式学习的良好载体。

为什么选择太空农场

“中国航天将分步建设月球科研站，靠地球远程供应食物成本很高，如何通过建设太空农场实现吃的自由？”太空农场有其真实的航天情境背景，有利于激发学生对太空探索的兴趣。学生围绕太空农场设计和建设过程中的真实问题，开展项目实践，深入理解学科与跨学科概念，综合应用知识技能设计方案、实施方案、得出结论、展示分享。同时，太空农场项目涉及诸多人类尚待突破的科技前沿领域，有助于学生了解航天技术的应用会如何改善人们的生活、服务社会的发展，有助于树立学生通过技术创新解决问题、造福社会的理想与价值观。

太空农场项目简介

通过跨学科项目式学习，引导学生分小组成立太空农场公司，参与太空农场方案征集项目竞标。通过角色分工、沟通协作、背景研究、头脑风暴，运用科学、技术、工程、设计、数学等学科知识，提出解决方案，制作相应模型，并将项目成果有条有理地展现出来。完成太空农场关键问题研究、太空农场方案设计、未来太空农场原型搭建、自动灌溉系统设计、植物光照调节系统设计、太空农场项目PPT 展示答辩6 个挑战任务。

项目设计

对应新课标要求，确定跨学科主题

太空农场跨学科主题设计包括大主题和子主题。以工程思维为经线，设计整个项目的大主题，将真实情境与工程实践贯穿其中，引导学生探究太空农场是什么、为什么要建太空农场，以及如何建太空农场。以科学思维为纬线，设计项目的子主题，结合学生所在学段的课标要求设计具体的子主题，将学科实践有机融入，如绘制太空农场生态循环原理、太空农场植物选择矩阵，设计太空农场自动灌溉系统等。表1 为项目与相关学科课程标准、核心素养的关联。

明确挑战性目标，结构化项目环节

以目标为导向的项目结构化设计是跨学科项目式课程开发的关键。结合项目自身特点确定学生通过本项目学习能够提升的核心素养目标，包括科学观念目标、科学思维目标、探究实践目标和态度责任目标。进而以核心素养目标为导向，结构化设计各个项目环节，产出过程性成果和结构性成果。以目标为导向的项目结构化设计保证了课程设计的科学性和逻辑性（表2）。

资源开发与利用，完善阶段性成果

利用多途径开发教学资源，提高项目式课程专业性。太空农场跨学科项目式课程开发中涉及多个学科领域，包括植物学、动物学、微生物学，还涉及到生态环境工程、自动化技术等技术工程，为保证课程设计的专业性，在课程开发过程中查阅了与航天相关的网络资料和书籍文献，如美国航空航天局（NASA）、中国载人航天工程官方网站及《太空基地受控生态生命保障系统理论设计》等。

制作学习支架工具，完善阶段性成果。任务单是重要的学习支架工具和过程性评价工具，在太空农场项目中，我们开发制作了“太空农场栽培植物选择”“太空农场选址任务”“太空农场方案设计”等10 项任务单，帮助学生有效开展项目式探究学习，完成探究任务，产出阶段性探究成果。

项目实践

跨学科项目式学习是持续探究的过程，项目的实施与反馈能帮助教师完善与迭代课程。太空农场项目式课程分别于2022 年暑期和秋季在人大附中丰台校区9 年级实施2 次。学生为自己的太空探索小组起名为“北平制造”“太空花朵”“养殖大亨”“自然选择”“常乐公司”“永驻者”等，以建设太空农场为背景，体验科学探究与工程实践的完整闭环。以“常乐公司”为代表的小组，遵循“节约成本、保障供给、可持续发展”的设计理念，将蚁穴的概念引入太空农场植物舱设计中，很好体现了创新思维及利用各学科知识解决复杂问题的能力。

在科学探究中，各个小组的小科学家们解决太空农场建设过程中的关键问题，如运用生物圈原理设计太空农场方案，利用决策矩阵工具解决太空农场植物选择问题，分析月球表面环境条件解决太空农场选址问题等，锻炼了科学思维、使用数学工具解决问题的能力。

在工程实践中，各个小组的小工程师们利用身边的材料制作太空农场模型，设计太空农场自动灌溉、光照系统，锻炼了工程设计思维、搭建模型能力和观察分析能力，培养学生利用所学知识在有限的资源条件下，识别问题、分析问题、沟通合作、最终解决问题的能力。

项目特色

跨学科项目式学习培养学生解决复杂问题的能力

航天主题项目跨多个学科，太空农场项目是众多航天主题项目之一，涉及生物、物理、化学、数学、劳动等学科知识与学科实践，体现了对学生综合实践、团队合作、沟通表达、项目管理、运用学科知识解决实际问题等核心素养的培养。

以真实情境开启科学思维与工程思维培养

真实的情境问题是开启思维的钥匙，思维培养是科学教育与工程教育的核心。太空农场项目以建设月球科研站为真实情境，学生在将来很有可能参与其中，激发学生的探究兴趣和参与热情。在太空农场项目中，以解决设计与建设太空农场问题为挑战目标，科学思维与工程思维培养贯穿始终。

使用建议

本项目针对具有科学探究与工程实践基础的小学高年级和初中学生设计开发。在使用过程中，可针对不同学段学生设定不同的项目目标。项目强调跨项目式学习与学科相结合，通过创设航天情境，合作探究太空农场建设中可能会遇到的实际问题，引导学生在解决太空农场选址、植物选择、功能设计、自动灌溉、绘制知识图谱等问题中，帮助学生理解相关学科与跨学科概念，提高创新能力和创造性解决问题能力。

专家点评

该案例是比较典型的模拟真实工程项目的项目学习，项目主题具有重大意义，挑战性任务非常能够激发中学生持久探究与实践的兴趣，以“整体设计和局部探究实践”相结合的方式，学生可以充分体验工程设计过程。该案例依据科学课程标准对学习目标进行了具体化设计，阶段性学习成果丰富。5 个子任务承载着不同的学习目标达成，大多数学习任务就是评价任务，实施中可以看到学生产生了很多过程性成果，作为终结性评价的证据，与其他评价任务中的学习表现相结合，使得师生都能够清楚地看到和判断学生在学习过程中是否达到目标和如何达到目标的。最具特色的亮点是将工程思维贯穿了整体方案的系统设计和局部子系统的设计，用工程设计流程递进式完成挑战性任务，学生经历了多个关键环节，在方案设计中提炼科学问题，对相关科学原理和问题进行了分析与探究，探究结论可用于指导问题解决。

太空农场的方案设计，是一个大系统的复杂任务，最终学习结果是一个整体方案，需要考虑的要素多，要素之间的关系比较复杂，应引导学生尽量认识接近真实的设计想法，建立系统观。此外，搭建灌溉系统和光照系统这两个局部模型，测试而来的数据和结论，能否支持整体方案设计的设想，是案例优化时需要考虑的。再者，如果有评价方案设计与实施，更能比较好地体现该案例对于学生核心素养发展的价值。