科研資源科普化 | 航天科技賦能教育——生命科學(xué)STEAM課程的轉(zhuǎn)化路徑探索

《全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》提出實施“科技資源科普化工程”，是落實習(xí)近平總書記“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置”重要論述的戰(zhàn)略性舉措。本期專題整理了航天、生命、海洋等學(xué)科科研機(jī)構(gòu)在科普、研學(xué)、構(gòu)建課程體系等方面的實踐與探索，以期集合全社會力量，共同做好科學(xué)教育加法。

文_劉　聰1　張亞璽2　徐　敏3　鄧玉林2*

（1. 北京理工亙天科技有限公司；2. 北京理工大學(xué)；3. 北京理工亙舒科技有限公司；*通訊作者）

摘要：本文以北京理工大學(xué)及其科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的課程體系為例，系統(tǒng)闡述了航天生命科學(xué)教育資源向中小學(xué)課程的轉(zhuǎn)化路徑。研究創(chuàng)新性地提出了“以真實科研問題為導(dǎo)引、核心技術(shù)情境化體驗、分層教學(xué)設(shè)計”三位一體的課程研發(fā)理念，并構(gòu)建了覆蓋微流控芯片、新藥研發(fā)與生物傳感三大方向的系列課程。實踐表明，該體系通過研學(xué)營、場館課程與競賽的多元實施路徑，有效激發(fā)了青少年的科學(xué)興趣，培養(yǎng)了跨學(xué)科創(chuàng)新與實踐能力，為我國前沿科技資源的科普化與教育轉(zhuǎn)化提供了可復(fù)制、可推廣的成功范式。

關(guān)鍵詞：航天生命科學(xué)　STEAM課程　課程開發(fā)　科學(xué)教育　轉(zhuǎn)化路徑

前言

國家的科技創(chuàng)新體系猶如一座金字塔，塔尖的頂尖科學(xué)家與工程師離不開底部堅實而廣泛的創(chuàng)新型人才基礎(chǔ)。若缺乏對青少年科學(xué)興趣的系統(tǒng)培養(yǎng)，未來高等教育中理工科生源將面臨萎縮風(fēng)險，人才強(qiáng)國戰(zhàn)略也將失去根基?！督逃龔?qiáng)國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）》指出，應(yīng)“加強(qiáng)科學(xué)教育，強(qiáng)化核心素養(yǎng)培育”“完善拔尖創(chuàng)新人才發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)機(jī)制”“著力加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)”。教育部辦公廳印發(fā)的《中小學(xué)科學(xué)教育工作指南》也明確要求“支持有興趣的學(xué)生長期開展探究實踐活動和項目專題研究”“強(qiáng)化基于真實情境的學(xué)段教學(xué)內(nèi)容設(shè)計”。這些政策為在中小學(xué)階段加強(qiáng)科學(xué)教育、推進(jìn)跨學(xué)科課程建設(shè)提供了明確的指引與制度保障。

航天主題對青少年具有獨特的吸引力，能夠有效激發(fā)他們對宇宙探索的熱情與對科學(xué)事業(yè)的向往。航天生命科學(xué)作為典型的交叉學(xué)科，融合了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)及信息科學(xué)等多個領(lǐng)域[1-2]。學(xué)習(xí)航天生命科學(xué)知識，有助于學(xué)生打破傳統(tǒng)學(xué)科界限，構(gòu)建系統(tǒng)化的知識體系，提升綜合解決問題的能力。同時，航天生命科學(xué)的科普化傳播能夠拉近公眾與尖端科技的距離，增強(qiáng)社會對航天事業(yè)的理解與認(rèn)同，為培養(yǎng)未來科技領(lǐng)軍人才播下種子。

然而，航天生命科學(xué)本身具有跨學(xué)科復(fù)合性強(qiáng)、技術(shù)門檻高等特點，導(dǎo)致其課程體系開發(fā)面臨較高難度。目前，國內(nèi)尚未形成系統(tǒng)完整、易于推廣的航天生命科學(xué)STEAM課程體系，尤其缺乏具有代表性、可復(fù)制的教學(xué)案例，致使該領(lǐng)域內(nèi)容在基礎(chǔ)教育階段難以有效推廣與落地實施[3-4]。鑒于此，本文旨在填補(bǔ)航天生命科學(xué)在基礎(chǔ)教育階段系統(tǒng)化STEAM課程的空白，研發(fā)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律、融合多學(xué)科知識與真實科研情境的課程體系，并總結(jié)可行的實施路徑與教學(xué)模式，為我國中小學(xué)航天科技教育的創(chuàng)新發(fā)展提供可借鑒的實踐范式。

航天生命科學(xué)與STEAM課程

航天生命科學(xué)是研究生命體在空間特殊環(huán)境下（如微重力、強(qiáng)輻射、極端溫度、密閉隔離等）的響應(yīng)規(guī)律與適應(yīng)機(jī)制，并利用該環(huán)境推動生命科學(xué)研究、保障航天員健康、支持地外生存的前沿交叉學(xué)科[5]。其研究范疇可歸納為3個核心方向：生命在空間環(huán)境下的響應(yīng)與機(jī)制、空間生命保障技術(shù)與系統(tǒng)，以及空間環(huán)境生物技術(shù)應(yīng)用。航天生命科學(xué)的發(fā)展高度依賴先進(jìn)的技術(shù)平臺，其技術(shù)體系正朝著微型化、自動化、智能化與高信息維度的方向演進(jìn)，主要體現(xiàn)在4個關(guān)鍵領(lǐng)域：空間實驗室的“芯片實驗室”技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)載荷技術(shù)、人工智能與生物醫(yī)學(xué)載荷的深度融合，以及生物傳感技術(shù)。

如何設(shè)計航天生命科學(xué)STEAM課程？關(guān)鍵在于將前沿科研內(nèi)容轉(zhuǎn)化為契合學(xué)生認(rèn)知水平與興趣的教學(xué)內(nèi)容。其核心路徑是從航天生命科學(xué)領(lǐng)域中，提煉出既反映真實科研挑戰(zhàn)、又能與中小學(xué)知識體系相銜接的科學(xué)問題。

例如，“如何在空間站中實現(xiàn)微生物的快速檢測？”“如何利用空間環(huán)境篩選與研發(fā)新型藥物？”“如何對空間環(huán)境下的生物功能與損傷進(jìn)行可視化監(jiān)測？”等議題，均源自我國空間站任務(wù)中的實際需求。這些問題所涉及的遺傳物質(zhì)、微生物結(jié)構(gòu)、電磁波及物質(zhì)分離等核心概念，與中學(xué)生物、物理、化學(xué)課程內(nèi)容高度對應(yīng)。同時，它們也與日常生活中常見的健康、藥物、環(huán)境輻射等主題緊密關(guān)聯(lián)，易于激發(fā)學(xué)生的共鳴與探究動機(jī)。

通過將此類高水平科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為可操作、可探究的教學(xué)項目，課程能夠在基礎(chǔ)教育與前沿科技之間建立有機(jī)橋梁，不僅幫助學(xué)生鞏固學(xué)科知識，更引導(dǎo)其體驗完整的科研流程，從而有效激發(fā)其對航天生命科學(xué)的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維與創(chuàng)新實踐能力。

航天生命科學(xué)STEAM課程的研發(fā)理念與路徑

航天生命科學(xué)STEAM課程的開發(fā)，堅持以真實科研問題為引領(lǐng)，聚焦航天任務(wù)中面臨的生物科學(xué)挑戰(zhàn)，從中提煉出與中小學(xué)科學(xué)課程緊密銜接的核心探究課題。例如，“如何在空間站中檢測微生物”這一實際問題，恰與中學(xué)生物課程中的“PCR微生物檢測”知識點高度契合，能夠讓學(xué)生將課堂所學(xué)與前沿科技應(yīng)用直接關(guān)聯(lián)。

01

以真實的科研問題為導(dǎo)引，重塑科學(xué)學(xué)習(xí)路徑

課程研發(fā)理念的核心在于引導(dǎo)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”。傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)往往從定理與公式出發(fā)，容易脫離實際應(yīng)用場景；而以真實問題為導(dǎo)向，則將學(xué)習(xí)過程“反轉(zhuǎn)”，讓學(xué)生首先直面尚未解決的開放性挑戰(zhàn)。這種方式能迅速激發(fā)學(xué)生的好奇心與使命感，使其認(rèn)識到所學(xué)知識并非孤立的理論，而是解決人類航天探索中關(guān)鍵問題的工具。在明確學(xué)習(xí)價值的基礎(chǔ)上，學(xué)生將系統(tǒng)經(jīng)歷“提出問題—建立假設(shè)—設(shè)計實驗—分析數(shù)據(jù)—得出結(jié)論”的完整科研流程，從而在掌握知識的同時，構(gòu)建科學(xué)的思維范式，培養(yǎng)主動探究的能力。

02

注重核心技術(shù)的情景化體驗，推動“做中學(xué)”

航天科技具有一定的認(rèn)知門檻，其核心原理與設(shè)備往往難以直接接觸。課程通過模擬、建模與動手制作等方式，將抽象復(fù)雜的技術(shù)轉(zhuǎn)化為學(xué)生可感知、可操作的情境化任務(wù)，強(qiáng)調(diào)在實踐體驗中構(gòu)建系統(tǒng)化認(rèn)知。例如，使用安全無毒的果凍粉替代專業(yè)有機(jī)硅材料制作微流控芯片，或以粉筆末模擬硅膠粉完成天然產(chǎn)物分離實驗，讓學(xué)生在簡化而真實的模擬中理解技術(shù)本質(zhì)。此外，課程還引入人工智能技術(shù)，將復(fù)雜的實驗流程開發(fā)為可交互的模擬程序，如構(gòu)建“天然產(chǎn)物分離”虛擬實驗游戲，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性與沉浸感。

03

采用分層教學(xué)設(shè)計，兼顧普及性與專業(yè)性

航天生命科學(xué)課程面向廣泛學(xué)段，從對太空充滿興趣的小學(xué)生，到具備一定學(xué)科基礎(chǔ)、有志于深入探索的高中生。為適應(yīng)不同學(xué)生的認(rèn)知水平與發(fā)展需求，課程采用分層教學(xué)設(shè)計，確保每一位學(xué)習(xí)者都能在適合的認(rèn)知臺階上獲得成長。針對低年級學(xué)生，課程以趣味活動為主，如“設(shè)計制作飛行器”，通過紙鳶折疊、創(chuàng)意拼貼等形式，激發(fā)興趣并鍛煉基礎(chǔ)動手能力；而高年級學(xué)生，則設(shè)置如“航天生物芯片設(shè)計與制作”等綜合項目，要求其融合運用科學(xué)研究、數(shù)學(xué)建模與工程優(yōu)化等高階能力，完成從概念到實物的全流程開發(fā)。這一分層體系既保證了課程的廣泛參與度，也為有潛質(zhì)的學(xué)生提供了專業(yè)發(fā)展的階梯，支持其在跨學(xué)科整合中實現(xiàn)個性化成長。

課程研發(fā)典型案例

課程系列：航天生物芯片

科學(xué)問題：如何在空間站中實現(xiàn)微生物的快速檢測？

核心技術(shù)：微流控芯片技術(shù)

課程1. 果凍芯片制作與體驗

課程時長：1日

對應(yīng)學(xué)段：全學(xué)段（初階）

內(nèi)容簡介：使用果凍粉等安全材料制作簡易微流控芯片，直觀體驗該技術(shù)在航天生物檢測中的核心優(yōu)勢與應(yīng)用場景。

課程2. 航天生物芯片設(shè)計與制作

課程時長：5日

對應(yīng)學(xué)段：中學(xué)（高階）

內(nèi)容簡介：系統(tǒng)學(xué)習(xí)微流控與PCR技術(shù)原理，運用專業(yè)軟件自主設(shè)計微生物檢測芯片，并采用激光雕刻等工藝完成芯片的加工、測試與迭代優(yōu)化。

課程系列：航天新藥研發(fā)

科學(xué)問題：如何利用空間環(huán)境篩選與研發(fā)新型藥物？

核心技術(shù)：虛擬仿真與色譜分離技術(shù)

課程3. 植物色素分離技術(shù)與體驗

課程時長：1日

對應(yīng)學(xué)段：全學(xué)段（初階）

內(nèi)容簡介：通過虛擬仿真軟件與模擬實驗，學(xué)習(xí)并體驗天然產(chǎn)物分離的基本技術(shù)，了解科學(xué)家的研究思路與流程。

課程4. 青蒿素分離與太空新藥研發(fā)

課程時長：5日

對應(yīng)學(xué)段：中學(xué)（高階）

內(nèi)容簡介：親手體驗通過色譜法分離青蒿素的實驗過程，重演諾貝爾獎級的科研歷程；結(jié)合太空藥物篩選的科學(xué)前沿，利用虛擬仿真技術(shù)深入探究新藥研發(fā)全過程。

課程系列：航天生物傳感

科學(xué)問題：如何對空間環(huán)境下的生物功能與損傷進(jìn)行可視化監(jiān)測？

核心技術(shù)：熒光探針與智慧傳感技術(shù)

課程5. 神奇的發(fā)光細(xì)菌

課程時長：1日

對應(yīng)學(xué)段：全學(xué)段（初階）

內(nèi)容簡介：利用發(fā)光細(xì)菌作為活體傳感器，進(jìn)行水質(zhì)與輻射檢測的模擬實驗，親身感受空間站中生物監(jiān)測技術(shù)的原理與魅力。

課程6. 太空輻射檢測與防護(hù)

課程時長：5日

對應(yīng)學(xué)段：中學(xué)（高階）

內(nèi)容簡介：綜合運用發(fā)光細(xì)菌、熒光探針等生物傳感技術(shù)，自主設(shè)計并搭建一套可用于太空環(huán)境的輻射損傷檢測實驗裝置。

課程實施推廣與成效分析

在課程研發(fā)基礎(chǔ)上，項目通過多元路徑推廣實施，并取得顯著成效，具體體現(xiàn)在以下3種模式。

01

校內(nèi)研學(xué)營：普及與深化并舉

由北京理工大學(xué)與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的航天生命科學(xué)STEAM課程，在推廣初期，以“1日科普研學(xué)營”形式迅速打開局面。自2024年12月至2025年8月，課程先后接待了來自北京市多所中學(xué)，以及保定市的親子家庭和全國多地的小學(xué)生團(tuán)體，累計參與人數(shù)超過300人次。其中，“果凍芯片制作與體驗”1日營尤為成功，學(xué)員在親手制作芯片的過程中，不僅直觀理解了微流控技術(shù)如何精準(zhǔn)服務(wù)于航天生物研究，更從“看似簡單卻暗含精密操作”的實驗中領(lǐng)悟到“細(xì)節(jié)決定成敗”的科研精神，實現(xiàn)了科普性與實踐性的完美融合。

學(xué)生測試自己設(shè)計和制作的航天生物芯片

在普及的基礎(chǔ)上，課程進(jìn)一步推出了高階研學(xué)項目，面向?qū)W有余力且興趣濃厚的學(xué)生開展深度研學(xué)。例如，“航天生物芯片設(shè)計與制作”與“青蒿素分離與太空新藥研發(fā)”等課程，已成功為香港宏信書院等學(xué)校提供了跨區(qū)域研學(xué)服務(wù)。在為期5天的“航天生物芯片設(shè)計與制作”研學(xué)營中，學(xué)生從認(rèn)識空間站微生物檢測這一真實需求出發(fā)，通過專用教具體驗微流控這一核心技術(shù)，學(xué)習(xí)使用設(shè)計軟件，自主構(gòu)思并繪制芯片結(jié)構(gòu)圖，再利用激光雕刻機(jī)加工出PMMA材質(zhì)的芯片實體，最終通過反復(fù)測試、優(yōu)化方案，完成項目答辯。這一過程讓學(xué)生實現(xiàn)了從“航天愛好者”到“初級芯片設(shè)計師”的跨越，結(jié)營答辯時，學(xué)員無不洋溢著完成挑戰(zhàn)的成就感與激動之情。

02

場館融合：實現(xiàn)課程常態(tài)化與規(guī)?；?/strong>

在課程體系初步驗證有效的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步拓展實施場景，推動課程從階段性研學(xué)活動向常態(tài)化教學(xué)轉(zhuǎn)變，項目創(chuàng)新性地采用了“場館融合”模式。該模式的核心在于將高校與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的航天生命科學(xué)STEAM課程，系統(tǒng)性地植入具備專業(yè)設(shè)施與場景氛圍的科普教育基地，從而實現(xiàn)課程在真實情境中的規(guī)模化推廣與深度融入。

本項目與獨家運營的獅山青少年科學(xué)創(chuàng)新實訓(xùn)中心、獅山航天科技體驗中心達(dá)成深度合作。該中心坐落于廣東佛山南海，是國內(nèi)首批集科研實驗、實景科普與互動體驗于一體的綜合性航天主題教育基地。

學(xué)生參觀航天主題科創(chuàng)實訓(xùn)中心

在場館融合模式中，初階課程如“果凍芯片制作與體驗”“神奇的發(fā)光細(xì)菌”等，被設(shè)計為半日或一日的標(biāo)準(zhǔn)化研學(xué)模塊，可靈活嵌入各地中小學(xué)生到中心的集體研學(xué)行程中。學(xué)生在研學(xué)過程中不再是被動的參觀者，而是化身為“太空實驗員”，在模擬航天科研場景中親手完成項目任務(wù)，實現(xiàn)從知識接收到實踐體驗的跨越。而高階課程如“航天生物芯片設(shè)計與制作”“太空輻射檢測與防護(hù)”等，則依托場館的先進(jìn)設(shè)備與專業(yè)環(huán)境，發(fā)展為深度研學(xué)營或校本選修課程。例如，當(dāng)?shù)刂行W(xué)校可將該課程納入課后服務(wù)體系，組織學(xué)生定期前往中心開展項目式學(xué)習(xí)，完成從芯片設(shè)計、加工到測試的全流程工程實踐。這種“走出去”到專業(yè)場館的學(xué)習(xí)形式，有效解決了中小學(xué)校在高端設(shè)備與專業(yè)環(huán)境方面的資源限制，使前沿科技實踐得以在基礎(chǔ)教育階段真實發(fā)生。

學(xué)生體驗航天模擬設(shè)備

場館融合模式的優(yōu)勢顯著：其一，它實現(xiàn)了課程實施的常態(tài)化，使航天STEAM教育不再局限于寒暑假或特殊活動，而成為可定期開展的教學(xué)組成部分；其二，它推動了課程覆蓋的規(guī)?；瑧{借場館的接待能力與輻射效應(yīng)，可同時服務(wù)來自全國不同地區(qū)的學(xué)生團(tuán)體；其三，它增強(qiáng)了學(xué)習(xí)體驗的場景化，讓學(xué)生在高度仿真的航天科研環(huán)境中建構(gòu)知識，極大提升了學(xué)習(xí)代入感與目標(biāo)認(rèn)同感。

03

賽事結(jié)合：從課程學(xué)習(xí)到創(chuàng)新輸出

航天事業(yè)的進(jìn)步離不開創(chuàng)新想法的匯聚。航天生命科學(xué)STEAM課程中的優(yōu)秀學(xué)生實踐作品正為航天生命科學(xué)研究提供源源不斷的靈感與雛形方案。國際空間科學(xué)與載荷大賽作為由北京理工大學(xué)、中國宇航學(xué)會、國際宇航科學(xué)院、亞太空間合作組織、中國航天基金會聯(lián)合多家權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)起的全球性賽事，為課程成果提供了高水平的展示平臺，課程中的杰出作品經(jīng)深化完善后，可直接參與此類國際競賽，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)成果得以在更高舞臺上接受檢驗，真正實現(xiàn)從知識學(xué)習(xí)到創(chuàng)新實踐的能力躍遷。

結(jié)束語

航天生命科學(xué)STEAM課程體系涵蓋微流控芯片、航天新藥研發(fā)與生物傳感三大技術(shù)方向，并適配全學(xué)段學(xué)生認(rèn)知水平。課程研發(fā)秉承三位一體的核心理念，有效破解了高科技資源教育轉(zhuǎn)化的核心難題。在實施層面，形成了校內(nèi)研學(xué)營普及、場館融合常態(tài)化、賽事結(jié)合促創(chuàng)新的多元路徑，構(gòu)建了從航天科研資源到科普教育實踐的有效轉(zhuǎn)化機(jī)制。實踐反饋表明，該課程體系顯著激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)興趣，系統(tǒng)培養(yǎng)了跨學(xué)科思維與創(chuàng)新實踐能力。

帶學(xué)生了解航天科技成果的轉(zhuǎn)化實例

展望未來，航天生命科學(xué)STEAM課程的深化與推廣應(yīng)聚焦三大方向：強(qiáng)化政企校協(xié)同育人網(wǎng)絡(luò)，整合多方資源；建立課程質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，保障教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性與規(guī)范性；構(gòu)建“教學(xué)—實踐—反饋”閉環(huán)評價體系，以數(shù)據(jù)驅(qū)動課程持續(xù)優(yōu)化，從而推動航天科普教育向規(guī)?；?、專業(yè)化、體系化邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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來源 | 《中國科技教育》2025-12

編輯 | 張雨晴

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