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

《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》提出實施“科技資源科普化工程”，是落實習近平總書記“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置”重要論述的戰略性舉措。本期專題整理了航天、生命、海洋等學科科研機構在科普、研學、構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；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及其科技成果轉化企業聯合開發的課程體系為例，系統闡述了航天生命科學教育資源向中小學課程的轉化路徑。研究創新性地提出了“以真實科研問題為導引、核心技術情境化體驗、分層教學設計”三位一體的課程研發理念，并構建了覆蓋微流控芯片、新藥研發與生物傳感三大方向的系列課程。實踐表明，該體系通過研學營、場館課程與競賽的多元實施路徑，有效激發了青少年的科學興趣，培養了跨學科創新與實踐能力，為我國前沿科技資源的科普化與教育轉化提供了可復制、可推廣的成功范式。

關鍵詞：航天生命科學　STEAM課程　課程開發　科學教育　轉化路徑

前言

國家的科技創新體系猶如一座金字塔，塔尖的頂尖科學家與工程師離不開底部堅實而廣泛的創新型人才基礎。若缺乏對青少年科學興趣的系統培養，未來高等教育中理工科生源將面臨萎縮風險，人才強國戰略也將失去根基。《教育強國建設規劃綱要（2024—2035年）》指出，應“加強科學教育，強化核心素養培育”“完善拔尖創新人才發現和培養機制”“著力加強創新能力培養”。教育部辦公廳印發的《中小學科學教育工作指南》也明確要求“支持有興趣的學生長期開展探究實踐活動和項目專題研究”“強化基于真實情境的學段教學內容設計”。這些政策為在中小學階段加強科學教育、推進跨學科課程建設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，能夠有效激發他們對宇宙探索的熱情與對科學事業的向往。航天生命科學作為典型的交叉學科，融合了生物學、醫學、工程學、物理學及信息科學等多個領域[1-2]。學習航天生命科學知識，有助于學生打破傳統學科界限，構建系統化的知識體系，提升綜合解決問題的能力。同時，航天生命科學的科普化傳播能夠拉近公眾與尖端科技的距離，增強社會對航天事業的理解與認同，為培養未來科技領軍人才播下種子。

然而，航天生命科學本身具有跨學科復合性強、技術門檻高等特點，導致其課程體系開發面臨較高難度。目前，國內尚未形成系統完整、易于推廣的航天生命科學STEAM課程體系，尤其缺乏具有代表性、可復制的教學案例，致使該領域內容在基礎教育階段難以有效推廣與落地實施[3-4]。鑒于此，本文旨在填補航天生命科學在基礎教育階段系統化STEAM課程的空白，研發符合學生認知發展規律、融合多學科知識與真實科研情境的課程體系，并總結可行的實施路徑與教學模式，為我國中小學航天科技教育的創新發展提供可借鑒的實踐范式。

航天生命科學與STEAM課程

航天生命科學是研究生命體在空間特殊環境下（如微重力、強輻射、極端溫度、密閉隔離等）的響應規律與適應機制，并利用該環境推動生命科學研究、保障航天員健康、支持地外生存的前沿交叉學科[5]。其研究范疇可歸納為3個核心方向：生命在空間環境下的響應與機制、空間生命保障技術與系統，以及空間環境生物技術應用。航天生命科學的發展高度依賴先進的技術平臺，其技術體系正朝著微型化、自動化、智能化與高信息維度的方向演進，主要體現在4個關鍵領域：空間實驗室的“芯片實驗室”技術、生物醫學載荷技術、人工智能與生物醫學載荷的深度融合，以及生物傳感技術。

如何設計航天生命科學STEAM課程？關鍵在于將前沿科研內容轉化為契合學生認知水平與興趣的教學內容。其核心路徑是從航天生命科學領域中，提煉出既反映真實科研挑戰、又能與中小學知識體系相銜接的科學問題。

例如，“如何在空間站中實現微生物的快速檢測？”“如何利用空間環境篩選與研發新型藥物？”“如何對空間環境下的生物功能與損傷進行可視化監測？”等議題，均源自我國空間站任務中的實際需求。這些問題所涉及的遺傳物質、微生物結構、電磁波及物質分離等核心概念，與中學生物、物理、化學課程內容高度對應。同時，它們也與日常生活中常見的健康、藥物、環境輻射等主題緊密關聯，易于激發學生的共鳴與探究動機。

通過將此類高水平科學問題轉化為可操作、可探究的教學項目，課程能夠在基礎教育與前沿科技之間建立有機橋梁，不僅幫助學生鞏固學科知識，更引導其體驗完整的科研流程，從而有效激發其對航天生命科學的興趣，培養科學思維與創新實踐能力。

航天生命科學STEAM課程的研發理念與路徑

航天生命科學STEAM課程的開發，堅持以真實科研問題為引領，聚焦航天任務中面臨的生物科學挑戰，從中提煉出與中小學科學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，恰與中學生物課程中的“PCR微生物檢測”知識點高度契合，能夠讓學生將課堂所學與前沿科技應用直接關聯。

01

以真實的科研問題為導引，重塑科學學習路徑

課程研發理念的核心在于引導學生“像科學家一樣思考”。傳統科學教學往往從定理與公式出發，容易脫離實際應用場景；而以真實問題為導向，則將學習過程“反轉”，讓學生首先直面尚未解決的開放性挑戰。這種方式能迅速激發學生的好奇心與使命感，使其認識到所學知識并非孤立的理論，而是解決人類航天探索中關鍵問題的工具。在明確學習價值的基礎上，學生將系統經歷“提出問題—建立假設—設計實驗—分析數據—得出結論”的完整科研流程，從而在掌握知識的同時，構建科學的思維范式，培養主動探究的能力。

02

注重核心技術的情景化體驗，推動“做中學”

航天科技具有一定的認知門檻，其核心原理與設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，將抽象復雜的技術轉化為學生可感知、可操作的情境化任務，強調在實踐體驗中構建系統化認知。例如，使用安全無毒的果凍粉替代專業有機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物分離實驗，讓學生在簡化而真實的模擬中理解技術本質。此外，課程還引入人工智能技術，將復雜的實驗流程開發為可交互的模擬程序，如構建“天然產物分離”虛擬實驗游戲，增強學習的趣味性與沉浸感。

03

采用分層教學設計，兼顧普及性與專業性

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

課程研發典型案例

課程系列：航天生物芯片

科學問題：如何在空間站中實現微生物的快速檢測？

核心技術：微流控芯片技術

課程1. 果凍芯片制作與體驗

課程時長：1日

對應學段：全學段（初階）

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

課程2. 航天生物芯片設計與制作

課程時長：5日

對應學段：中學（高階）

內容簡介：系統學習微流控與PCR技術原理，運用專業軟件自主設計微生物檢測芯片，并采用激光雕刻等工藝完成芯片的加工、測試與迭代優化。

課程系列：航天新藥研發

科學問題：如何利用空間環境篩選與研發新型藥物？

核心技術：虛擬仿真與色譜分離技術

課程3. 植物色素分離技術與體驗

課程時長：1日

對應學段：全學段（初階）

內容簡介：通過虛擬仿真軟件與模擬實驗，學習并體驗天然產物分離的基本技術，了解科學家的研究思路與流程。

課程4. 青蒿素分離與太空新藥研發

課程時長：5日

對應學段：中學（高階）

內容簡介：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；結合太空藥物篩選的科學前沿，利用虛擬仿真技術深入探究新藥研發全過程。

課程系列：航天生物傳感

科學問題：如何對空間環境下的生物功能與損傷進行可視化監測？

核心技術：熒光探針與智慧傳感技術

課程5. 神奇的發光細菌

課程時長：1日

對應學段：全學段（初階）

內容簡介：利用發光細菌作為活體傳感器，進行水質與輻射檢測的模擬實驗，親身感受空間站中生物監測技術的原理與魅力。

課程6. 太空輻射檢測與防護

課程時長：5日

對應學段：中學（高階）

內容簡介：綜合運用發光細菌、熒光探針等生物傳感技術，自主設計并搭建一套可用于太空環境的輻射損傷檢測實驗裝置。

課程實施推廣與成效分析

在課程研發基礎上，項目通過多元路徑推廣實施，并取得顯著成效，具體體現在以下3種模式。

01

校內研學營：普及與深化并舉

由北京理工大學與企業聯合研發的航天生命科學STEAM課程，在推廣初期，以“1日科普研學營”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，以及保定市的親子家庭和全國多地的小學生團體，累計參與人數超過300人次。其中，“果凍芯片制作與體驗”1日營尤為成功，學員在親手制作芯片的過程中，不僅直觀理解了微流控技術如何精準服務于航天生物研究，更從“看似簡單卻暗含精密操作”的實驗中領悟到“細節決定成敗”的科研精神，實現了科普性與實踐性的完美融合。

學生測試自己設計和制作的航天生物芯片

在普及的基礎上，課程進一步推出了高階研學項目，面向學有余力且興趣濃厚的學生開展深度研學。例如，“航天生物芯片設計與制作”與“青蒿素分離與太空新藥研發”等課程，已成功為香港宏信書院等學校提供了跨區域研學服務。在為期5天的“航天生物芯片設計與制作”研學營中，學生從認識空間站微生物檢測這一真實需求出發，通過專用教具體驗微流控這一核心技術，學習使用設計軟件，自主構思并繪制芯片結構圖，再利用激光雕刻機加工出PMMA材質的芯片實體，最終通過反復測試、優化方案，完成項目答辯。這一過程讓學生實現了從“航天愛好者”到“初級芯片設計師”的跨越，結營答辯時，學員無不洋溢著完成挑戰的成就感與激動之情。

02

場館融合：實現課程常態化與規模化

在課程體系初步驗證有效的基礎上，為進一步拓展實施場景，推動課程從階段性研學活動向常態化教學轉變，項目創新性地采用了“場館融合”模式。該模式的核心在于將高校與企業聯合研發的航天生命科學STEAM課程，系統性地植入具備專業設施與場景氛圍的科普教育基地，從而實現課程在真實情境中的規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創新實訓中心、獅山航天科技體驗中心達成深度合作。該中心坐落于廣東佛山南海，是國內首批集科研實驗、實景科普與互動體驗于一體的綜合性航天主題教育基地。

學生參觀航天主題科創實訓中心

在場館融合模式中，初階課程如“果凍芯片制作與體驗”“神奇的發光細菌”等，被設計為半日或一日的標準化研學模塊，可靈活嵌入各地中小學生到中心的集體研學行程中。學生在研學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，實現從知識接收到實踐體驗的跨越。而高階課程如“航天生物芯片設計與制作”“太空輻射檢測與防護”等，則依托場館的先進設備與專業環境，發展為深度研學營或校本選修課程。例如，當地中小學校可將該課程納入課后服務體系，組織學生定期前往中心開展項目式學習，完成從芯片設計、加工到測試的全流程工程實踐。這種“走出去”到專業場館的學習形式，有效解決了中小學校在高端設備與專業環境方面的資源限制，使前沿科技實踐得以在基礎教育階段真實發生。

學生體驗航天模擬設備

場館融合模式的優勢顯著：其一，它實現了課程實施的常態化，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組成部分；其二，它推動了課程覆蓋的規模化，憑借場館的接待能力與輻射效應，可同時服務來自全國不同地區的學生團體；其三，它增強了學習體驗的場景化，讓學生在高度仿真的航天科研環境中建構知識，極大提升了學習代入感與目標認同感。

03

賽事結合：從課程學習到創新輸出

航天事業的進步離不開創新想法的匯聚。航天生命科學STEAM課程中的優秀學生實踐作品正為航天生命科學研究提供源源不斷的靈感與雛形方案。國際空間科學與載荷大賽作為由北京理工大學、中國宇航學會、國際宇航科學院、亞太空間合作組織、中國航天基金會聯合多家權威機構發起的全球性賽事，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深化完善后，可直接參與此類國際競賽，讓學生的學習成果得以在更高舞臺上接受檢驗，真正實現從知識學習到創新實踐的能力躍遷。

結束語

航天生命科學STEAM課程體系涵蓋微流控芯片、航天新藥研發與生物傳感三大技術方向，并適配全學段學生認知水平。課程研發秉承三位一體的核心理念，有效破解了高科技資源教育轉化的核心難題。在實施層面，形成了校內研學營普及、場館融合常態化、賽事結合促創新的多元路徑，構建了從航天科研資源到科普教育實踐的有效轉化機制。實踐反饋表明，該課程體系顯著激發了學生的科學興趣，系統培養了跨學科思維與創新實踐能力。

帶學生了解航天科技成果的轉化實例

展望未來，航天生命科學STEAM課程的深化與推廣應聚焦三大方向：強化政企校協同育人網絡，整合多方資源；建立課程質量國家標準，保障教學內容的科學性與規范性；構建“教學—實踐—反饋”閉環評價體系，以數據驅動課程持續優化，從而推動航天科普教育向規模化、專業化、體系化邁進。

參考文獻

[1]Lin W, He F, Zhang W S, et al. Astrobiology at altitude in Earth's near space[J]. Nature Astronomy, 2022(6): 289.

[2] 李瑩輝，孫野青，鄭慧瓊，等．中國空間生命科學40年回顧與展望[J]．空間科學學報，2021，41（1）：46-67．

[3] 王麗娟．利用社會熱點話題進行STS教學——“神舟9號”生命保障系統的設計[J]．生物學通報，2004（5）：34-35．

[4] 葉燕珠，沈雪青，吳新建，等．STEM視域下初中化學跨學科項目式學習實踐研究——以“探尋火箭發射的奧秘”為例[J]．化學教學，2024（4）：38-45．

[5] 趙玉芬，華躍進，李一良，等．空間生命學科發展戰略研究[J]．空間科學學報，2024，44（3）：387-399．■

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來源 | 《中國科技教育》2025-12

編輯 | 張雨晴

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