摘要：文章首先概述了基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的教学模式，然后分析了“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念应用的必要性，接着阐述了基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的高校科学营机械专题营教学设计与实践，最后对基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的高校科学营机械专题营教学效果进行了评价。

　　关键词:高校科学营,机械专题营,感知体验,科普教育,探索实践

　　作为青少年科技教育活动的典型代表，高校科学营能够充分利用高校的科技与教育资源优势，发挥大、中学校育人主阵地的作用。特别是在提升青少年科学素养方面，高校科学营能为广大青少年提供接触科研大师的机会，引导他们在实践中探寻科技创新的奥秘。此外，高校科学营还有助于填补大学与中学教育在衔接上的空白，促进中学与高校合作育人，从而培养青少年的科学兴趣和探索精神，提升他们的实践创新能力和爱国情怀，为中国科技的发展培养后备力量。

　　当前，尽管各高校的发展定位与学科优势的差异使得科学营实践形式有所不同，但主要以科技大师的科普讲座，知名学者教授的学术生涯分享，参观实验仪器、设备，以及进行简单的科学实践等方式呈现[1]。在青少年科学营活动的组织设计方面，各高校已取得了一定成果，但仍存在以下问题：活动针对性不强，趣味性较低、丰富性不足，缺乏特色；本地资源利用尚不充分，学生学习兴趣不高；讲座信息量大，学生难以及时消化；活动设计既未能充分考虑高中与大学的差异，又未能充分匹配高中生的知识结构和认知特性等[2]。针对这些现状和问题，重庆大学高校科学营机械专题营开展了以“新能源汽车及智能机器人”为主题的实践创新探索。

　　一、基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的教学模式概述

　　基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的教学模式是一种遵循学生认知发展规律，注重将科普教育和实践探索相结合的新型教学模式。这种教学模式注重个体知识差异，采取因材施教的教学方法，将理论教学与实践操作一体化，有力地打破了传统“填鸭式”教学的困境，并进一步突显了学生作为学习主体的地位，使学习的主动权回归到学生个体手上。其目标在于提高学生对于知识的学习、理解和应用能力，提升学生的综合素质和创新能力。

　　感知体验源自美国心理学家约翰·杜威提倡的“经验学习”“教育即生活”及“从做中学习”等理念[3]。首先，感知体验是获取知识和产生知识的第一步，它以学生的个体经验和知识积累为基础，在教师的具体指导下，学生结合已有的情感经验与认知积累体验和感知知识，并在体验过程中产生独特的感悟，这样能有效激发学生的能动性[4]。其次，科学不是空中楼阁，而是与生活息息相关。只有通过亲身参与和体验，学生才能深刻理解科学知识的内涵和应用。例如，学生可以通过观察和实验的方式，感受物理学中力和运动的关系，以及电磁学中电流的作用等。这种实践性的感知体验不仅有助于学生深入理解科学知识，还能促使学生将这些知识内化于心。最后，科学知识不是孤立的，而是相互关联的。对于中学生来说，所学的科学知识通常具有很多前置限制条件，因此仅仅通过知识的科普和教学难以理解知识的全貌。对此，只有通过感知体验，学生才能理解科学知识的全貌，从而更好地应用科学知识。例如，通过实地考察，学生可以了解地理学中地形、气候等知识对生态环境的影响，这有助于其更好地应用地理学知识。即通过参与感知体验活动，中学生可以从中提炼出科学原理和知识，从而为今后的知识运用和创新打下坚实的基础。

　　科普教育是通过感知体验获取知识后对其的进一步升华和规律总结，这是一个从具体个例到抽象普遍的学习总结过程。科普教育这一概念源自西方，是科学普及的简称[5]。在《中华人民共和国科学技术普及法》中，“科普”被定义为采取易于公众理解、接受、参与的方式，普及科学技术知识、倡导科学方法、传播科学思想、弘扬科学精神的活动[6]。科普教育的核心要义是通过一定的教学手段和方法，将复杂的、难以理解的基本原理、概念和公式，以公众易于理解和接收的方式进行教学。高校科学营通常涉及的是较为复杂的专业学科知识，这类知识一般需要学生有一定的基础知识储备才能理解和掌握。相比之下，科普教学模式更符合中学生的接受能力。

　　探索实践是通过科普教育获取知识后，将知识应用于实践并产生新知识的必要阶段。感知体验、科普教育和探索实践构成了一个从具体到抽象，再从抽象到具体的学习过程。理论源自感知实践，并指导实践，这是一个动态、循环往复的过程。

　　概言之，基于“感知体验、科普教育和探索实践”理念的教学是一种注重学生认知过程和知识获取科学规律的，理论与实践相结合并相互促进的动态教学过程。

　　二、“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念应用的必要性

　　（一）学生认知层次、学习规律的需要

　　“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学是一种注重学生知识学习和获取过程的教学模式，也是一种循环渐进，难度和要求渐次提高的教学方式。感知体验是学习者直观认识世界的一个途径和方法，也是获取知识的重要过程。学生可通过对客观事物的直接体验，建立对世界的认知，了解事物的内在规律和表现特征。感知体验是学生后续进行科普，进一步扩大知识面和运用知识进行探索实践的基础，为其后续学习提供了重要的基础支撑。科普教育的目的是让学生在感知体验的基础上，通过一系列的活动和研究，更全面、更深入地了解相关的知识和信息。科普教育注重理论联系实际，强调知识的应用。在科普教育中，学生可以根据自己的兴趣，选择自己喜欢的领域进行深入探索。探索实践是指通过让学生参与具体的实验和研究，进一步深化对知识和信息的理解。探索实践旨在将感知体验和科普教育的成果运用到实践中，发挥知识的应用价值。学生在探索实践的过程中，可以通过思考和实践，发现并解决问题，以便培养自己的独立思考能力和解决问题能力。

　　例如，牛顿万有引力定律的发现，是一类代表性的科学现象。牛顿看到苹果自枝丫落下，在对这一现象进行感知与观察的过程中，对其背后的原理产生了浓厚的研究兴趣。此外，牛顿生活在科学概念与原理得到空前发展和普及的时代，在前人研究的基础上，他发现了地心引力，并在自己的探索实践中不断总结，最终提出了万有引力定律。这一过程展示了感知体验在获取知识方面的重要性，以及科普教育在推动科学技术发展和应用方面的关键地位，同时也强调了实践探索的关键性，即只有在实践过程中不断尝试和改进，才能深刻揭示事物的本质与规律。

　　（二）教学内容的需要

　　在高校科学营机械专题营中，教师主要向参与的中学生讲解科普机械专业知识，具体涵盖智能机器人、无人驾驶技术、新能源汽车等前沿的科学技术领域。然而对于尚未成年的中学生来说，由于课业负担沉重，他们对这一领域知识的了解近乎空白。这就迫切要求大学教师在教学的过程中，应该根据中学生的知识结构、认知水平，以更加符合他们需求的方式进行讲解，以期激发他们的学习兴趣和学习积极性，让他们逐渐掌握从0到1的快速学习过程，体验科学的奥秘，进一步形成自己的认知和判断，进而充分掌握科学知识和技能。概言之，基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的教学正是一个人知识从0到1，再到100的认知学习过程。

　　三、基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的高校科学营机械专题营教学设计与实践

　　亚利桑那大学和布朗大学的研究人员提出了最优学习的85%规则。根据这一规则，在学习某个知识点时，如果学生已经掌握了该知识点85%的内容，而剩余15%的内容具有挑战性，那么这15%的挑战性知识点将被研究者称为学习的最佳“甜蜜点”。过高难度的学习可能导致学生陷入恐慌区，从而降低其学习积极性；过于简单的学习内容则可能使学生停留在舒适区，无法有效提升学习效果。而处于两者之间学习区的学生更容易提高知识与技能掌握程度，这种熟悉内容与挑战内容并存的状态能够创造一种既充满表现欲望又具备不屈服钻研欲望的甜蜜学习环境，从而激发学生的学习积极性。“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念正是基于循序渐进的教学思想提出的，以2022年重庆大学科学营机械专题营的教学活动为例，基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的高校科学营机械专题营教学设计总体情况如图1所示。

　　活动方案设计充分考虑了中学生的认知结构层次和兴趣爱好，首先，设置感知体验环节，帮助他们回顾已学知识。其中，方程式赛车感知体验环节是重点，主要回顾高中所学知识，提升学生的学习获得感。教师可结合高中物理的电路和力学知识，以实物和图片相结合的方式，阐述设计原理和评价指标，介绍整车外观、底盘结构布置、动力构型、关键零部件等方面的知识，使学生对汽车的设计和调校有整体的体验认知。为使青少年更真实地体验赛车制造的全过程，科学营成员可在方程式赛车队员的指导下，尝试赛车动力系统的仿真建模、车轮拆装、刹车调试、动力电池装配等实车制造、装配环节。同时，教师可通过展示和讲解历年赛车队员在设计、加工和制造环节所展现的“工匠精神”和获得的奖项，加深青少年对汽车的认知，也增强他们对“工匠精神”的理解，提高其自主创新的信心。

　　其次，让学生在感知体验中提炼新知识。以模拟驾驶仪的操作训练为例，在驾驶训练中，通过将示范操作与对传动系统构架的详细解读相结合，参与者不仅能够掌握操作技巧，还能理解操作背后的原理。例如，针对常见的换挡时先踩离合这一常见操作，教师可以结合变速器结构进行讲解，揭示其背后的原因。相较枯燥的理论讲解，这种实地感知体验活动能够激发学生对科技的热爱，以及探索求知的欲望。

　　在单一车型感知体验的基础上，教师可进一步将教学扩展到不同品牌和不同动力构型的汽车整车和解剖车的整车及关键零部件的体验认知上。这种体验类似于小型新能源汽车主题博物馆的体验，即教师引导学生参观各种品牌和动力结构的汽车整车和解剖车，详细讲解纯电动、混合动力和燃料电池等不同动力构型汽车的结构、原理、性能差异、环境友好性和整个产业链在国民经济中的地位。具体如图2所示。这一环节旨在帮助学生深刻理解和欣赏新能源汽车，同时强调在“双碳”目标下，交通领域作为我国15%以上终端碳排放的主要来源，其碳排放量在过去9年里持续稳定增长[7]。期望通过对这一现实情况的深入探讨，学生能够真正认识到新能源汽车的发展对于实现“双碳”目标的重要性，从而积极推动新能源汽车产业的发展。此活动不仅能让学生感叹汽车设计的精妙，还能激发他们的创造性思维。

　　在了解不同品牌和不同动力构型的新能源汽车的基础上，教师可将教学进一步引导到当下正在迅猛发展和普及的无人驾驶智能车方面，这不仅能激发学生对未来交通的创造性思维，也会促使他们更深入地了解当前的前沿技术。这种循序渐进的学习过程能让学生更好地把握汽车工业发展的脉搏，同时也为未来的创新提供了更多的可能性。

　　最后，为了让机械专题营成员了解与智能新能源汽车相似的智能机器人，还可组织参观体验活动。智能机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”，是衡量一个国家高端制造实力的重要标志[8]。《中国制造2025》设定的目标是使中国从制造业大国转型为制造业强国，并以此作为国家战略发展的目标[9]。通过参观智能机器人的操作演示，学生可以了解机器人的机械结构、操作系统及控制架构，熟悉机器人的特点，并了解机器人行业的最新成就和现场实操过程中需要不断完善的地方。这些参观体验活动旨在为学生指明未来机器人可能的发展方向。

　　在科普阶段，讲座和交流是两种最主要的方式。讲座可以帮助学生系统地了解体验活动中某个科学领域的基本知识和最新进展，而交流则可以让科学家和学生建立更加密切的联系，充分解答他们对科学的疑问和误解。针对新能源汽车和智能机器人，高校科学营机械专题营分别邀请了不同的专家从高校和企业两个角度进行讲解。随着“双碳”目标的推进，氢燃料电池汽车成为新能源汽车未来的主要发展路径之一。如图3所示，为了帮助学生更好地了解燃料电池汽车的行业现状和发展趋势，教师可采用专业教育与科普教育相结合的方式，将复杂艰深的专业知识巧妙地融入科普教育[10]。具体可以燃料电池为核心，燃料电池汽车为承载平台，结合教学仪器设备，进行全面系统的科普讲解，使学生了解燃料电池汽车行业涉及的关键技术、行业痛点和发展现状，理解燃料电池汽车普及的挑战，以及其大规模普及的重要性和意义。在讲解的过程中，教师可根据学生特点，适时播放一些科普性的视频，使用一些学生易理解、能听懂的教学组织方式，并适时介绍一些科研方法，以激发其学习兴趣，并引导学生理解和思考，在潜移默化中培养他们的科研思维和科研方法。

　　在科普活动中，要注重培养学生对于中国制造尤其是自主品牌汽车的信心，激发学生的爱国热情。在2022年的重庆大学科学营机械主题活动中，某国产汽车企业专家为学生详细介绍了该品牌下汽车的历史渊源、研究成果及未来技术布局，并引导学生进行互动思考。通过对某汽车企业在新能源领域所获的400余项关键技术及800余项核心专利的总结，学生会更加坚定对于中国制造尤其是自主品牌汽车的信心和自豪感。专家的科普，以及教学资源和教学设施对社会公众的开放，是提高社会公众科学素养，增强其自主创新能力，扩大高校自身社会影响力的重要手段[11]。

　　针对新一轮高考制度改革后，报考理工科的考生数量明显减少的现状[12-13]，有效的措施包括提高青少年对科学研究和探索的兴趣，以及让他们深入了解理工科的具体专业并投入其中。由于机械专题营成员即将面临专业选择，教师可以其感兴趣的新能源汽车和智能机器人专业的行业未来、人才需求、专业选择、专业发展前景、专业深造情况、主要就业单位及毕业生的发展现状等作为教学活动的出发点，采用讲座和互动交流的方式进行教学，鼓励学生提前设立明确的目标，并为之不懈努力拼搏。在讲座过程中，还可以邀请车辆专业的学生以同龄人的身份为大家分享大学生活、学习和科研的经历。这样的同龄人的讲述有助于加深学生对新能源汽车和机器人专业的理解和认识。

　　新能源汽车和智能机器人是实用性工程技术学科的重要组成部分，它们涉及多门科学的整合和交叉。在这些领域，人才培养的重点不仅在于理论知识的传授，更在于实践技能的提高，尤其是操作能力培养和实践教育。基于前期的感知体验与专业科普，进行实际操作和探索是学生灵活运用知识不可或缺的环节。本次机械专题营针对智能车设计了智能小车的建图、导航和巡线功能的开发和实现实践。在教师的指导下，学生首先根据提供的汽车结构图组装和调试智能小车。这一过程涉及地图绘制、导航和路径追踪等环节的代码编写。尽管难度较高，但通过不断尝试和修正错误，最终取得成功的经历深化了学生的体验，培养了他们在未来科技攻坚中自主学习的习惯，同时也锻炼了其细心、耐心和严谨的品质。针对中学阶段的学习往往采用“填鸭式”教学的教学模式化与单调化问题，以及学生学习兴趣普遍低落的现状，有必要将VR虚拟现实技术引入高校科学营机械专题营的探索实践体验活动，以期通过其创新性方法，为高校科学营机械专题营的探索实践体验活动注入新活力。参与者可借助3D头盔和操作手柄，通过对照实物的方式，进行燃料电池的拆装和重组设计。这种使用VR虚拟现实技术的教学方式，成功地破解了传统拆装过程中的场地制约、实验耗材耗费大、教学运行成本高昂的难题，同时也为参与学生创造了一个自主创新组合设计的机会。这不仅有效地提高了学生学习的热情，同时也让其深入探究了燃料电池等部件的组成结构，激发了学生的创造性和求知欲。

　　四、基于“感知体验、科普教育、探索实践”三位一体教学理念的高校科学营机械专题营教学效果评价

　　为了评价此次高校科学营机械专题营活动的实施效果，笔者在活动微信群中向27位参与2022年暑假科学营机械专题营的学生、2位带队教师和2位志愿者发起了问卷调查。他们均来自重庆市各中学。问卷发布5天后，共收集到27份反馈。本次调查的问题包括8道客观题和2道主观题。客观题的统计结果如表1所示。根据调查结果，所有机械专题营成员都在活动中增长了科学知识，培养了科研兴趣，并了解了行业最新动态。同时，92.59%的受访者表示坚定了日后从事科研的信念，这基本上达到了本次活动的预期目标。另外，在扩大高校影响力方面，92.59%的青少年表示有意愿报考重庆大学，可见该活动对于扩大高校影响力具有明显的成效。81.48%的受访者表示，经过机械专题营的学习，他们将在未来选择理工类专业，尤其是新能源汽车或智能机器人专业。这种选择可能有助于解决新一轮高考改革后出现的报考理工科类考生数量减少的问题。此外，所有受访者都认同本次活动设置科学合理且生动有趣。主观题主要关注的是本次活动存在的问题和改进建议，统计结果如图4所示，29.6%的受访者反映活动时间安排在重庆的夏天，天气过于炎热，29.6%的受访者则表示自主设计探索实践环节的时间安排不足，整个实践环节的时间应适当延长。另外，11.1%的受访者表示自主设计加工活动没能完成。

　　在本次活动中，我们注意到了学生反馈的意见，并在未来的活动中，将采取以下措施：首先，进一步减少晦涩难懂理论的引入；其次，合理安排探索实践活动环节的时间，并为学生留出一定的自由时间；最后，将根据极端天气预报，及时调整上课时间，以确保学生上课体验的安全性和舒适性。

　　五、结语

　　文章从2022年重庆大学科学营机械专题营的教学活动经验入手，从感知体验、科普教育和探索实践三方面介绍了科普活动教学模式和教学方案，调查显示，通过这种三位一体的教学方式，不仅帮助学生开阔了眼界、增长了科学知识、培养了科学兴趣、坚定了未来从事科研的决心，而且还扩大了高校的影响力，指引了学生未来的专业选择和从业方向，为其他主题的科学营活动提供了宝贵经验。概言之，通过该教学实践，可将学生培养成德智体美劳全面发展的人才。

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