科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”①

侯 丹 宋昊澤

科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”①

侯 丹 宋昊澤②

STEM教育是目前各國用以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及應(yīng)用能力的重要手段，目前在我國進行STEM教育的主要載體為非正規(guī)教育?？萍拣^作為非正規(guī)教育的主要載體，在教學(xué)信息的載體、教學(xué)時間、教學(xué)空間、教學(xué)形式、獲取知識的屬性等方面都具有比傳統(tǒng)教育更適合開展STEM教育的優(yōu)勢。本文從STEM學(xué)科三個維度“實踐(Practices)”“跨學(xué)科概念(Crosscutting Concepts)”及“學(xué)科核心概念(Core Ideas)”的視角出發(fā)，融合了“基于合作學(xué)習(xí)和問題學(xué)習(xí)方法的逆向過程的教學(xué)設(shè)計方法”及“5E教學(xué)模式”等教學(xué)策略的核心思想，提出了適合科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”。

科技館；STEM教育；教學(xué)策略

近年來，歐美國家大力發(fā)展STEM教育，以提高青少年對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)概念的理解，加強對青少年創(chuàng)新意識和實踐技能的提升。STEM教育的開端始于1986年美國國家科學(xué)委員會(NSB)發(fā)表的報告《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》，[1]2011年，美國國家科學(xué)委員會教育和人力資源部門前主任朱迪斯·拉姆齊(Judith Ramaley)首次正式使用STEM教育來指代科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)課程，[2]并將STEM教育定義為：學(xué)習(xí)和探究的教育過程是被安排在情境之中的，學(xué)習(xí)者可以在學(xué)習(xí)中解決真實世界的問題，并可以為自己創(chuàng)造解決問題的機會。STEM教育作為一種新的教學(xué)手段，其形式靈活，內(nèi)容新穎，教學(xué)方法多樣化，能夠?qū)ⅹ毩⒌膶W(xué)科知識有機地融合在一起，在學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識的過程中，增強學(xué)習(xí)者對技術(shù)、工程的體驗，達到學(xué)以致用，提高學(xué)習(xí)者綜合素養(yǎng)的目的。這一教學(xué)方法，目前也被國內(nèi)教育界人士認可并爭相使用，但在使用的過程中發(fā)現(xiàn)，在中小學(xué)課堂教學(xué)進行STEM教育存在著一定的困難；而科技館作為青少年學(xué)校教育的重要補充，是一條有效實現(xiàn)STEM教育的途徑；但由于非正規(guī)教育的特點，科技館的教育也存在著一定的局限性。因此，對在科技館中進行STEM教育的教學(xué)策略還需要進一步的研究和論證。

一、科技館中實施STEM教育的可行性分析

科技館是開展科普活動、提高公民科學(xué)素養(yǎng)的重要場所，是落實《中華人民共和國科學(xué)普及法》和《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要(2006-2010-2020年)》的重要實踐平臺。[3]作為重要的公益性科普教育基地，國家加強了對科技館建設(shè)的重視，提出了“館校結(jié)合”的要求，這也使科技館成為青少年課外學(xué)習(xí)科學(xué)知識和技能的重要場所，是對學(xué)校教育的重要補充。

在學(xué)校教學(xué)中，青少年對技術(shù)和工程相關(guān)知識接觸較少，只學(xué)習(xí)科學(xué)和數(shù)學(xué)相關(guān)知識，且對于科學(xué)和數(shù)學(xué)的課程設(shè)置，也很少能夠反映科學(xué)職業(yè)從業(yè)者的實際工作。青少年為了完成學(xué)業(yè)，應(yīng)付考試，大多只關(guān)注知識的記憶，而不是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程和方法。而對于青少年未來發(fā)展的教育，則需要掌握科技領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員所需要的應(yīng)用知識解決生活中實際問題的技能、探究技能、整合知識技能，這些都是目前正規(guī)的學(xué)校教育所不能完成的。而基于展品開展教育的科技館，在教學(xué)信息的載體、教學(xué)時間、教學(xué)空間、教學(xué)形式、獲取知識的屬性等方面均有別于傳統(tǒng)的正規(guī)教育，具有如下特點：

(一) 基于展品的教學(xué)載體

學(xué)校教育的教學(xué)載體為各學(xué)科的教材，教師根據(jù)教材進行知識的教授；而科技館則是通過展品，基于展品本身或展品的展示進行教育活動。大型科學(xué)中心的展品形式多樣，涉及學(xué)科知識較全，能夠為STEM課程設(shè)置提供足夠的信息載體以進行四門課程的綜合化設(shè)置。此外，科技館展品多為形象化、直觀化的互動式展品，學(xué)習(xí)者可以親自動手，體驗和感受整個操作過程，通過操作探究的過程回歸知識的本質(zhì)，對知識的理解進一步深化。

(二) 教學(xué)時間和空間的靈活性與充裕性

學(xué)校教育大多是在固定的教室和固定的地點完成的，而科技館的教育活動是隨時進行的，學(xué)習(xí)者可根據(jù)實際情況自主確定學(xué)習(xí)時間及其長短，具有一定的自主性，保障了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。同時科技館還具有較大的空間，可以根據(jù)其特色自行對場地進行設(shè)置，能夠比較方便地為學(xué)習(xí)者設(shè)置恰當?shù)膶嵺`情境，提供良好、輕松的實踐環(huán)境?？萍拣^活動的時間較靈活，能夠使學(xué)習(xí)者有較充分的時間完成STEM課程的探究過程。

(三) 教學(xué)形式的多樣化

學(xué)校教育的形式以課堂講授為主，而科技館在普及科學(xué)知識方面，多采用實物體驗的方式讓學(xué)習(xí)者進行學(xué)習(xí)，同時還輔以科普講座、科普夏令營、科普劇、互聯(lián)網(wǎng)APP等多種形式和手段將科學(xué)知識、科學(xué)知識的探究過程以及將科學(xué)知識用于實踐的工程和技術(shù)問題以豐富多彩的形式展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者眼前。

(四) 獲取知識的屬性

學(xué)習(xí)者在對知識的獲取過程中，通過自己直接經(jīng)驗獲得的知識能夠更好地使學(xué)習(xí)者理解其本質(zhì)，能夠幫助學(xué)習(xí)者更好地建構(gòu)知識體系。學(xué)校教育獲取知識的屬性一般是來自教材的間接經(jīng)驗，而科技館則是來源于展品和展品展示的直接經(jīng)驗，“直接經(jīng)驗”對學(xué)習(xí)者有效地理解知識和應(yīng)用知識具有良好的促進作用。

由此可見，在科技館中進行STEM教育，能夠彌補正規(guī)教育的不足，利用現(xiàn)有的豐富資源，開發(fā)設(shè)計出有助于青少年科學(xué)素養(yǎng)提高的STEM教學(xué)活動。但由于非正規(guī)教育的局限性，目前科技館所提供的STEM教育還存在著一定的不足，需要采用新的有效的教學(xué)策略進行STEM課程的設(shè)置。

二、“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”的提出

(一) 科技館非正規(guī)教育存在的不足

作為非正規(guī)教育的主要平臺，雖然科技館可以不受傳統(tǒng)教育的局限，為學(xué)習(xí)者提供更加靈活合理的學(xué)習(xí)時間及空間，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造更加真實的學(xué)習(xí)環(huán)境及實踐機會，但同時也存在著一些層面的不足，需要在STEM課程的設(shè)置過程中加以改進：

1.知識傳播碎片化

科技館在傳播知識的過程中，往往是通過單個展品進行傳播的，忽略了展品之間的相互聯(lián)系，忽略了對核心知識本質(zhì)以及知識跨學(xué)科性的理解。學(xué)習(xí)者獲得的知識都是零碎的、雜亂無章的碎片化知識，缺乏大概念(big ideas)的獲得，不利于學(xué)習(xí)者進行知識的再次建構(gòu)。

2.有科學(xué)知識的普及，缺少科學(xué)精神和科學(xué)思想的傳播

科技館在進行科學(xué)普及的過程中，往往過于關(guān)注通過展品進行單一科技知識的傳播，忽略了實踐，忽略了實踐過程中的探究，忽略了展品應(yīng)具有的讓觀眾獲得直接經(jīng)驗的屬性，忽略了展品應(yīng)該體現(xiàn)出的科學(xué)家研究的心路歷程以及蘊含的科學(xué)方法和科學(xué)思想，使得科技館教育未能充分實現(xiàn)其應(yīng)有的功能和效果。

3.教學(xué)目標不夠明確，教學(xué)任務(wù)過于具體

科技館在進行展品安排和設(shè)置的過程中，對于教學(xué)目標的設(shè)置不夠明確，沒有將教學(xué)目標展現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，而是將教學(xué)任務(wù)過于具體地通過展品說明牌或講解員的講解介紹給學(xué)習(xí)者。跨學(xué)科學(xué)習(xí)的教學(xué)目標應(yīng)具有明確定義的結(jié)果；而設(shè)置教學(xué)任務(wù)則應(yīng)相對模糊，不能過于具體?？鐚W(xué)科的學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者參與并整合多個學(xué)科和多種學(xué)習(xí)方法來研究某一問題，是一個實踐的過程。教學(xué)目標和教學(xué)任務(wù)設(shè)置不當，科技館便不能為學(xué)習(xí)者提供良好的自主探究的實踐前提。

4.學(xué)習(xí)情境不夠多元化

國內(nèi)現(xiàn)階段的STEM教育活動多以課堂教學(xué)的知識點為依據(jù)，作為“舶來品”的STEM教育還未完成本土化。這些教育活動除了刻意加入的情境外并沒有實質(zhì)性的改變和突破，不能為學(xué)習(xí)者提供真實的學(xué)習(xí)情境。

以上的不足，不只是對STEM教育教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的不足，更是對STEM課程設(shè)置需要遵循的三個維度(實踐、跨學(xué)科概念、學(xué)科核心概念)的缺失。

(二) STEM學(xué)科的維度

2011年，美國《K-12科學(xué)教育框架》完成，確定了科學(xué)教育標準遵循的三個維度：實踐(Practices)、跨學(xué)科概念(Crosscutting Concepts)及學(xué)科核心概念(Core Ideas)。[4]兩年后，美國在《新一代標準》中首次將STEM教育正式納入國家教育標準。在此背景下，美國學(xué)者Hubert Dyasi和Derek Bel將“實踐”“跨學(xué)科概念”“學(xué)科核心概念”作為STEM教育的3個維度，這三個維度是相互聯(lián)系的，缺失任何一個維度都會影響整個學(xué)科的建構(gòu)。[5]這三個維度必須清晰明白地表現(xiàn)在整個活動的設(shè)計中，才能讓學(xué)習(xí)活動成為真實的情境(見表1)。

(三) “基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”的提出

針對科技館教育存在的不足，從STEM學(xué)科三個維度的視角出發(fā)，融合現(xiàn)有STEM教學(xué)相關(guān)策略的教育理念，筆者提出了“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”。(參見圖1)

圖1 “基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”流程圖

首先，是對展品信息的全方位挖掘。

科技館傳播知識的主要途徑是通過展品來實現(xiàn)的，科技館展品的數(shù)量多，涉及多個學(xué)科，且形式多樣。在進行STEM課程的設(shè)置過程中，要對展品進行全方位的挖掘，在分析的過程中主要應(yīng)從四個維度對展品信息進行全面剖析：全面分析和梳理展品本身蘊含的核心科學(xué)知識、科學(xué)原理，即找出學(xué)科核心概念；深入探索科學(xué)家研究過程的心路歷程，在什么樣的社會環(huán)境和社會關(guān)系下，采用什么樣的方法，經(jīng)歷了什么樣的歷程完成了科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)和驗證，為STEM課程的設(shè)置提供原始的情境、探究的方法、技術(shù)的應(yīng)用、材料的選擇，為學(xué)習(xí)者的實踐過程提供思路和依據(jù)；體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科學(xué)知識對社會生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟和文化發(fā)展的影響和促進，為STEM課程的設(shè)置提供真實的情境及驗證和應(yīng)用拓展環(huán)境；根據(jù)Karl A.Smith和Tameka Clarke Douglas等人提出的“基于合作學(xué)習(xí)和問題學(xué)習(xí)方法的逆向過程的教學(xué)設(shè)計方法”[6]教學(xué)策略，分析確定教學(xué)活動的結(jié)果和目標，根據(jù)教學(xué)目標和結(jié)果更好地完成教學(xué)計劃的全面設(shè)置。

通過以上四個維度對展品進行全面分析后，可以確定展品蘊含的核心概念，尋找跨學(xué)科概念。在此基礎(chǔ)上將展品分體系進行設(shè)置，可將原本碎片化的知識成體系化展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前。這一策略有益于教學(xué)目標的確定，教學(xué)任務(wù)的模糊選擇，也能夠深度挖掘展品蘊含的科學(xué)精神和科學(xué)思想，克服了科技館利用展品進行教育活動過程中存在的不足。

例如，科技館中水力、風力、太陽能、氫能發(fā)電等幾項展品，原本只是不同形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的單一展品。對它們進行全方位挖掘：水力發(fā)電體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)是將勢能轉(zhuǎn)換為電能，風力發(fā)電是將動能轉(zhuǎn)換為電能，太陽能發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)換為電能，氫能發(fā)電是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，它們涉及的核心概念都是能量的轉(zhuǎn)換。將這些展品體系化，融入項目設(shè)計中，確定它們所蘊含的跨學(xué)科概念為“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”以及“能量與物質(zhì)：流動、循環(huán)和守恒”。此外，這些技術(shù)是在環(huán)境保護和節(jié)約能源的社會環(huán)境下發(fā)展起來的，對人類的生產(chǎn)和生活帶來了劃時代的變革。由此可以確定教育項目所體現(xiàn)的核心概念、跨學(xué)科概念及教學(xué)目標。

其次，是項目的選擇和確定。分析學(xué)習(xí)者現(xiàn)有認知水平和生理發(fā)展特點，明確教學(xué)目標，選擇學(xué)習(xí)情境，確定研究項目。在進行STEM課程的設(shè)置時，要給予學(xué)習(xí)者明確的目標和模糊的任務(wù)，有益于學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)和探究，同時也能夠照顧到學(xué)習(xí)者的認知和生理發(fā)展特點，自然達到分層次教學(xué)和教育公平化的目的。

例如，全方位分析水力、風力、太陽能、氫能發(fā)電等幾項展品后，確定通過這幾件展品開展教育活動的教學(xué)目標是：讓學(xué)習(xí)者掌握能量轉(zhuǎn)換的概念，建立能量轉(zhuǎn)換的模型，同時樹立環(huán)保的理念。在項目選擇上，突出環(huán)保理念下的能量轉(zhuǎn)換和利用，給出相對模糊學(xué)習(xí)任務(wù)：如何利用清潔能源進行發(fā)電，請學(xué)習(xí)者進行實踐。

第三，是學(xué)習(xí)者體驗式實踐過程的設(shè)置。在實踐過程的設(shè)計中，筆者參考了馬里蘭州教育部公布的STEM教學(xué)模式——5E教學(xué)模式，將STEM教學(xué)過程分為了五個階段：參與、探索、解釋、闡釋與延伸、評估。[7]本文根據(jù)研究所需將這五個階段變更為：參與、探索、解釋、闡釋和評價，將延伸融入到闡釋的過程中。

——在參與階段，教師要將項目展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，通過真實的情境，讓學(xué)習(xí)者參與其中，激發(fā)學(xué)習(xí)者興趣，吸引學(xué)習(xí)者注意力，尋找完成任務(wù)所需要的核心概念、跨學(xué)科概念。因此在這一階段，教師要采用多樣的方式讓學(xué)習(xí)者參與進來，如：視頻、情景劇、演示實驗等。多種參與手段可以吸引學(xué)習(xí)者完全參與到項目中；

——在探索階段，學(xué)習(xí)者通過教師提供的項目、教學(xué)目標及任務(wù)，尋找合適的材料、科學(xué)的方法和技術(shù)手段對研究內(nèi)容進行思考、分析、實驗、搜集信息等實踐活動。在這個過程中，學(xué)習(xí)者可以通過探究構(gòu)建科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科之間的關(guān)系；

——在解釋階段，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的實踐過程、搜集到的證據(jù)和結(jié)果，進行交流，運用恰當?shù)募夹g(shù)手段和數(shù)學(xué)方法進行分析和總結(jié)；

——在闡釋階段，學(xué)習(xí)者要擴大和完善他們對概念的理解，建立相應(yīng)的科學(xué)模型，并學(xué)習(xí)在新的情境下應(yīng)用、驗證、實踐和鞏固探究到的知識的技能；

——評價階段應(yīng)貫穿于整個實踐過程中，學(xué)習(xí)者自身的評價和反思，學(xué)習(xí)者之間的評價，教師對學(xué)習(xí)者的評價，有利于提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)效率。

例如，在利用清潔能源進行發(fā)電的項目中，最初可以讓學(xué)習(xí)者觀看火電和核電的發(fā)電視頻，通過視頻資料了解：非清潔能源火電的發(fā)電過程及其給環(huán)境帶來的危害、核能的發(fā)電原理和優(yōu)越性以及可能帶來的危害和處理方法。將教學(xué)融入到真實的生活情景中，使學(xué)習(xí)者充滿興趣地完全參與到項目中，明確項目的目標，了解項目的任務(wù)。再請學(xué)習(xí)者根據(jù)前期分析和已有知識，對使用清潔能源進行發(fā)電的項目進行分析和設(shè)計，尋找核心概念和跨學(xué)科概念，在整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)多門課程知識的基礎(chǔ)上，完成探究設(shè)計，進行適當?shù)膶嶒炋骄俊Ｍ瑫r可以融入新技術(shù)元素，在進行模型建立和實驗探究的過程中，引入3D打印技術(shù)，在學(xué)習(xí)者設(shè)計好模型或?qū)嶒炂鞑暮罂梢允褂?D打印機進行打印，激勵學(xué)習(xí)者對項目中的實踐和探究產(chǎn)生興趣。每一教學(xué)階段，教師和學(xué)生都有各自明確的分工，學(xué)生作為教學(xué)主體，在作為指導(dǎo)者的教師的引領(lǐng)下針對具體項目情境中的問題開展探索研究，通過對研究結(jié)果進行分析和總結(jié)，給出對問題的解釋并進一步延伸，評估對問題的理解。

最后，是項目的評估和修改階段。教師在STEM教學(xué)過程中和過程后，根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果進行反思和總結(jié)，確定項目學(xué)習(xí)的效用和效率，保留項目運作良好的方面，改進項目運作的不足之處。

三、小結(jié)

科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學(xué)策略”能夠從STEM科學(xué)的三個維度“實踐”“核心概念”“跨學(xué)科概念”的視角出發(fā)，進行課程設(shè)置。本策略結(jié)合科技館的特點，有效地完成了科技館STEM課程的設(shè)置，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的知識內(nèi)容完美地融合，促使這些知識融會貫通，以達到提高青少年綜合素養(yǎng)的目的。

[1]Neal，H.A.Undergraduate science,mathematics and engineering education:Role for the National Science Foundation and recommendations for action by other sectors to strengthen collegiate education and pursue excellence in the next generation of U.S.Leadership in science and technology[R].Washington,DC:National Science Board,Task Committee on Undergraduate Science and Engineering Education.National Science Foundation,1986:86-100.

[2]Teaching Institute for Excellence in STEM(2010).What is STEM Education,2014:11-15.

[3]辛兵，龍金晶.歐美博物館“館校結(jié)合”模式及其對我國的啟示[C]//2011(廣西·南寧)中國自然科學(xué)博物館協(xié)會科技館專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集，2011：72-78.

[4]National Research Council.A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas[M].Washington，D.C.：THE NATIONAL ACADEMIES PRESS，2011.

[5]Hubert Dyasi,Derek Bell,劉潤林譯.透視科學(xué)中的探究及工程與技術(shù)中的問題解決——以實踐、跨學(xué)科概念、核心概念的視角[J].中國科技教育，2017(1)：15-19.

[6]Karl A.Smith,Tameka Clarke Douglas.Supportive teaching and learning Strategies in STEM education[J].New Directions for Teaching and Learning,2009,117:19-32.

[7]李揚.STEM教育視野下的科學(xué)課程建構(gòu)[D].杭州：浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院，2014：33.

A STEM Education Strategy on Hands-on Exhibits of All-Round Integration in the Science and Technology Museum

Hou Dan Song Haoze

STEM education is an important means to improve students’ scientific literacy and application ability.At present,the main carrier of STEM education in our country is non-formal education.As the main carrier of non-formal education,science and technology museum is better than traditional style school in many respects,such as carrier of teaching information,time,space,and forms,as well as knowledge acquisition.Based on the three dimensions of Practices,Crosscutting Concepts and the Core Ideas of STEM,this paper combines the teaching strategies of “the teaching methods of reverse process based on cooperative learning and problem learning methods” and “the 5E Teaching mode” on the basis of the core ideas,to give a strategy on hands-on exhibits of all-round integration in the science and technology museum.

science and technology museum,STEM education,teaching strategies

①本文獲天津師范大學(xué)教育基金(編號：52XJ1601)資助。

②侯 丹：天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院實驗師；研究方向：物理課程與教學(xué)論；通訊地址：天津市西青區(qū)賓水西道393號天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院；郵編：300387；Email：houdan16@126.com；宋昊澤：天津師范大學(xué)研究實習(xí)員；研究方向：教育管理，凝聚態(tài)物理；Email：451905729@qq.com。