從“參觀科技館”到“科技館教學(xué)”
——基于SOI模式的科技館教學(xué)方式探索

嚴(yán)云峰 王長(zhǎng)江

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

隨著科技館教學(xué)的不斷普及，許多學(xué)校開始有意識(shí)地帶領(lǐng)學(xué)生參觀當(dāng)?shù)氐目萍拣^，以期培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，形成正確的科學(xué)觀.只是，簡(jiǎn)單參觀式的科技館游覽并不意味著就能夠提升科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.對(duì)于物理教學(xué)而言，科技館是一本生動(dòng)而立體的教科書.如何利用好這樣的教學(xué)資源，不落入“走馬觀花式的參觀”窠臼？唯有正確認(rèn)識(shí)科技館的教學(xué)功能才能實(shí)現(xiàn).只有變“參觀科技館”為“科技館教學(xué)”，才能真正在學(xué)校和科技館間搭建一座橋梁，讓青少年跨越時(shí)空，站在前人的肩膀上探究物理世界，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展核心素養(yǎng).

1 SOI模式與科技館教學(xué)

1.1 SOI學(xué)習(xí)模式

SOI學(xué)習(xí)模式由理查德·E·梅耶最先提出.他認(rèn)為，教學(xué)信息是旨在促進(jìn)學(xué)習(xí)的信息[1].有意義學(xué)習(xí)的SOI模式必須包含3個(gè)重要的條件，即選擇信息、組織信息、整合信息.

有意義學(xué)習(xí)的SOI理論內(nèi)涵如圖1所示.

圖1 SOI模型導(dǎo)圖

學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)主動(dòng)進(jìn)行認(rèn)知加工，首先從呈現(xiàn)的文本中選擇相關(guān)的詞語，從呈現(xiàn)的插圖中選擇相關(guān)的圖像，將所選擇的圖像組織為一個(gè)連貫的圖像模型，將圖像模型和言語模型同先前的知識(shí)整合起來，就完成了有意義學(xué)習(xí)的過程[1].

1.2 科技館教學(xué)

科技教育以基礎(chǔ)教育為依托，由科學(xué)教育和技術(shù)教育協(xié)同結(jié)合，以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神、科學(xué)知識(shí)和方法、科技實(shí)踐能力，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[2].科技館教學(xué)屬于科技教育，是對(duì)觀眾組織開展能讓他們學(xué)會(huì)科學(xué)方法、掌握科學(xué)概念、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度的教學(xué)活動(dòng).

我國(guó)傳統(tǒng)的科技館教學(xué)，往往只關(guān)注具體知識(shí)，在意的是對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和記憶，即使有動(dòng)手體驗(yàn)環(huán)節(jié)，也只是注重操作性的技能訓(xùn)練；部分項(xiàng)目加入的“探究”實(shí)踐，仍擺脫不了以傳授知識(shí)為主的思維[3].

美國(guó)的博物館學(xué)校也出現(xiàn)過同樣的問題，于是在 1996 年的博物館學(xué)校研討會(huì)上，華盛頓特區(qū)博物館磁石學(xué)校提出了“博物館教學(xué)過程”的教育理念[4],如圖2所示.

圖2 博物館教學(xué)過程

“博物館教學(xué)過程”以“吸引、探索、實(shí)驗(yàn)、解釋和展示”5步驟圍繞著某一個(gè)主題循序漸進(jìn)進(jìn)行博物館教學(xué).“博物館教學(xué)過程”將博物館學(xué)習(xí)定義為以學(xué)習(xí)者主動(dòng)學(xué)習(xí)為特點(diǎn)的學(xué)習(xí)過程.作為博物館的一種類型，科技館教學(xué)也應(yīng)該符合博物館教學(xué)過程的特點(diǎn).

2 基于SOI模式的科技館教學(xué)方式

2.1 課堂教學(xué)與科技館教學(xué)的比較分析

學(xué)校作為正規(guī)教育場(chǎng)所，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)方面擔(dān)當(dāng)重要角色.課堂教學(xué)過程是有組織的，教師根據(jù)教學(xué)大綱完成教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容.與傳統(tǒng)教學(xué)不同，科技館教學(xué)的對(duì)象是不固定的，也不依靠固定的課本和教材進(jìn)行教學(xué).科技館依靠其場(chǎng)館資源，用生動(dòng)、直觀的互動(dòng)展品代替只以圖片和文字形式呈現(xiàn)的課本知識(shí).

課堂教學(xué)與科技館教學(xué)過程有許多相似之處，但也存在著諸多不同.如圖3所示，二者結(jié)構(gòu)類似，都滿足SOI模式的“選擇”“組織”和“整合”的學(xué)習(xí)路徑，具有很強(qiáng)的兼容性；環(huán)節(jié)各不相同，體現(xiàn)了很強(qiáng)的互補(bǔ)性.具體來說，課堂教學(xué)與科技館教學(xué)產(chǎn)生問題的來源不同，前者是情境，后者是環(huán)境；獲得結(jié)論的方法不同，前者是動(dòng)腦，后者是動(dòng)手；形成認(rèn)知的途徑不同，前者是驗(yàn)證，后者是發(fā)現(xiàn).

圖3 課堂教學(xué)過程與科技館教學(xué)過程的對(duì)比

通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，課堂教學(xué)與科技館教學(xué)并不是傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中有很大差異的兩種教學(xué)方式，科技館不僅僅具有參觀與科普的作用，也可以承擔(dān)一些理論教學(xué)任務(wù)，同時(shí)和課堂教學(xué)一樣滿足選擇、組織、整合的學(xué)習(xí)過程，這充分表明利用科技場(chǎng)館來進(jìn)行物理學(xué)科的教學(xué)是符合學(xué)習(xí)流程的.另一個(gè)角度來說，二者在具體教學(xué)步驟中又有明顯不同的傾向，說明科技場(chǎng)館的教學(xué)可以給課堂教學(xué)提供補(bǔ)充，不僅僅局限于書本以及想象的空間，而是可以置身于真實(shí)情境、動(dòng)手操作、尋找真理.從這個(gè)意義上說，在初中物理教學(xué)中利用科技館資源是可能的，同時(shí)也是必要的.

2.2 基于SOI模式的科技館教學(xué)思路框架

基于SOI模式的科技館教學(xué)方式將從以下3個(gè)方面實(shí)施：

(1)利用科技館資源補(bǔ)充課堂教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)是在有限時(shí)間和空間內(nèi)進(jìn)行的有限教學(xué)，因?yàn)榇嬖谥T多限定，教師需要嚴(yán)格按照事先安排好的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行某節(jié)課的課堂教學(xué)，這也直接導(dǎo)致了課堂資源是有限的，甚至有時(shí)因?yàn)榻虒W(xué)安排所限課堂資源需要精簡(jiǎn).

在科技館教學(xué)中，教學(xué)時(shí)間是不固定的，每節(jié)課的時(shí)長(zhǎng)也可以隨著課程難度的變化縮短或延長(zhǎng).當(dāng)遇到學(xué)生感興趣的課題時(shí)，可以適當(dāng)擴(kuò)展延伸，這是課堂教學(xué)無法比擬的.在科技館中學(xué)生親身體驗(yàn)，探索發(fā)現(xiàn)，不受嚴(yán)格的教學(xué)安排限制，接觸的模型、儀器、展板、多媒體互動(dòng)設(shè)備等資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了課堂教學(xué)所能提供的.

(2)利用科技館資源豐富學(xué)生學(xué)習(xí)方式

課堂教學(xué)更加適合那些沉穩(wěn)、獨(dú)立、善于沉思的學(xué)生，因?yàn)檎n堂教學(xué)主要的學(xué)習(xí)途徑是通過學(xué)習(xí)知識(shí)內(nèi)涵再表達(dá)應(yīng)用.在實(shí)際生活中，知識(shí)的探索往往需要對(duì)現(xiàn)象的敏銳洞察力和判斷力，這和課堂學(xué)習(xí)過程正好相反.這也是為什么有部分尖子生高分低能，只會(huì)學(xué)習(xí)書本知識(shí)，步入社會(huì)后難以擺脫舒適區(qū)，最終落下“傷仲永”式的遺憾.

按照學(xué)習(xí)方式劃分，課堂教學(xué)適合沉思型、場(chǎng)獨(dú)立型、平穩(wěn)型的學(xué)生，科技館教學(xué)適合沖動(dòng)型、場(chǎng)依存型、敏銳型的學(xué)生.但是人是非常復(fù)雜的，特別是初中生，對(duì)于不同的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)有不同的學(xué)習(xí)方式.比如占有資料觀察環(huán)節(jié)是場(chǎng)依存型，動(dòng)腦思考環(huán)節(jié)是沉思型，驗(yàn)證結(jié)論環(huán)節(jié)又是敏銳型的.在某一種教學(xué)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間教學(xué)會(huì)限制學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，也容易思維固化.利用科技館資源可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，鍛煉不同的思維模式，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

(3)利用科技館資源加深知識(shí)和生活的聯(lián)系

課堂教學(xué)從“生活情境”中來到“表達(dá)應(yīng)用”中去.科技館教學(xué)則是從具體的案例出發(fā)，探索案例背后的原理，動(dòng)手操作得出結(jié)論，最后驗(yàn)證結(jié)論形成認(rèn)知，從“實(shí)際應(yīng)用”中來到“實(shí)際應(yīng)用”中去.例如，初中學(xué)生在學(xué)習(xí)了“磁生電”的知識(shí)后，即使理解了它的表達(dá)式與圖片解析，面對(duì)一個(gè)發(fā)電機(jī)依然會(huì)覺得十分陌生，因?yàn)閮H僅只學(xué)習(xí)了理論知識(shí)，即使進(jìn)行了“表達(dá)應(yīng)用”也不代表真的會(huì)“實(shí)際應(yīng)用”.但是，科技館教學(xué)可以提供發(fā)電機(jī)模型、微型發(fā)電機(jī)甚至是大型發(fā)電機(jī)，學(xué)生在動(dòng)手操作、探尋原理后真正將知識(shí)和生活緊密聯(lián)系在一起，從這一點(diǎn)看，科技館教學(xué)的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的.

基于SOI模式的科技館教學(xué)思路框架如表1所示.

表1 基于SOI模式的科技館教學(xué)思路框架

3 基于SOI模式的科技館教學(xué)案例設(shè)計(jì)

場(chǎng)館教學(xué)必須依賴于具體的場(chǎng)館，科技館教學(xué)是場(chǎng)館教學(xué)的一部分，因此,科技館教學(xué)方式的研究必須切實(shí)依靠現(xiàn)實(shí)中的科技館進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐才有意義.超一線及一線城市諸如北京、上海、南京等城市科技館資源豐富，當(dāng)?shù)貙W(xué)生可以接觸到的配套設(shè)施更加齊全，但省級(jí)科技館只能依托省會(huì)城市，至多覆蓋周邊地市，無法覆蓋全省.所以對(duì)于省級(jí)科技館輻射不到的一般地級(jí)市和縣級(jí)中學(xué)來說，地級(jí)市科技館是他們能夠接觸到也最為方便的一級(jí)科技館，以市級(jí)科技館作為研究和設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)于大多數(shù)中學(xué)也最有實(shí)踐意義.

以安徽省蕪湖市科技館的資源為例，可以應(yīng)用于初中物理教學(xué)的展項(xiàng)匯總?cè)绫?所示.

表2 蕪湖科技館可用于初中物理教學(xué)的展項(xiàng)匯總

通過匯總圖我們可以發(fā)現(xiàn)，蕪湖市科技館自然科學(xué)展區(qū)可以用于初中物理教學(xué)的共有19項(xiàng)展品，內(nèi)容涵蓋聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)與核物理等，所涉及的物理概念可以覆蓋人教版初中物理的所有重點(diǎn)章節(jié)，這說明蕪湖市科技館資源是可以滿足初中物理教學(xué)的.以“馬德堡半球”展項(xiàng)為例，進(jìn)行科技館教學(xué)設(shè)計(jì)如下.

3.1 選擇信息 建立聯(lián)系 感知現(xiàn)象

教師活動(dòng)：科技館是一個(gè)奇妙的場(chǎng)所，在這里同學(xué)們能夠體驗(yàn)到日常生活中看不到的神奇現(xiàn)象，也能夠看到生活中常見但我們從未留心的場(chǎng)景.今天，就讓我們一起揭露奧秘、感知自然、體驗(yàn)神奇.

(1)真實(shí)的問題：在之前的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)知道液體對(duì)浸入其中的物體有壓強(qiáng)作用.那么空氣是否也和液體一樣，對(duì)浸入其中的物體有壓強(qiáng)的作用呢？

其實(shí)在很早之前人們就產(chǎn)生了這樣的疑惑.1654年，馬德堡市長(zhǎng)格里克就進(jìn)行了一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，目的是證明大氣壓的存在.如圖4所示，格里克把兩個(gè)空心的半球貼在一起，抽出球內(nèi)空氣，然后用兩隊(duì)馬向相反方向拉，兩隊(duì)馬費(fèi)了九牛二虎之力終于把它拉開了，而此實(shí)驗(yàn)也因格里克的職銜而被稱為“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn).

圖4 “馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)是否真的和傳說一樣，面對(duì)兩個(gè)內(nèi)部真空的半球組成的球體，是否真的很難拉開，今天就讓我們一起走進(jìn)“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn).

(2)環(huán)境：已知室內(nèi)壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)相同，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.實(shí)驗(yàn)裝置十分簡(jiǎn)潔，和最早的“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有明顯的不同，在這里用人力代替馬匹，但是其理論內(nèi)涵是完全一樣的.

圖5 “馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)展項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)裝置是安全的，沒有危險(xiǎn)性，密閉性良好，可以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

3.2 組織信息 建立模型 探索原理

教師活動(dòng)：同學(xué)們?cè)诖笾碌亓私饬嘶顒?dòng)的背景以及熟悉環(huán)境之后，自己探索實(shí)驗(yàn)裝置，觀察儀器構(gòu)造，分析儀器的原理，并按照指示面板上的操作說明動(dòng)手操作，如果有疑問可以隨時(shí)向指導(dǎo)老師提問.

(1)分析儀器、交流：馬德堡半球裝置是由兩個(gè)透明面罩合并而成，合并后形成了一個(gè)圓球，在圓罩頂有一根通氣導(dǎo)管.右側(cè)圓筒狀裝置是操作裝置，同時(shí)也是抽氣機(jī).兩個(gè)圓罩用彈簧連接，圓罩下方有兩個(gè)拉環(huán).手拉拉環(huán)可以將兩個(gè)圓罩分開.

儀器操作面板寫有操作流程：按下“啟動(dòng)”按鈕，將半球型圓罩與頂部吸合，抽氣泵將圓球內(nèi)的空氣排出.拉住把手，用力向下拉拽，試試看半球能否被拉開.

學(xué)生活動(dòng)：自己嘗試?yán)瓌?dòng)裝置的把手，看看需要多大力可以將兩個(gè)圓罩分開.

(2)動(dòng)手操作：學(xué)生手拉拉環(huán)，可以明顯將兩個(gè)半球分開.在操作面板上按下“啟動(dòng)”按鈕，抽氣機(jī)開始運(yùn)作.此時(shí)學(xué)生再次手拉拉環(huán)，發(fā)現(xiàn)無法將兩個(gè)半球分開.讓學(xué)生和另一名學(xué)生各抓一個(gè)把手用力向下拉，依舊無法分開.

大約半分鐘后，抽氣機(jī)停止運(yùn)行.此時(shí)學(xué)生依舊嘗試分開半球，在抽氣機(jī)停止運(yùn)行前后，學(xué)生可以明顯感到一旦抽氣機(jī)停止工作，自己就可以分開圓球.至此，實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束.

3.3 整合知識(shí) 聯(lián)系實(shí)際 表達(dá)應(yīng)用

教師活動(dòng)：為什么球內(nèi)空氣減少時(shí)，很難甚至無法將半球分開呢？

(1)發(fā)現(xiàn)結(jié)論：學(xué)生自主交流討論，在抽氣機(jī)工作前后自己的感受是什么？為什么有這樣的感受？這背后的原理又是什么呢？

指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生討論，討論結(jié)束后，教師進(jìn)行總結(jié)：如圖6所示，當(dāng)球內(nèi)空氣減少時(shí)，氣壓就會(huì)降低，外部的大氣壓便會(huì)把半球緊壓在一起，因此，半球就不容易被拉開.

圖6 “馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)原理圖

“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)更加直觀地證明了大氣壓力的存在，抽掉的空氣越多，受到的外部壓力越大，半球就越難拉開.

(2)形成認(rèn)知：“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)有力地證實(shí)了大氣壓的存在，在我們的周圍，也經(jīng)常發(fā)生著許多“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn).雖然外形不同，但其實(shí)質(zhì)是一樣的，都是大氣壓在起作用.比如搬運(yùn)玻璃時(shí)，我們會(huì)把吸盤壓在玻璃上，然后將吸盤中的空氣抽出，大氣壓就將玻璃緊緊的壓在吸盤上，這樣我們就可以手握吸盤移動(dòng)玻璃了.

中醫(yī)使用的“拔火罐”應(yīng)該是最早應(yīng)用“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)原理的裝置了.利用熱脹冷縮的原理，將罐中的空氣排出.由于空氣幾乎被排空，所以罐中氣壓很小，大氣壓將罐緊緊地壓在皮膚上.

有一種塑料掛衣鉤也是運(yùn)用了“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)的原理，它的背部是一個(gè)塑料圓盤，將其用力壓在墻壁上使其內(nèi)部空氣排盡，等到恢復(fù)原狀，大氣壓就將圓盤緊緊的壓在墻壁上，上面的掛鉤就可以掛衣服了.

我們的生活離不開這些“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過完整的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生從現(xiàn)象中來到應(yīng)用中去，體會(huì)到了大氣壓的奇妙，也認(rèn)識(shí)到學(xué)好物理知識(shí)和概念可以給我們的生活創(chuàng)造便利.

4 結(jié)束語

在科技場(chǎng)館的教學(xué)中，學(xué)生能夠親身體驗(yàn)物理環(huán)境，在指導(dǎo)教師引導(dǎo)下探尋物理規(guī)律，形成物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力.這些能力在學(xué)校教學(xué)場(chǎng)景中需要大量的時(shí)間和精巧的教學(xué)設(shè)計(jì)，往往還達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果，歸根結(jié)底是因?yàn)閷W(xué)生缺乏動(dòng)手和應(yīng)用知識(shí)的機(jī)會(huì).學(xué)校必須轉(zhuǎn)變對(duì)科技館教學(xué)的認(rèn)知，將科技館作為一個(gè)正式教學(xué)的場(chǎng)所.合理利用科技館資源，推進(jìn)館校合作，變“參觀科技館”為“科技館教學(xué)”，這樣才能最大限度給予初中生探索知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)核心素養(yǎng).