利用移動媒體技術引導基于靜態(tài)展品的探究式學習
——以展品“神舟載人飛船返回艙”為例

崔勝玉 辛尤隆 郭 鑫 黃 踐

靜態(tài)展示類展品是科技館或博物館展覽的重要組成部分，是不可缺少的科普傳播媒介和科普資源，該類展品往往蘊含著豐富的歷史知識、科學概念、科學精神和人文情懷等科學、文化的信息，由于互動體驗不多，如果缺少主動講解，參觀者很容易錯過展品背后蘊含的豐富信息內容。

進入物聯網時代，以大數據、云計算、移動、社交為主的創(chuàng)新技術正在顛覆傳統(tǒng)的生活和工作模式，而移動互聯網的迅速發(fā)展、智能手機逐步普及、各種智能設備的發(fā)明也為科技館或博物館展教形式的改革與創(chuàng)新帶來了更多的可能。目前，包括iBeacon在內的移動媒體技術，已在許多學校和科技館中應用，利用其輔助學校和科技館開展教育，是發(fā)展的大趨勢，也是學習者的需要。不過，當前利用移動媒體技術設計的學習內容存在變相說教，向用戶灌輸知識的現象，缺乏探究性、引導性，內容表達形式大多是圖片或文字，不易于用戶理解，也讓用戶閱讀了解的興趣不高，這顯然不符合當代科學教育倡導探究式學習的教育理念，也與科技館基于互動展品的探究式學習的特點背道而馳，不易體現科技館的教育資源和教育特征優(yōu)勢。2022年，教育部印發(fā)《義務教育科學課程標準(2022年版)》，其中明確指出，倡導以探究和實踐為主的多樣化學習方式，讓學生主動參與、動手動腦、積極體驗，經歷科學探究以及技術與工程實踐的過程；引導學生對所學知識和方法進行總結、反思、應用和遷移，促進學生自主學習和合作學習，探究式學習因其重視學生主體性、能動性和獨立性的提升而備受關注?？萍拣^展品用戶大多為中小學生與家長以及愿意深度學習展品的參觀者，應選取探究式學習理論指導內容設計。因此，利用移動媒體技術，引導參觀者運用手持移動設備(如智能手機)實現對展品的探究式學習，不僅可以充分體現科技館的教育資源和教育特征優(yōu)勢，同時對于激發(fā)學習者的好奇心也有積極意義。

一、5E教學法

5E教學法又稱5E學習環(huán)，是一種以問題為導向的探究式教學法，近年來我國科技館的實踐已表明它也適用于科技館的教育活動。5E教學法的特點體現在它的教學流程(或稱教學模式)，即導入(Engagement)→探究(Exploration) →解釋(Explanation) →遷移(Elaboration) →評價(Evaluation)的五個教學環(huán)節(jié)，這一流程及其內容與科學家科學研究的過程及內容很相似，實際上是通過教學流程將“科學家們以科研為目的的科學探究實踐”轉化為“參觀者以學習為目的的科學探究實踐”。這體現了美國20世紀80年代末90年代初《2061計劃》提出的“像科學家探究科學一樣學習科學”、1996年美國《國家科學教育標準》提出的“科學探究是科學與科學學習的核心”、2013年美國《新一代科學教育標準》提出的“基于科學與工程實踐的跨學科探究式學習”等引領國際科學教育改革潮流的先進教育理念。

圖1 5E教學法示意圖

5E教學法中“導入”是通過某種方式引出包含將要學習內容的問題、懸念、認知沖突等，以激發(fā)學習和探究的興趣，并且這一興趣要直指即將學習的內容，有時甚至引出將要采用的探究方法?！疤骄俊笔菂⒂^者自己動手體驗，利用展品進行研究，收集數據和證據，回答之前提出的問題?！敖忉尅笔窃趨⒂^者探究的基礎上，給予一些詞匯、概念和原理的正式解釋。參觀者在和展品的互動體驗中，體驗過程，構建新的知識和科學的解釋，回答最初提出的問題?！斑w移”是參觀者應用新的理解解決新的問題及現象?！霸u價”是參觀者用正式或者非正式的方法評價新的知識、理解和能力。

二、iBeacon技術及微信的配置

iBeacon技術是一種精確微定位技術，可自動推送相關信息至智能設備，支持IOS系統(tǒng)和安卓系統(tǒng)的開發(fā)。iBeacon基站利用低功耗藍牙技術，創(chuàng)建一個信號區(qū)域，當用戶手持設備靠近一個iBeacon基站時，設備能夠感應到iBeacon信號，相應的應用程序便會提示用戶是否需要接入這個信號網絡，自動推送相應的文字、圖片、視頻等多媒體信息。

圖2 iBeacon技術示意圖

iBeacon最主要的優(yōu)勢就是精準定位，通過周邊多個iBeacon收發(fā)器，用戶的位置可以被精確定位至幾米的范圍內，這一定位技術被業(yè)內統(tǒng)稱為“微定位”(microlocation)。目前適用廣泛的定位技術有GPS和NFC。相對于GPS的定位不夠精準和NFC要求定位距離太近的劣勢，iBeacon表現出強大的優(yōu)勢：讓地理定位能夠更加精確——從幾百米的精度提高到了一米甚至半米。可以讓很多的實際物體都有條件進行地理定位，例如一張桌子、一把椅子，都可以有自己的地理坐標。

表1 iBeacon與其他移動媒體技術的比較

通過對比可以看出，多媒體顯示屏成本太高，設備和開發(fā)成本成為了一大障礙；“二維碼”和微信平臺只能由用戶主動掃碼和搜索。而iBeacon技術可以直接將相關信息自動推送到用戶的智能手機或平板電腦上，這樣用戶可以有效利用自己的智能設備進行參觀學習，成本低廉。同時，iBeacon自動推送信息可以大大提高用戶的使用率，由于iBeacon的技術特點是在后臺實時對用戶進行定位和數據傳輸，因此用戶甚至只需要從口袋中拿出手機就能夠看到自己感興趣的內容，而這也恰恰是iBeacon相較此前NFC或者二維碼技術的最大優(yōu)勢所在。另外，國外曾針對大量APP做過統(tǒng)計，發(fā)現每個APP平均6個月的用戶留存率只有15%，但做了自動推送后，留存率即達到30%，提高一倍。

經前期調研發(fā)現，2014年“五一”期間，北京某購物中心部署300個水滴iBeacon基站，將商場重點公共區(qū)域都覆蓋了iBeacon信號，進而推出“春夏新品瘋狂BUY、下載水滴搶免單”的活動，利用手機應用、iBeacon基站讓消費者可以實時互動并獲取到位置信息，享受到更好的購物體驗。在國內一些課堂教學中，將iBeacon 設備放置于教室中，學生打開手機藍牙，啟動“微信—發(fā)現—搖一搖”，搖動手機，微信將接收到iBeacon 設備發(fā)射的信號，微信服務端根據接收到的UUID、Major、Minor 等信息為用戶推送綁定的H5互動教學頁面，學生可點擊登入線上教學系統(tǒng)，與教師一起完成互動內容。

本研究基于微信平臺“周邊”功能，搭建“中科館展品助手”微信小程序，實現iBeacon基站與“微信搖一搖”綁定，可通過搖一搖推送輔導內容。用戶在iBeacon設備信號范圍內打開微信“搖一搖”參與互動，只需點擊搖一搖結果，在微信內嵌的瀏覽器中就可直接跳轉到輔導頁面。展品輔導資源界面進行了特殊設計，界面采用H5網頁的形式呈現，這樣能兼容文字、圖片、音視頻。H5網頁主要包括6部分內容，并與5E教學法做了對應(見圖3)。

圖3 展品輔導資源一級界面示意圖

三、展品介紹

展品“神舟載人飛船返回艙”位于中國科技館四層“太空探索”展廳，展品由神舟一號飛船返回艙實物、操作臺、圍欄組成。參觀者通過操作臺上的2個平板電腦，借助增強現實技術實現3D透視效果，了解神舟系列載人飛船返回艙內部結構及航天員活動。另外平板電腦可演示降落和軟著陸過程動畫，讓參觀者了解返回艙降落過程(見封三)。

四、展品輔導資源開發(fā)

(一) 激發(fā)興趣，導入問題

本環(huán)節(jié)對應5E教學法中的第一個“E”，即導入(Engagement)。導入的目的是為了引發(fā)用戶的興趣。為了解用戶操作誤區(qū)及用戶針對展品關心的問題，在展廳對20組用戶進行訪談，收集用戶對于此展品關心的問題。經梳理匯總，包含以下內容：“神舟一號飛船返回艙造型為什么都是這個形狀？”“神舟一號飛船返回艙里面什么樣？”等。為吸引用戶的注意力和激發(fā)學習興趣，本案例采用了“挑戰(zhàn)+角色扮演”的教學設計。

挑戰(zhàn)：用戶進入微信小程序查看展品照片，可看到“神舟一號返回艙”外觀，但卻不了解其內部結構，會產生疑問。本文將該環(huán)節(jié)命名為“如何玩轉這個展品，返回艙內部都有什么？”，通過問題導向的方式，直觀引導公眾參與探究展品，從給定的三張圖片中選擇 “神舟一號返回艙” 3D透視效果圖，選好之后，查驗答案。通過營造懸念、設置挑戰(zhàn)，激發(fā)探究興趣。

角色扮演：“你是設計師，如何來設計飛船返回艙？”在載人航天史上，曾出現過幾種飛船返回艙造型：球型(蘇聯“東方”號飛船返回艙)、錐型(美國“水星”號和“雙子星”號飛船返回艙)、鐘型(蘇聯“聯盟”號和中國“神舟”號飛船返回艙)等?！叭绻闶秋w船返回艙設計師，你會如何設計呢”？通過“角色引入”形式，從而激發(fā)了用戶對“神舟一號返回艙”構造的學習和探究欲望。

(二) 引導探究，尋找答案

本環(huán)節(jié)對應5E教學法中的第二個和第三個“E”，即探究(Exploration)與解釋(Explanation)。本案例將通過問題或建議的形式給予用戶恰當引導，帶領用戶探究神舟一號飛船返回艙造型及內部構造的相關答案(見圖4)。在此過程中，展品輔導界面將對用戶的設計提出明確的要求，例如：節(jié)省空間，便于安裝在運載火箭的頂部；減少飛行阻力；方便航天員在火箭發(fā)射后發(fā)生故障時離開；防止返回地面的降落過程中發(fā)生翻滾等。用戶進入微信小程序，可以針對上述問題及建議進行探究。在微信小程序“全景看返回艙”界面中，通過模擬返回艙設計和試驗的過程，引導用戶進行分析思考，從中悟出科學原理。用戶可以在錐型、鐘型、球型、圓柱型等返回艙外形中進行選擇，設計成某種造型后，演示其在安裝、發(fā)射、飛行、返回地面的過程中產生的不同結果；用戶還可以換一種造型，查看又會產生什么樣的結果？如果沒有配重，或未將配重設置在返回艙的底部，又會產生什么結果？引導用戶思考：為什么會產生上述結果？為什么除了第一代“東方”號飛船之外，后來美國、蘇聯、中國的返回艙都要設計成底大頭小的“不倒翁”形狀？

圖4 展品輔導資源探究環(huán)節(jié)互動界面

最后，通過一段輔導視頻，解讀其中的奧秘。視頻內容如下：①引入情景，兩個外形相同的飛碟，一個底部增加配重，一個沒有配重，從高處落下，抓拍飛碟下落的過程，一個平穩(wěn)下落，另一個在空中下落過程中不斷翻滾。②問題導入，返回艙采用一頭大一頭小的“鐘”形外形，是為了避免返回艙下落過程中翻滾？③原理解釋，返回艙在進入大氣層后，作用在返回艙上的空氣對返回艙產生壓力，這些壓力可以合成一個對返回艙任何一點的力和力矩，但是在返回艙上有這樣一個點，對該點求合力時只有力而沒有力矩，這個點就叫氣動力中心。通過合理設計儀器設備的布局位置以及增加適當的配重，可以將返回艙質心配置在返回艙氣動力中心之前的一定位置，可保證返回艙至少存在一個穩(wěn)定點，不會一直翻滾，從而形成一個穩(wěn)定的再入姿態(tài)。

(三) 拓展探究

“拓展探究”對應5E教學法中的第四個“E”，即遷移(Elaboration)。對展品展示內容更加全面的了解，同時鼓勵公眾將概念應用到新的情境中，獲得更多信息和技能。

在本案例的“全景看返回艙”部分，設置返回艙仿真模型，用戶可以隨意點選模型上的按鈕，了解返回艙模型相關文字內容，全面認識神舟一號返回艙。可以了解返回艙防熱層的材質，降落傘的數量及面積等相關內容。針對其他用戶關心的問題則采用原理圖、模型、動圖等形式，并配上盡可能精簡且突出重點的文字，進行解釋。

在“拓展探究”部分，推薦展廳中的關聯展品“三軸旋轉滾環(huán)”，用戶可以通過親身體驗，讓用戶了解如何訓練航天員在太空失重環(huán)境中的眩暈控制能力，同時也能更加深刻地感悟返回艙穩(wěn)定飛行的意義。

(四) 評價反饋

評價反饋對應5E教學法中的第五個“E”，即評價(Evaluation)。此項內容可促進展品之間相互聯系，同時也可考察參觀者是否真正理解這個展品的原理，可以舉一反三。本環(huán)節(jié)設置“熱點大討論”，引導用戶利用自己在這一活動中學到的新概念和技能來思考問題，主題是“如果讓你擔任載人登月、登陸火星的設計師，你會如何運用本次所收獲的知識、方法、思路來進行設計？”引導用戶在微信小程序留言，引導用戶從著陸器造型、返回艙主體結構、氣動外形、生命維持系統(tǒng)、再入熱防護材料、回收、可重復使用等多個角度進行研討，深入思考載人航天科技發(fā)展。

五、結語與展望

本文以科技館中靜態(tài)陳列型展品為研究對象，基于iBeacon技術及微信平臺，開發(fā)信息化輔導資源平臺，根據5E學習教育理論，設計探究式學習輔導資源內容，將原本隱含于靜態(tài)展品之中的科學技術內容形象化、感知化、趣味化，使用戶通過微信“搖一搖”，實現探究式學習，提高展教過程的互動性和用戶的學習積極性，實現深度學習展品展示內容，這是利用物聯網技術優(yōu)化科技館、博物館展覽教育的一種實踐。

移動互聯網時代，人們的學習方式逐漸移動化、碎片化、定制化，由于信息量的激增、學習渠道的多樣化等原因，導致碎片化學習的效率低下。因此，展品探究式學習輔導資源內容須簡潔，主要目標為實現展品教育目標的延伸和擴展，不宜面面俱到，否則容易引導公眾思維不集中。要實現靜態(tài)展示的展品數字化，利用增強現實等新技術，讓靜態(tài)展品活起來、動起來，吸引用戶關注。要注重對展品細節(jié)科學知識的展示，可以錄制簡單的科學實驗視頻，或者拍攝輔導視頻等方法來詮釋晦澀難懂的科技內容、科學概念、科學精神和歷史人文等信息。要做好調查研究，利用微信小程序平臺的優(yōu)勢，可以對使用資源包的用戶發(fā)放調查問卷，收集用戶對輔導資源滿意度評價信息。經分析可看出，用戶對采用微信“搖一搖”的方式獲得展品輔導資料的意愿度更高，用戶喜歡形式為更多生動的視頻輔導方式，此類意見對于后期展品探究式學習輔導資源內容開發(fā)提供了很好的借鑒。