科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學策略”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策略”①

侯 丹 宋昊澤②

STEM教育是目前各國用以提高學生科學素養及應用能力的重要手段，目前在我國進行STEM教育的主要載體為非正規教育?？萍拣^作為非正規教育的主要載體，在教學信息的載體、教學時間、教學空間、教學形式、獲取知識的屬性等方面都具有比傳統教育更適合開展STEM教育的優勢。本文從STEM學科三個維度“實踐(Practices)”“跨學科概念(Crosscutting Concepts)”及“學科核心概念(Core Ideas)”的視角出發，融合了“基于合作學習和問題學習方法的逆向過程的教學設計方法”及“5E教學模式”等教學策略的核心思想，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策略”。

科技館；STEM教育；教學策略

近年來，歐美國家大力發展STEM教育，以提高青少年對科學、技術、工程和數學概念的理解，加強對青少年創新意識和實踐技能的提升。STEM教育的開端始于1986年美國國家科學委員會(NSB)發表的報告《本科的科學、數學和工程教育》，[1]2011年，美國國家科學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(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)課程，[2]并將STEM教育定義為：學習和探究的教育過程是被安排在情境之中的，學習者可以在學習中解決真實世界的問題，并可以為自己創造解決問題的機會。STEM教育作為一種新的教學手段，其形式靈活，內容新穎，教學方法多樣化，能夠將獨立的學科知識有機地融合在一起，在學習者學習知識的過程中，增強學習者對技術、工程的體驗，達到學以致用，提高學習者綜合素養的目的。這一教學方法，目前也被國內教育界人士認可并爭相使用，但在使用的過程中發現，在中小學課堂教學進行STEM教育存在著一定的困難；而科技館作為青少年學校教育的重要補充，是一條有效實現STEM教育的途徑；但由于非正規教育的特點，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、提高公民科學素養的重要場所，是落實《中華人民共和國科學普及法》和《全民科學素質行動計劃綱要(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的重視，提出了“館校結合”的要求，這也使科技館成為青少年課外學習科學知識和技能的重要場所，是對學校教育的重要補充。

在學校教學中，青少年對技術和工程相關知識接觸較少，只學習科學和數學相關知識，且對于科學和數學的課程設置，也很少能夠反映科學職業從業者的實際工作。青少年為了完成學業，應付考試，大多只關注知識的記憶，而不是發現問題、解決問題的過程和方法。而對于青少年未來發展的教育，則需要掌握科技領域專業技術人員所需要的應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，這些都是目前正規的學校教育所不能完成的。而基于展品開展教育的科技館，在教學信息的載體、教學時間、教學空間、教學形式、獲取知識的屬性等方面均有別于傳統的正規教育，具有如下特點：

(一) 基于展品的教學載體

學校教育的教學載體為各學科的教材，教師根據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。大型科學中心的展品形式多樣，涉及學科知識較全，能夠為STEM課程設置提供足夠的信息載體以進行四門課程的綜合化設置。此外，科技館展品多為形象化、直觀化的互動式展品，學習者可以親自動手，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，對知識的理解進一步深化。

(二) 教學時間和空間的靈活性與充裕性

學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，學習者可根據實際情況自主確定學習時間及其長短，具有一定的自主性，保障了學生學習的興趣。同時科技館還具有較大的空間，可以根據其特色自行對場地進行設置，能夠比較方便地為學習者設置恰當的實踐情境，提供良好、輕松的實踐環境?？萍拣^活動的時間較靈活，能夠使學習者有較充分的時間完成STEM課程的探究過程。

(三) 教學形式的多樣化

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

(四) 獲取知識的屬性

學習者在對知識的獲取過程中，通過自己直接經驗獲得的知識能夠更好地使學習者理解其本質，能夠幫助學習者更好地建構知識體系。學校教育獲取知識的屬性一般是來自教材的間接經驗，而科技館則是來源于展品和展品展示的直接經驗，“直接經驗”對學習者有效地理解知識和應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，能夠彌補正規教育的不足，利用現有的豐富資源，開發設計出有助于青少年科學素養提高的STEM教學活動。但由于非正規教育的局限性，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策略進行STEM課程的設置。

二、“基于全方位整合展品的體驗式教學策略”的提出

(一) 科技館非正規教育存在的不足

作為非正規教育的主要平臺，雖然科技館可以不受傳統教育的局限，為學習者提供更加靈活合理的學習時間及空間，為學習者創造更加真實的學習環境及實踐機會，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系，忽略了對核心知識本質以及知識跨學科性的理解。學習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，不利于學習者進行知識的再次建構。

2.有科學知識的普及，缺少科學精神和科學思想的傳播

科技館在進行科學普及的過程中，往往過于關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，忽略了展品應具有的讓觀眾獲得直接經驗的屬性，忽略了展品應該體現出的科學家研究的心路歷程以及蘊含的科學方法和科學思想，使得科技館教育未能充分實現其應有的功能和效果。

3.教學目標不夠明確，教學任務過于具體

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

4.學習情境不夠多元化

國內現階段的STEM教育活動多以課堂教學的知識點為依據，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性的改變和突破，不能為學習者提供真實的學習情境。

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

(二) STEM學科的維度

2011年，美國《K-12科學教育框架》完成，確定了科學教育標準遵循的三個維度：實踐(Practices)、跨學科概念(Crosscutting Concepts)及學科核心概念(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，美國學者Hubert Dyasi和Derek Bel將“實踐”“跨學科概念”“學科核心概念”作為STEM教育的3個維度，這三個維度是相互聯系的，缺失任何一個維度都會影響整個學科的建構。[5]這三個維度必須清晰明白地表現在整個活動的設計中，才能讓學習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策略”的提出

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

圖1 “基于全方位整合展品的體驗式教學策略”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的，科技館展品的數量多，涉及多個學科，且形式多樣。在進行STEM課程的設置過程中，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知識、科學原理，即找出學科核心概念；深入探索科學家研究過程的心路歷程，在什么樣的社會環境和社會關系下，采用什么樣的方法，經歷了什么樣的歷程完成了科學知識的發現和驗證，為STEM課程的設置提供原始的情境、探究的方法、技術的應用、材料的選擇，為學習者的實踐過程提供思路和依據；體驗科學發現和科學知識對社會生產、生活、經濟和文化發展的影響和促進，為STEM課程的設置提供真實的情境及驗證和應用拓展環境；根據Karl A.Smith和Tameka Clarke Douglas等人提出的“基于合作學習和問題學習方法的逆向過程的教學設計方法”[6]教學策略，分析確定教學活動的結果和目標，根據教學目標和結果更好地完成教學計劃的全面設置。

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，尋找跨學科概念。在此基礎上將展品分體系進行設置，可將原本碎片化的知識成體系化展現在學習者面前。這一策略有益于教學目標的確定，教學任務的模糊選擇，也能夠深度挖掘展品蘊含的科學精神和科學思想，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、氫能發電等幾項展品，原本只是不同形式的能量轉化為電能的單一展品。對它們進行全方位挖掘：水力發電體現的科學本質是將勢能轉換為電能，風力發電是將動能轉換為電能，太陽能發電是將光能轉換為電能，氫能發電是將化學能轉換為電能，它們涉及的核心概念都是能量的轉換。將這些展品體系化，融入項目設計中，確定它們所蘊含的跨學科概念為“系統和系統模型”以及“能量與物質：流動、循環和守恒”。此外，這些技術是在環境保護和節約能源的社會環境下發展起來的，對人類的生產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的核心概念、跨學科概念及教學目標。

其次，是項目的選擇和確定。分析學習者現有認知水平和生理發展特點，明確教學目標，選擇學習情境，確定研究項目。在進行STEM課程的設置時，要給予學習者明確的目標和模糊的任務，有益于學習者的自主學習和探究，同時也能夠照顧到學習者的認知和生理發展特點，自然達到分層次教學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目標是：讓學習者掌握能量轉換的概念，建立能量轉換的模型，同時樹立環保的理念。在項目選擇上，突出環保理念下的能量轉換和利用，給出相對模糊學習任務：如何利用清潔能源進行發電，請學習者進行實踐。

第三，是學習者體驗式實踐過程的設置。在實踐過程的設計中，筆者參考了馬里蘭州教育部公布的STEM教學模式——5E教學模式，將STEM教學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，教師要將項目展現在學習者面前，通過真實的情境，讓學習者參與其中，激發學習者興趣，吸引學習者注意力，尋找完成任務所需要的核心概念、跨學科概念。因此在這一階段，教師要采用多樣的方式讓學習者參與進來，如：視頻、情景劇、演示實驗等。多種參與手段可以吸引學習者完全參與到項目中；

——在探索階段，學習者通過教師提供的項目、教學目標及任務，尋找合適的材料、科學的方法和技術手段對研究內容進行思考、分析、實驗、搜集信息等實踐活動。在這個過程中，學習者可以通過探究構建科學、技術、工程和數學學科之間的關系；

——在解釋階段，學習者可以根據自己的實踐過程、搜集到的證據和結果，進行交流，運用恰當的技術手段和數學方法進行分析和總結；

——在闡釋階段，學習者要擴大和完善他們對概念的理解，建立相應的科學模型，并學習在新的情境下應用、驗證、實踐和鞏固探究到的知識的技能；

——評價階段應貫穿于整個實踐過程中，學習者自身的評價和反思，學習者之間的評價，教師對學習者的評價，有利于提高學習者學習的積極性和學習效率。

例如，在利用清潔能源進行發電的項目中，最初可以讓學習者觀看火電和核電的發電視頻，通過視頻資料了解：非清潔能源火電的發電過程及其給環境帶來的危害、核能的發電原理和優越性以及可能帶來的危害和處理方法。將教學融入到真實的生活情景中，使學習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。再請學習者根據前期分析和已有知識，對使用清潔能源進行發電的項目進行分析和設計，尋找核心概念和跨學科概念，在整合科學、技術、工程和數學多門課程知識的基礎上，完成探究設計，進行適當的實驗探究。同時可以融入新技術元素，在進行模型建立和實驗探究的過程中，引入3D打印技術，在學習者設計好模型或實驗器材后可以使用3D打印機進行打印，激勵學習者對項目中的實踐和探究產生興趣。每一教學階段，教師和學生都有各自明確的分工，學生作為教學主體，在作為指導者的教師的引領下針對具體項目情境中的問題開展探索研究，通過對研究結果進行分析和總結，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教學過程中和過程后，根據學習者的學習過程和結果進行反思和總結，確定項目學習的效用和效率，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

科技館STEM教育的“基于全方位整合展品的體驗式教學策略”能夠從STEM科學的三個維度“實踐”“核心概念”“跨學科概念”的視角出發，進行課程設置。本策略結合科技館的特點，有效地完成了科技館STEM課程的設置，將科學、技術、工程和數學的知識內容完美地融合，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“館校結合”模式及其對我國的啟示[C]//2011(廣西·南寧)中國自然科學博物館協會科技館專業委員會學術年會論文集，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.透視科學中的探究及工程與技術中的問題解決——以實踐、跨學科概念、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教育視野下的科學課程建構[D].杭州：浙江師范大學教師教育學院，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教育基金(編號：52XJ1601)資助。

②侯 丹：天津師范大學物理與材料科學學院實驗師；研究方向：物理課程與教學論；通訊地址：天津市西青區賓水西道393號天津師范大學物理與材料科學學院；郵編：300387；Email：houdan16@126.com；宋昊澤：天津師范大學研究實習員；研究方向：教育管理，凝聚態物理；Email：451905729@qq.com。