侯 丹 宋昊泽

科技馆STEM教育的“基于全方位整合展品的体验式教学策略”①

侯 丹 宋昊泽②

STEM教育是目前各国用以提高学生科学素养及应用能力的重要手段，目前在我国进行STEM教育的主要载体为非正规教育。科技馆作为非正规教育的主要载体，在教学信息的载体、教学时间、教学空间、教学形式、获取知识的属性等方面都具有比传统教育更适合开展STEM教育的优势。本文从STEM学科三个维度“实践(Practices)”“跨学科概念(Crosscutting Concepts)”及“学科核心概念(Core Ideas)”的视角出发，融合了“基于合作学习和问题学习方法的逆向过程的教学设计方法”及“5E教学模式”等教学策略的核心思想，提出了适合科技馆STEM教育的“基于全方位整合展品的体验式教学策略”。

科技馆；STEM教育；教学策略

近年来，欧美国家大力发展STEM教育，以提高青少年对科学、技术、工程和数学概念的理解，加强对青少年创新意识和实践技能的提升。STEM教育的开端始于1986年美国国家科学委员会(NSB)发表的报告《本科的科学、数学和工程教育》，[1]2011年，美国国家科学委员会教育和人力资源部门前主任朱迪斯·拉姆齐(Judith Ramaley)首次正式使用STEM教育来指代科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)课程，[2]并将STEM教育定义为：学习和探究的教育过程是被安排在情境之中的，学习者可以在学习中解决真实世界的问题，并可以为自己创造解决问题的机会。STEM教育作为一种新的教学手段，其形式灵活，内容新颖，教学方法多样化，能够将独立的学科知识有机地融合在一起，在学习者学习知识的过程中，增强学习者对技术、工程的体验，达到学以致用，提高学习者综合素养的目的。这一教学方法，目前也被国内教育界人士认可并争相使用，但在使用的过程中发现，在中小学课堂教学进行STEM教育存在着一定的困难；而科技馆作为青少年学校教育的重要补充，是一条有效实现STEM教育的途径；但由于非正规教育的特点，科技馆的教育也存在着一定的局限性。因此，对在科技馆中进行STEM教育的教学策略还需要进一步的研究和论证。

一、科技馆中实施STEM教育的可行性分析

科技馆是开展科普活动、提高公民科学素养的重要场所，是落实《中华人民共和国科学普及法》和《全民科学素质行动计划纲要(2006-2010-2020年)》的重要实践平台。[3]作为重要的公益性科普教育基地，国家加强了对科技馆建设的重视，提出了“馆校结合”的要求，这也使科技馆成为青少年课外学习科学知识和技能的重要场所，是对学校教育的重要补充。

在学校教学中，青少年对技术和工程相关知识接触较少，只学习科学和数学相关知识，且对于科学和数学的课程设置，也很少能够反映科学职业从业者的实际工作。青少年为了完成学业，应付考试，大多只关注知识的记忆，而不是发现问题、解决问题的过程和方法。而对于青少年未来发展的教育，则需要掌握科技领域专业技术人员所需要的应用知识解决生活中实际问题的技能、探究技能、整合知识技能，这些都是目前正规的学校教育所不能完成的。而基于展品开展教育的科技馆，在教学信息的载体、教学时间、教学空间、教学形式、获取知识的属性等方面均有别于传统的正规教育，具有如下特点：

(一) 基于展品的教学载体

学校教育的教学载体为各学科的教材，教师根据教材进行知识的教授；而科技馆则是通过展品，基于展品本身或展品的展示进行教育活动。大型科学中心的展品形式多样，涉及学科知识较全，能够为STEM课程设置提供足够的信息载体以进行四门课程的综合化设置。此外，科技馆展品多为形象化、直观化的互动式展品，学习者可以亲自动手，体验和感受整个操作过程，通过操作探究的过程回归知识的本质，对知识的理解进一步深化。

(二) 教学时间和空间的灵活性与充裕性

学校教育大多是在固定的教室和固定的地点完成的，而科技馆的教育活动是随时进行的，学习者可根据实际情况自主确定学习时间及其长短，具有一定的自主性，保障了学生学习的兴趣。同时科技馆还具有较大的空间，可以根据其特色自行对场地进行设置，能够比较方便地为学习者设置恰当的实践情境，提供良好、轻松的实践环境。科技馆活动的时间较灵活，能够使学习者有较充分的时间完成STEM课程的探究过程。

(三) 教学形式的多样化

学校教育的形式以课堂讲授为主，而科技馆在普及科学知识方面，多采用实物体验的方式让学习者进行学习，同时还辅以科普讲座、科普夏令营、科普剧、互联网APP等多种形式和手段将科学知识、科学知识的探究过程以及将科学知识用于实践的工程和技术问题以丰富多彩的形式展现在学习者眼前。

(四) 获取知识的属性

学习者在对知识的获取过程中，通过自己直接经验获得的知识能够更好地使学习者理解其本质，能够帮助学习者更好地建构知识体系。学校教育获取知识的属性一般是来自教材的间接经验，而科技馆则是来源于展品和展品展示的直接经验，“直接经验”对学习者有效地理解知识和应用知识具有良好的促进作用。

由此可见，在科技馆中进行STEM教育，能够弥补正规教育的不足，利用现有的丰富资源，开发设计出有助于青少年科学素养提高的STEM教学活动。但由于非正规教育的局限性，目前科技馆所提供的STEM教育还存在着一定的不足，需要采用新的有效的教学策略进行STEM课程的设置。

二、“基于全方位整合展品的体验式教学策略”的提出

(一) 科技馆非正规教育存在的不足

作为非正规教育的主要平台，虽然科技馆可以不受传统教育的局限，为学习者提供更加灵活合理的学习时间及空间，为学习者创造更加真实的学习环境及实践机会，但同时也存在着一些层面的不足，需要在STEM课程的设置过程中加以改进：

1.知识传播碎片化

科技馆在传播知识的过程中，往往是通过单个展品进行传播的，忽略了展品之间的相互联系，忽略了对核心知识本质以及知识跨学科性的理解。学习者获得的知识都是零碎的、杂乱无章的碎片化知识，缺乏大概念(big ideas)的获得，不利于学习者进行知识的再次建构。

2.有科学知识的普及，缺少科学精神和科学思想的传播

科技馆在进行科学普及的过程中，往往过于关注通过展品进行单一科技知识的传播，忽略了实践，忽略了实践过程中的探究，忽略了展品应具有的让观众获得直接经验的属性，忽略了展品应该体现出的科学家研究的心路历程以及蕴含的科学方法和科学思想，使得科技馆教育未能充分实现其应有的功能和效果。

3.教学目标不够明确，教学任务过于具体

科技馆在进行展品安排和设置的过程中，对于教学目标的设置不够明确，没有将教学目标展现给学习者，而是将教学任务过于具体地通过展品说明牌或讲解员的讲解介绍给学习者。跨学科学习的教学目标应具有明确定义的结果；而设置教学任务则应相对模糊，不能过于具体。跨学科的学习要求学习者参与并整合多个学科和多种学习方法来研究某一问题，是一个实践的过程。教学目标和教学任务设置不当，科技馆便不能为学习者提供良好的自主探究的实践前提。

4.学习情境不够多元化

国内现阶段的STEM教育活动多以课堂教学的知识点为依据，作为“舶来品”的STEM教育还未完成本土化。这些教育活动除了刻意加入的情境外并没有实质性的改变和突破，不能为学习者提供真实的学习情境。

以上的不足，不只是对STEM教育教学内容设置的不足，更是对STEM课程设置需要遵循的三个维度(实践、跨学科概念、学科核心概念)的缺失。

(二) STEM学科的维度

2011年，美国《K-12科学教育框架》完成，确定了科学教育标准遵循的三个维度：实践(Practices)、跨学科概念(Crosscutting Concepts)及学科核心概念(Core Ideas)。[4]两年后，美国在《新一代标准》中首次将STEM教育正式纳入国家教育标准。在此背景下，美国学者Hubert Dyasi和Derek Bel将“实践”“跨学科概念”“学科核心概念”作为STEM教育的3个维度，这三个维度是相互联系的，缺失任何一个维度都会影响整个学科的建构。[5]这三个维度必须清晰明白地表现在整个活动的设计中，才能让学习活动成为真实的情境(见表1)。

(三) “基于全方位整合展品的体验式教学策略”的提出

针对科技馆教育存在的不足，从STEM学科三个维度的视角出发，融合现有STEM教学相关策略的教育理念，笔者提出了“基于全方位整合展品的体验式教学策略”。(参见图1)

图1 “基于全方位整合展品的体验式教学策略”流程图

首先，是对展品信息的全方位挖掘。

科技馆传播知识的主要途径是通过展品来实现的，科技馆展品的数量多，涉及多个学科，且形式多样。在进行STEM课程的设置过程中，要对展品进行全方位的挖掘，在分析的过程中主要应从四个维度对展品信息进行全面剖析：全面分析和梳理展品本身蕴含的核心科学知识、科学原理，即找出学科核心概念；深入探索科学家研究过程的心路历程，在什么样的社会环境和社会关系下，采用什么样的方法，经历了什么样的历程完成了科学知识的发现和验证，为STEM课程的设置提供原始的情境、探究的方法、技术的应用、材料的选择，为学习者的实践过程提供思路和依据；体验科学发现和科学知识对社会生产、生活、经济和文化发展的影响和促进，为STEM课程的设置提供真实的情境及验证和应用拓展环境；根据Karl A.Smith和Tameka Clarke Douglas等人提出的“基于合作学习和问题学习方法的逆向过程的教学设计方法”[6]教学策略，分析确定教学活动的结果和目标，根据教学目标和结果更好地完成教学计划的全面设置。

通过以上四个维度对展品进行全面分析后，可以确定展品蕴含的核心概念，寻找跨学科概念。在此基础上将展品分体系进行设置，可将原本碎片化的知识成体系化展现在学习者面前。这一策略有益于教学目标的确定，教学任务的模糊选择，也能够深度挖掘展品蕴含的科学精神和科学思想，克服了科技馆利用展品进行教育活动过程中存在的不足。

例如，科技馆中水力、风力、太阳能、氢能发电等几项展品，原本只是不同形式的能量转化为电能的单一展品。对它们进行全方位挖掘：水力发电体现的科学本质是将势能转换为电能，风力发电是将动能转换为电能，太阳能发电是将光能转换为电能，氢能发电是将化学能转换为电能，它们涉及的核心概念都是能量的转换。将这些展品体系化，融入项目设计中，确定它们所蕴含的跨学科概念为“系统和系统模型”以及“能量与物质：流动、循环和守恒”。此外，这些技术是在环境保护和节约能源的社会环境下发展起来的，对人类的生产和生活带来了划时代的变革。由此可以确定教育项目所体现的核心概念、跨学科概念及教学目标。

其次，是项目的选择和确定。分析学习者现有认知水平和生理发展特点，明确教学目标，选择学习情境，确定研究项目。在进行STEM课程的设置时，要给予学习者明确的目标和模糊的任务，有益于学习者的自主学习和探究，同时也能够照顾到学习者的认知和生理发展特点，自然达到分层次教学和教育公平化的目的。

例如，全方位分析水力、风力、太阳能、氢能发电等几项展品后，确定通过这几件展品开展教育活动的教学目标是：让学习者掌握能量转换的概念，建立能量转换的模型，同时树立环保的理念。在项目选择上，突出环保理念下的能量转换和利用，给出相对模糊学习任务：如何利用清洁能源进行发电，请学习者进行实践。

第三，是学习者体验式实践过程的设置。在实践过程的设计中，笔者参考了马里兰州教育部公布的STEM教学模式——5E教学模式，将STEM教学过程分为了五个阶段：参与、探索、解释、阐释与延伸、评估。[7]本文根据研究所需将这五个阶段变更为：参与、探索、解释、阐释和评价，将延伸融入到阐释的过程中。

——在参与阶段，教师要将项目展现在学习者面前，通过真实的情境，让学习者参与其中，激发学习者兴趣，吸引学习者注意力，寻找完成任务所需要的核心概念、跨学科概念。因此在这一阶段，教师要采用多样的方式让学习者参与进来，如：视频、情景剧、演示实验等。多种参与手段可以吸引学习者完全参与到项目中；

——在探索阶段，学习者通过教师提供的项目、教学目标及任务，寻找合适的材料、科学的方法和技术手段对研究内容进行思考、分析、实验、搜集信息等实践活动。在这个过程中，学习者可以通过探究构建科学、技术、工程和数学学科之间的关系；

——在解释阶段，学习者可以根据自己的实践过程、搜集到的证据和结果，进行交流，运用恰当的技术手段和数学方法进行分析和总结；

——在阐释阶段，学习者要扩大和完善他们对概念的理解，建立相应的科学模型，并学习在新的情境下应用、验证、实践和巩固探究到的知识的技能；

——评价阶段应贯穿于整个实践过程中，学习者自身的评价和反思，学习者之间的评价，教师对学习者的评价，有利于提高学习者学习的积极性和学习效率。

例如，在利用清洁能源进行发电的项目中，最初可以让学习者观看火电和核电的发电视频，通过视频资料了解：非清洁能源火电的发电过程及其给环境带来的危害、核能的发电原理和优越性以及可能带来的危害和处理方法。将教学融入到真实的生活情景中，使学习者充满兴趣地完全参与到项目中，明确项目的目标，了解项目的任务。再请学习者根据前期分析和已有知识，对使用清洁能源进行发电的项目进行分析和设计，寻找核心概念和跨学科概念，在整合科学、技术、工程和数学多门课程知识的基础上，完成探究设计，进行适当的实验探究。同时可以融入新技术元素，在进行模型建立和实验探究的过程中，引入3D打印技术，在学习者设计好模型或实验器材后可以使用3D打印机进行打印，激励学习者对项目中的实践和探究产生兴趣。每一教学阶段，教师和学生都有各自明确的分工，学生作为教学主体，在作为指导者的教师的引领下针对具体项目情境中的问题开展探索研究，通过对研究结果进行分析和总结，给出对问题的解释并进一步延伸，评估对问题的理解。

最后，是项目的评估和修改阶段。教师在STEM教学过程中和过程后，根据学习者的学习过程和结果进行反思和总结，确定项目学习的效用和效率，保留项目运作良好的方面，改进项目运作的不足之处。

三、小结

科技馆STEM教育的“基于全方位整合展品的体验式教学策略”能够从STEM科学的三个维度“实践”“核心概念”“跨学科概念”的视角出发，进行课程设置。本策略结合科技馆的特点，有效地完成了科技馆STEM课程的设置，将科学、技术、工程和数学的知识内容完美地融合，促使这些知识融会贯通，以达到提高青少年综合素养的目的。

[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，龙金晶.欧美博物馆“馆校结合”模式及其对我国的启示[C]//2011(广西·南宁)中国自然科学博物馆协会科技馆专业委员会学术年会论文集，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,刘润林译.透视科学中的探究及工程与技术中的问题解决——以实践、跨学科概念、核心概念的视角[J].中国科技教育，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]李扬.STEM教育视野下的科学课程建构[D].杭州：浙江师范大学教师教育学院，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本文获天津师范大学教育基金(编号：52XJ1601)资助。

②侯 丹：天津师范大学物理与材料科学学院实验师；研究方向：物理课程与教学论；通讯地址：天津市西青区宾水西道393号天津师范大学物理与材料科学学院；邮编：300387；Email：houdan16@126.com；宋昊泽：天津师范大学研究实习员；研究方向：教育管理，凝聚态物理；Email：451905729@qq.com。