张彩霞

STEM教育核心理念与科技馆教育活动的结合和启示

张彩霞①

STEM教育强调以核心概念为主线，实现科学与工程实践、跨学科概念和核心概念三者之间的紧密整合。这与科技馆“以互动体验和动态演示型展品为主要载体，通过多样化的教育活动进行科学教育和科学传播”的功能具有较多吻合之处。本文从STEM教育核心理念和特点入手，深入分析科技馆教育活动与STEM教育的融合之处，重点研究STEM课程的设计流程，着重分析“科学实践”主题的提取和选择、“跨学科概念”和“核心概念”的梳理、基于实践的建构主义教学设计以及学习评价四个环节，并结合STEM课程案例“建设我的月球基地”对具体流程进行对应分析和解读，最后从以上四个重点环节对科技馆STEM教育活动的开发设计提出相关建议。

STEM教育；核心理念；科技馆；教育活动

STEM教育源自美国，其名源于科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的简称，它强调多学科的交叉融合，注重培养学生的创新和实践能力。科技馆作为重要的非正规教育机构，同样强调多学科融合、互动体验及学习实践。因此，如何借鉴STEM教育理念来指导科技馆教育活动有着重要的实践意义。

一、STEM教育核心理念及与科技馆教育的结合点

(一) STEM教育的核心理念

20世纪50年代，美国提出科学素养的概念，并将其列为影响国家综合实力的关键因素之一；70年代，随着技术和工程对生活的巨大影响，技术素养成为科学教育的首要目标。1986年，美国国家科学委员会发布《本科科学、数学和工程教育》(又称《尼尔报告》)，首次明确提出“科学、数学、工程和技术教育集成”[1]的纲领性建议，这是STEM教育的起源。1996年，美国颁布第一个《国家科学教育标准》并提出“以探究为核心的科学教育”理念。2011年7月，美国国家研究理事会发布《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》[2](以下简称《框架》)，强调科学研究和工程实践，从而实现科学与工程实践、跨学科概念和核心概念三者之间的紧密整合。2013年4月，美国国家研究理事会颁布《新一代科学教育标准》[3](以下简称《新标准》)，首次将STEM教育纳入了国家教育标准，还将“科学与工程实践”“跨学科概念”和“核心概念”三个维度嵌套在每一个标准里，以期为所有标准使用者提供指导和说明。这三个维度各有侧重，其中：

1.“实践”特指“科学与工程的实践”，这是科学学习的基础，其宗旨在于通过实践活动，可以检验学生所学知识并用于解决实际问题，进而提高科学实践和创新能力。[4]

2.“跨学科概念”是指能够应用于科学和工程领域的通用概念。这些概念超越学科界限，强调学科之间的连贯性和系统化，也更有利于学生进行科学实践。

3.学科“核心概念”则聚焦在各门学科内非常重要的关键性概念，它能够对学生理解复杂的“跨领域概念”和解决问题提供工具与支持，一般涉及物质，生命，地球与空间科学，工程、技术和科学运用。跨学科和核心概念的学习应相互联系，通过多次反复学习才能逐步深化。

同时，这三个维度也在《新标准》中得到了细化和延伸，具体通过预期成果、联系框和基础框三部分来实现。以《新标准》“运动和稳定性：力和相互作用”章节为例：其预期成果是通过计划和调查，比较不同强度或不同方向的推拉对物体运动的影响。基础框包括：(1)科学与工程实践：回答问题或测试解决方案，规划和开展调查，提供支持解释或设计解决方案的数据；交流信息。(2)学科核心概念：力和运动；力的相互作用；能量与力的关系。(3)跨学科概念是原因和影响。

基于此，我们可以发现，美国推行STEM教育项目后，尤其是《新标准》颁布以后，K-12学科教育的重点转向科学和工程教育，强调以“核心概念”和“跨学科概念”为主线的科学研究和工程实践，最终目标是提高国民科学、技术、工程和数学综合素养和解决问题的能力。

(二) 科技馆教育的特点

从本质上来讲，科技馆属于博物馆范畴，本身应该具备现代博物馆“教育、研究、收藏”三大功能，教育功能列于首位。教育本身包含展品教育和教育活动两部分，其中展品是博物馆最具特色的教育资源，是博物馆教育的重要载体；教育活动尤其是基于展品开发的教育活动则是重要的教育功能实现方式。同时，科技馆又有其独特性：它是以互动体验型和动态演示型展品为主要展示载体，同时具有其它普及性科学教育和科学传播功能，常年对全社会公众开放，不以营利为目的的公益性科普场馆。[5]科技馆教育有如下特点：

一是展览展品是科技馆的本质特征和重要载体，且科技馆展品多以科学家进行科学研究的实验装置或进行科学考察的对象为原型。观众操作体验展品的过程，其本质就是体验科学家获得“直接经验”的“实践”过程，即是观众提出问题、利用展品进行不断尝试、分析数据和进行解释并逐步得出结论的过程，期间也可进行分享和交流。中国科技馆王恒研究员等人曾对科技馆展品特征进行了高度概括，认为“科技实践、探究式学习、直接经验是科技馆展品应具备的三大要素”。[6]这是科技馆教育在实践层面与STEM教育高度融合的体现。

二是教育活动尤其是基于展品的教育活动作为科技馆发挥教育功能的重要方式，也应体现科技馆的特征。在活动设计和实施过程中，要强调通过“实践”“探究”获得“直接经验”的过程以及由此得到的能力培养以及科学素养提升。其中，“科技实践”是基础条件和学习情境；“探究式学习”是教学方法和过程；“直接经验”是学习效果和目标；核心是“基于实践的探究式学习”。[7]

三是“跨学科概念”和“核心概念”本应构成科技馆展览及教育活动的主线。多数科技馆采取主题式展区布局模式，并配以相关核心科学概念的体验式展品展项。但目前大多数科技馆更多强调的是“核心概念”，对于“跨学科概念”的考虑相对较少，也就缺少基于“跨学科概念”的展示设计。

总之，STEM教育的“实践”“跨学科概念”及“核心概念”三个维度与科技馆教育具有相融性，并为科技馆提升教育水平指明了方向。科技馆作为建立在“实践”基础上的“跨学科”融合的教育场所，无论是展品展示还是基于展品的学习过程，其科学传播重点不在于零碎的科学知识，而在于强调通过建构主义学习氛围，并通过体验展品、观看演示及动手制作等形式，引导观众主动发现问题并思考解决方案，从而提升公众科学素养和实践能力。这均是通过“实践”“探究”获得“直接经验”的过程。

二、科技馆STEM教育的课程开发流程及案例分析

通过以上分析，科技馆教育与STEM教育存在较多可融合之处。那么，如何从实践层面利用STEM教育理念来引导科技馆教育活动的开发和实施，就显得尤为必要和可行。

(一) 科技馆STEM教育的课程开发流程

STEM教育强调“科学与工程实践”，具体包括8种实践方法，包括提出与确定问题；建立和使用模型；设计和实施调查研究；分析和解释数据；利用数学和计算思维；建构解释和设计解决方案；基于证据的论证；获取、评估和交流信息[8]。这些实践活动强调学生动手、动脑，通过探究和体验参与学习过程，并用于解决现实问题的目的。这与建构主义教学“问题驱动”“学生为中心”“协作学习”“整体评价”等特点相吻合，其本质是基于实践的建构主义教学过程。因此，本文结合北师大余胜泉教授提出的建构主义教学设计模式[9]，尝试构建基于STEM教育的科技馆教育课程设计流程，并以前文提及的STEM教育三大维度为基础，重点围绕“科学实践主题”提取、“跨学科概念”和“核心概念”梳理、基于实践的建构主义教学设计以及学习评价四个关键环节，分析基于STEM教育项目的科技馆教育活动的开发和设计流程。

1.“科学实践主题”的提取和选择

首先需要确定“科学实践主题”，这决定了课程设计的重点和思路。一般情况下，“科学实践”有三种路径可选，即学科知识整合、生活经验整合和学习者中心整合。学科知识整合关键在于寻找不同学科知识间的联系，并逐步将其改造成以问题为核心的课程，这些问题是假定的真实问题；生活经验整合强调社会实践活动，往往以真实的社会项目为设计和实施载体，将跨学科的内容、思维能力发展与真实环境联系起来，作品设计和项目运作是主线和驱动力；学习者中心整合通常由学生通过调查提出任务并主导项目设计和实施，教师仅发挥协调、指导、监督和评价的作用。这三种路径各有特点，相互联系和补充。

2.“跨学科概念”和“核心概念”的梳理

“跨学科概念”和“核心概念”是课程设计的主线，这是建立在对教学目标、教学对象等分析基础上的。面对不同的目标和对象，可能提取的相关概念差别很大。一方面，科技馆STEM课程教学目标也需包含 “知识和技能” “过程和方法”以及“情感、态度、价值观”整体三维目标，其终极目标是提升观众解决问题的能力。同时，设计者应该结合“科学实践主题”和学习者特点，绘制“知识地图”，提炼“跨学科概念”和“核心概念”，并将“核心概念”融入跨学科理念辅导中。

3.基于实践的建构主义教学设计

前文已提及，STEM教育极为强调学习者的知识和能力建构过程，其本质是基于实践的建构主义教学过程。具体来说，应该包括四个环节的流程设计：

(1) 学习任务设计：依据所选教学模式的不同，学习任务略有不同，或为真实的社会项目或为假定的真实问题，整个教学过程就是引导学生学会解决问题或完成任务的过程。在学习任务设计中，要特别强调情境化还原过程，增加相关知识的生动性、丰富性和趣味性。

(2) 学习活动设计：有效的教育项目设计，必须以有效的学习活动为中介。具体活动设计过程，实际上就是教师依据目标、内容和情境选择和设计系列活动的过程。不同的教学模式选择，往往会伴随着不同的教学环节和程序。而结合科技馆特点，展厅参观体验、动手制作、实验演示、活动探究等都是可以选择的活动类型。一般来说，活动设计过程中，应该有意识地引导学生提出问题、进行假设、建立模型、测试计算、推理论证并交流分享。

(3) 工具与资源设计：学生完成整体项目任务需要进行大量的自主学习和知识建构，因此适宜的学习环境和丰富的工具资源必不可少。学习环境设计包括教学过程中可能使用到的设备、器材以及信息化工具，比如科技场馆的展品展项、科普影片、科普实验道具等资源。

(4) 学习支架设计：这一步骤要体现学生的主动学习和教师的指导帮助，教师应具备对教学各环节的控制、管理和指导能力。比如针对不同学生的学习方法、存在问题进行指导和反馈，纠正学生由于知识储备不足而可能出现的行为和目标偏差，引导学生充分体验科学探究所经历的思维过程，不断规范学生学习，确保学生进行学习并解决问题的关键。

4.学习评价

STEM教育侧重于培养学习者解决实际问题的能力，建议多使用形成性评价，即偏向于使用量表、行为观察等方式了解教学成果并进行改进。比如可以利用学生自评、小组互评、教师测评和专家点评等多种方式，从整个学习过程的态度、兴趣、参与程度、任务完成情况及作品进行评估。

图1 科技馆STEM教育课程开发流程

(二) “建设我的月球基地”项目案例分析

“建设我的月球基地”项目是2016年中国科学技术馆开发实施的系列活动，具体包括“绘制我的月球基地”“搭建我的月球基地”和“展示与点评”三个环节。本部分案例重点分析“搭建我的月球基地之登陆大作战”活动，这是一项基于STEM教育理念的教育活动尝试。

1.真实的科学实践情境

该活动实践主题是建立在学科知识整合和生活经验整合基础上的。所有学生每四人分为一组，需要在限定时间内依据一定材料，完成月球车大探险和月球车登陆两个任务，并以团队的形式进行比拼。具体的评分规则包括：建造成本、月球车的行驶距离、登陆器的精度以及生存能力。

2.“跨学科概念”和“核心概念”梳理

本活动涉及到的“跨学科概念”包括系统和系统模型、能量和物质、结构和功能等部分；其核心概念主要集中在物质科学领域，如斜面的受力分析、自由落体运动时阻力的影响因素等。

3.实践的建构学习过程

(1) 学习任务设计：基于月球车大探险和月球登陆两个任务驱动，引导学生提出问题：如何设计月球车才能实现成本最低、行驶距离更远；如何构造登陆器才能保证耗用最少、安全系数最高。

(2) 学习活动设计：该课程包括背景经验活动、工程设计活动、团队竞赛和分享交流四大部分。预活动是在辅导员的引导下完成的，通过参观展厅、观看图像和影片等向学生介绍月球的基本情况，并进行交流分享。工程设计环节包括设计月球车和搭建登陆器两部分。学生会拿到任务清单、材料清单及具体评分规则，以团队的形式设计月球车和登陆器，要充分考虑成本和效果。团队竞赛是测试月球车的行驶距离和登陆器的保障能力，成本越低、运行距离越远、精度越准、生存能力越强得分越高。分享交流环节强调双向性，包括学生之间、学生和辅导员之间的交流和互动。

(3) 资源及学习支架设计：该课件中涉及较多的工具和资源，比如展厅展品、图片、影像资料、各种可供选择的材料(如木车轮、泡沫板、奶茶杯盖、木筷、吸管、塑料袋、气球、橡皮筋等)。而且，辅导员提前筹划了各种学习支架，比如月球及月球基地的基本知识、月球车及登陆器构造、功能以及可能遇到的受力情况等问题，在关键环节予以纠偏和指导。

4.学习评价

本课程采用形成性和终结性相结合的评价方式。一方面，学生依据任务要求，设计出月球车和登陆器，通过竞赛测试成本、距离、精度和生存能力，构成形成性评价。而且，团队还需对作品的构造及功能进行介绍；辅导员依据设计过程及竞赛结果，剖析两项任务，指出设计的关键点并进行相关的受力分析，并分析各组的优劣势，形成综合评价。

本活动基于真实情境，以活动为基础，以培养学生综合能力为目标，精心提取“实践主题”和“核心概念”，策划出高度关联的活动内容，很好地激发了学生的参与主动性，有较好实践效果。

三、反思和建议：基于STEM理念的科技馆教育活动

目前科技馆教育活动还存在诸多问题，在探究、互动、支架引导方面经验不足，尤其是基于多学科融合、突出实践的STEM教育活动相对较少。前文在剖析STEM教育理念的基础上，提出了科技馆STEM教育课程开发流程，这对科技馆教育活动实践具有重要指导意义。具体来说：

一是科学实践主题的提取和“跨学科概念”和“核心概念”的梳理。STEM教育活动是基于真实或虚拟情境的实践过程，科学实践主题决定了课程设计的重点和思路。结合科技馆特色，不同类型活动的实践主题选择有所侧重。对于馆校结合教育活动，可采用基于学科知识的整合模式，充分考虑学校各学科课程标准并结合科技馆展品内容，对不同学科知识点进行重新梳理和连接，建立以问题为核心的课程体系。对于除馆校结合外的展厅教育活动，这是科技馆教育活动的核心和基础，可采用生活经验的整合模式，将跨学科内容与真实社会现象结合起来，并伴随着真实作品或真实问题的解决环节。而对于实验室和活动室的系列化课程，由于其具有长期性、系统性，可采用学习中心整合模式，充分发挥学习者在整个项目中的主导和设计地位，教师发挥协调、指导、监督和评价的作用。

二是强调科技馆资源的充分利用和获取。要充分结合科技馆的展品以及科普影视等资源，增强学生的互动操作、探究学习、交流研讨等环节，让学生能够有身临其境的真实体验；在资源获取方面，弱化教师集中进行知识讲授的环节，将科技馆各类展教资源巧妙地穿插于活动的体验和互动中。

三是强调基于建构主义的教学活动设计，这是STEM教育的重要特点。基于STEM的教育活动不同于传统的手工制作或小实验，其最终目的不是让学生获得某些知识点、学会某项技能或者做出一个科普作品，它的衡量标准是综合性和过程化的。通常情况下，教育活动设计应突出“探究式学习”和“设计制作”两个环节。在探究循环中，强化“提出问题、构建设想、模型搭建、设计制作再到交流分享”的基本流程，主张学生的自主性和探索力；在设计制作循环中，要更多考虑学生兴趣，增加分析解释、构想、设计绘制并通过展厅参观进行对比验证的体验过程，而且要进行交流分享。

四是教育活动方案设计要充分借鉴STEM课程的开发流程。第一，结合活动对象特点选择适合的整合模式；第二，要通过绘制知识地图，将相关内容进行跨学科的整合；第三，要开展学习任务设计，这是核心和立足点；第四，充分考虑工具和资源设计，结合科技馆的教育课程，具体资源可能包括展品展项、科普影片、模型设计及搭建工具以及材料加工等；第五，设计者应充分考虑对课程各环节的控制、管理和指导能力，如对关键知识点、关键环节的有效引导和掌握。同时要充分利用学生自评、小组互评、教师测评和专家点评等方式，对整体项目进行评估。

综上，STEM教育理念强调跨学科及与现实联系、建构主义教学和学习过程评估，与科技馆教育存在较多的共通之处。科技馆作为重要的非正规教育机构，在开发和设计教育活动时，应吸收STEM教育的核心理念，坚持以项目为主体，注重科学、技术、工程等学科的有效融合，为参与者创造自主学习的环境和知识建构途径，通过学习过程促进学生能力提升。

[1]王娟，吴永和.“互联网+”时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J].远程教育杂志，2016(2)：90.

[2]The National Research Council.A Framework for K-12 Science Education:Practice,Crosscutting Concepts,and Core Ideas[Z].2010.7

[3]The Next Generation Science Standards[EB/OL].http://www.nextgenscience.org/.2013-05.

[4]叶兆宁.美国新一代科学教育标准概要[EB/OL].[2013-09-23]http://blog.sina.com.cn/s/blog_538c514e0101co1h.html.

[5]中国科技馆课题组.科技馆教育活动创新与发展研究报告[R].中国科协“十三五”规划前期研究课题，2015.

[6]中国科技馆展览教育中心课题组.科技馆体系下科技馆教育活动模式理论与实践研究报告[R].中国科技馆课题，2015.

[7]中国科技馆展览教育中心课题组.科技馆体系下科技馆教育活动模式理论与实践研究报告[R].中国科技馆课题，2015.

[8]叶兆宁.美国新一代科学教育标准概要[EB/OL].[2013-09-23]http://blog.sina.com.cn/s/blog_538c514e0101co1h.html..

[9]余胜泉，杨晓娟，何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究，2000(12)：7-13.

The Combination and Enlightenment of the Core Ideas of STEM Education and the Educational Activities in Science Centers

Zhang Caixia

STEM education emphasizes the three important dimensions including science and engineering practice,the interdisciplinary concepts and core concepts.Science centers,as informal science education institutions,take some interactive and dynamic exhibits as the main carrier in order to develop the functions of science education and science communication through a variety of educational activities.This paper starts with the core ideas of STEM education and their characteristics,analyzes the fusions between STEM education and educational activities in science centers,and then proposes the special process for designing STEM courses,such as how to extract some “scientific practice” theme,how to select “interdisciplinary concept” and “core concept”,and how to design the practice of constructivism teaching and learning assessment.There is a case study with “the construction of my moon base” STEM course in the paper which puts forward some corresponding suggestions and improvement for STEM educational acclivities in science centers in the final part.

STEM,core idea,science centers,educational activities

① 张彩霞：中国科学技术馆助理研究员；研究方向：科技馆教育活动和辅导员行业发展；通讯地址：北京市朝阳区北辰东路5号；邮编：100012；Email：zcx830322@163.com。