張彩霞

STEM教育核心理念與科技館教育活動的結(jié)合和啟示

張彩霞①

STEM教育強調(diào)以核心概念為主線，實現(xiàn)科學與工程實踐、跨學科概念和核心概念三者之間的緊密整合。這與科技館“以互動體驗和動態(tài)演示型展品為主要載體，通過多樣化的教育活動進行科學教育和科學傳播”的功能具有較多吻合之處。本文從STEM教育核心理念和特點入手，深入分析科技館教育活動與STEM教育的融合之處，重點研究STEM課程的設計流程，著重分析“科學實踐”主題的提取和選擇、“跨學科概念”和“核心概念”的梳理、基于實踐的建構主義教學設計以及學習評價四個環(huán)節(jié)，并結(jié)合STEM課程案例“建設我的月球基地”對具體流程進行對應分析和解讀，最后從以上四個重點環(huán)節(jié)對科技館STEM教育活動的開發(fā)設計提出相關建議。

STEM教育；核心理念；科技館；教育活動

STEM教育源自美國，其名源于科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(Mathematics)四門學科的簡稱，它強調(diào)多學科的交叉融合，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力?？萍拣^作為重要的非正規(guī)教育機構，同樣強調(diào)多學科融合、互動體驗及學習實踐。因此，如何借鑒STEM教育理念來指導科技館教育活動有著重要的實踐意義。

一、STEM教育核心理念及與科技館教育的結(jié)合點

(一) STEM教育的核心理念

20世紀50年代，美國提出科學素養(yǎng)的概念，并將其列為影響國家綜合實力的關鍵因素之一；70年代，隨著技術和工程對生活的巨大影響，技術素養(yǎng)成為科學教育的首要目標。1986年，美國國家科學委員會發(fā)布《本科科學、數(shù)學和工程教育》(又稱《尼爾報告》)，首次明確提出“科學、數(shù)學、工程和技術教育集成”[1]的綱領性建議，這是STEM教育的起源。1996年，美國頒布第一個《國家科學教育標準》并提出“以探究為核心的科學教育”理念。2011年7月，美國國家研究理事會發(fā)布《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》[2](以下簡稱《框架》)，強調(diào)科學研究和工程實踐，從而實現(xiàn)科學與工程實踐、跨學科概念和核心概念三者之間的緊密整合。2013年4月，美國國家研究理事會頒布《新一代科學教育標準》[3](以下簡稱《新標準》)，首次將STEM教育納入了國家教育標準，還將“科學與工程實踐”“跨學科概念”和“核心概念”三個維度嵌套在每一個標準里，以期為所有標準使用者提供指導和說明。這三個維度各有側(cè)重，其中：

1.“實踐”特指“科學與工程的實踐”，這是科學學習的基礎，其宗旨在于通過實踐活動，可以檢驗學生所學知識并用于解決實際問題，進而提高科學實踐和創(chuàng)新能力。[4]

2.“跨學科概念”是指能夠應用于科學和工程領域的通用概念。這些概念超越學科界限，強調(diào)學科之間的連貫性和系統(tǒng)化，也更有利于學生進行科學實踐。

3.學科“核心概念”則聚焦在各門學科內(nèi)非常重要的關鍵性概念，它能夠?qū)W生理解復雜的“跨領域概念”和解決問題提供工具與支持，一般涉及物質(zhì)，生命，地球與空間科學，工程、技術和科學運用。跨學科和核心概念的學習應相互聯(lián)系，通過多次反復學習才能逐步深化。

同時，這三個維度也在《新標準》中得到了細化和延伸，具體通過預期成果、聯(lián)系框和基礎框三部分來實現(xiàn)。以《新標準》“運動和穩(wěn)定性：力和相互作用”章節(jié)為例：其預期成果是通過計劃和調(diào)查，比較不同強度或不同方向的推拉對物體運動的影響?；A框包括：(1)科學與工程實踐：回答問題或測試解決方案，規(guī)劃和開展調(diào)查，提供支持解釋或設計解決方案的數(shù)據(jù)；交流信息。(2)學科核心概念：力和運動；力的相互作用；能量與力的關系。(3)跨學科概念是原因和影響。

基于此，我們可以發(fā)現(xiàn)，美國推行STEM教育項目后，尤其是《新標準》頒布以后，K-12學科教育的重點轉(zhuǎn)向科學和工程教育，強調(diào)以“核心概念”和“跨學科概念”為主線的科學研究和工程實踐，最終目標是提高國民科學、技術、工程和數(shù)學綜合素養(yǎng)和解決問題的能力。

(二) 科技館教育的特點

從本質(zhì)上來講，科技館屬于博物館范疇，本身應該具備現(xiàn)代博物館“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動兩部分，其中展品是博物館最具特色的教育資源，是博物館教育的重要載體；教育活動尤其是基于展品開發(fā)的教育活動則是重要的教育功能實現(xiàn)方式。同時，科技館又有其獨特性：它是以互動體驗型和動態(tài)演示型展品為主要展示載體，同時具有其它普及性科學教育和科學傳播功能，常年對全社會公眾開放，不以營利為目的的公益性科普場館。[5]科技館教育有如下特點：

一是展覽展品是科技館的本質(zhì)特征和重要載體，且科技館展品多以科學家進行科學研究的實驗裝置或進行科學考察的對象為原型。觀眾操作體驗展品的過程，其本質(zhì)就是體驗科學家獲得“直接經(jīng)驗”的“實踐”過程，即是觀眾提出問題、利用展品進行不斷嘗試、分析數(shù)據(jù)和進行解釋并逐步得出結(jié)論的過程，期間也可進行分享和交流。中國科技館王恒研究員等人曾對科技館展品特征進行了高度概括，認為“科技實踐、探究式學習、直接經(jīng)驗是科技館展品應具備的三大要素”。[6]這是科技館教育在實踐層面與STEM教育高度融合的體現(xiàn)。

二是教育活動尤其是基于展品的教育活動作為科技館發(fā)揮教育功能的重要方式，也應體現(xiàn)科技館的特征。在活動設計和實施過程中，要強調(diào)通過“實踐”“探究”獲得“直接經(jīng)驗”的過程以及由此得到的能力培養(yǎng)以及科學素養(yǎng)提升。其中，“科技實踐”是基礎條件和學習情境；“探究式學習”是教學方法和過程；“直接經(jīng)驗”是學習效果和目標；核心是“基于實踐的探究式學習”。[7]

三是“跨學科概念”和“核心概念”本應構成科技館展覽及教育活動的主線。多數(shù)科技館采取主題式展區(qū)布局模式，并配以相關核心科學概念的體驗式展品展項。但目前大多數(shù)科技館更多強調(diào)的是“核心概念”，對于“跨學科概念”的考慮相對較少，也就缺少基于“跨學科概念”的展示設計。

總之，STEM教育的“實踐”“跨學科概念”及“核心概念”三個維度與科技館教育具有相融性，并為科技館提升教育水平指明了方向?？萍拣^作為建立在“實踐”基礎上的“跨學科”融合的教育場所，無論是展品展示還是基于展品的學習過程，其科學傳播重點不在于零碎的科學知識，而在于強調(diào)通過建構主義學習氛圍，并通過體驗展品、觀看演示及動手制作等形式，引導觀眾主動發(fā)現(xiàn)問題并思考解決方案，從而提升公眾科學素養(yǎng)和實踐能力。這均是通過“實踐”“探究”獲得“直接經(jīng)驗”的過程。

二、科技館STEM教育的課程開發(fā)流程及案例分析

通過以上分析，科技館教育與STEM教育存在較多可融合之處。那么，如何從實踐層面利用STEM教育理念來引導科技館教育活動的開發(fā)和實施，就顯得尤為必要和可行。

(一) 科技館STEM教育的課程開發(fā)流程

STEM教育強調(diào)“科學與工程實踐”，具體包括8種實踐方法，包括提出與確定問題；建立和使用模型；設計和實施調(diào)查研究；分析和解釋數(shù)據(jù)；利用數(shù)學和計算思維；建構解釋和設計解決方案；基于證據(jù)的論證；獲取、評估和交流信息[8]。這些實踐活動強調(diào)學生動手、動腦，通過探究和體驗參與學習過程，并用于解決現(xiàn)實問題的目的。這與建構主義教學“問題驅(qū)動”“學生為中心”“協(xié)作學習”“整體評價”等特點相吻合，其本質(zhì)是基于實踐的建構主義教學過程。因此，本文結(jié)合北師大余勝泉教授提出的建構主義教學設計模式[9]，嘗試構建基于STEM教育的科技館教育課程設計流程，并以前文提及的STEM教育三大維度為基礎，重點圍繞“科學實踐主題”提取、“跨學科概念”和“核心概念”梳理、基于實踐的建構主義教學設計以及學習評價四個關鍵環(huán)節(jié)，分析基于STEM教育項目的科技館教育活動的開發(fā)和設計流程。

1.“科學實踐主題”的提取和選擇

首先需要確定“科學實踐主題”，這決定了課程設計的重點和思路。一般情況下，“科學實踐”有三種路徑可選，即學科知識整合、生活經(jīng)驗整合和學習者中心整合。學科知識整合關鍵在于尋找不同學科知識間的聯(lián)系，并逐步將其改造成以問題為核心的課程，這些問題是假定的真實問題；生活經(jīng)驗整合強調(diào)社會實踐活動，往往以真實的社會項目為設計和實施載體，將跨學科的內(nèi)容、思維能力發(fā)展與真實環(huán)境聯(lián)系起來，作品設計和項目運作是主線和驅(qū)動力；學習者中心整合通常由學生通過調(diào)查提出任務并主導項目設計和實施，教師僅發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導、監(jiān)督和評價的作用。這三種路徑各有特點，相互聯(lián)系和補充。

2.“跨學科概念”和“核心概念”的梳理

“跨學科概念”和“核心概念”是課程設計的主線，這是建立在對教學目標、教學對象等分析基礎上的。面對不同的目標和對象，可能提取的相關概念差別很大。一方面，科技館STEM課程教學目標也需包含 “知識和技能” “過程和方法”以及“情感、態(tài)度、價值觀”整體三維目標，其終極目標是提升觀眾解決問題的能力。同時，設計者應該結(jié)合“科學實踐主題”和學習者特點，繪制“知識地圖”，提煉“跨學科概念”和“核心概念”，并將“核心概念”融入跨學科理念輔導中。

3.基于實踐的建構主義教學設計

前文已提及，STEM教育極為強調(diào)學習者的知識和能力建構過程，其本質(zhì)是基于實踐的建構主義教學過程。具體來說，應該包括四個環(huán)節(jié)的流程設計：

(1) 學習任務設計：依據(jù)所選教學模式的不同，學習任務略有不同，或為真實的社會項目或為假定的真實問題，整個教學過程就是引導學生學會解決問題或完成任務的過程。在學習任務設計中，要特別強調(diào)情境化還原過程，增加相關知識的生動性、豐富性和趣味性。

(2) 學習活動設計：有效的教育項目設計，必須以有效的學習活動為中介。具體活動設計過程，實際上就是教師依據(jù)目標、內(nèi)容和情境選擇和設計系列活動的過程。不同的教學模式選擇，往往會伴隨著不同的教學環(huán)節(jié)和程序。而結(jié)合科技館特點，展廳參觀體驗、動手制作、實驗演示、活動探究等都是可以選擇的活動類型。一般來說，活動設計過程中，應該有意識地引導學生提出問題、進行假設、建立模型、測試計算、推理論證并交流分享。

(3) 工具與資源設計：學生完成整體項目任務需要進行大量的自主學習和知識建構，因此適宜的學習環(huán)境和豐富的工具資源必不可少。學習環(huán)境設計包括教學過程中可能使用到的設備、器材以及信息化工具，比如科技場館的展品展項、科普影片、科普實驗道具等資源。

(4) 學習支架設計：這一步驟要體現(xiàn)學生的主動學習和教師的指導幫助，教師應具備對教學各環(huán)節(jié)的控制、管理和指導能力。比如針對不同學生的學習方法、存在問題進行指導和反饋，糾正學生由于知識儲備不足而可能出現(xiàn)的行為和目標偏差，引導學生充分體驗科學探究所經(jīng)歷的思維過程，不斷規(guī)范學生學習，確保學生進行學習并解決問題的關鍵。

4.學習評價

STEM教育側(cè)重于培養(yǎng)學習者解決實際問題的能力，建議多使用形成性評價，即偏向于使用量表、行為觀察等方式了解教學成果并進行改進。比如可以利用學生自評、小組互評、教師測評和專家點評等多種方式，從整個學習過程的態(tài)度、興趣、參與程度、任務完成情況及作品進行評估。

圖1 科技館STEM教育課程開發(fā)流程

(二) “建設我的月球基地”項目案例分析

“建設我的月球基地”項目是2016年中國科學技術館開發(fā)實施的系列活動，具體包括“繪制我的月球基地”“搭建我的月球基地”和“展示與點評”三個環(huán)節(jié)。本部分案例重點分析“搭建我的月球基地之登陸大作戰(zhàn)”活動，這是一項基于STEM教育理念的教育活動嘗試。

1.真實的科學實踐情境

該活動實踐主題是建立在學科知識整合和生活經(jīng)驗整合基礎上的。所有學生每四人分為一組，需要在限定時間內(nèi)依據(jù)一定材料，完成月球車大探險和月球車登陸兩個任務，并以團隊的形式進行比拼。具體的評分規(guī)則包括：建造成本、月球車的行駛距離、登陸器的精度以及生存能力。

2.“跨學科概念”和“核心概念”梳理

本活動涉及到的“跨學科概念”包括系統(tǒng)和系統(tǒng)模型、能量和物質(zhì)、結(jié)構和功能等部分；其核心概念主要集中在物質(zhì)科學領域，如斜面的受力分析、自由落體運動時阻力的影響因素等。

3.實踐的建構學習過程

(1) 學習任務設計：基于月球車大探險和月球登陸兩個任務驅(qū)動，引導學生提出問題：如何設計月球車才能實現(xiàn)成本最低、行駛距離更遠；如何構造登陸器才能保證耗用最少、安全系數(shù)最高。

(2) 學習活動設計：該課程包括背景經(jīng)驗活動、工程設計活動、團隊競賽和分享交流四大部分。預活動是在輔導員的引導下完成的，通過參觀展廳、觀看圖像和影片等向?qū)W生介紹月球的基本情況，并進行交流分享。工程設計環(huán)節(jié)包括設計月球車和搭建登陸器兩部分。學生會拿到任務清單、材料清單及具體評分規(guī)則，以團隊的形式設計月球車和登陸器，要充分考慮成本和效果。團隊競賽是測試月球車的行駛距離和登陸器的保障能力，成本越低、運行距離越遠、精度越準、生存能力越強得分越高。分享交流環(huán)節(jié)強調(diào)雙向性，包括學生之間、學生和輔導員之間的交流和互動。

(3) 資源及學習支架設計：該課件中涉及較多的工具和資源，比如展廳展品、圖片、影像資料、各種可供選擇的材料(如木車輪、泡沫板、奶茶杯蓋、木筷、吸管、塑料袋、氣球、橡皮筋等)。而且，輔導員提前籌劃了各種學習支架，比如月球及月球基地的基本知識、月球車及登陸器構造、功能以及可能遇到的受力情況等問題，在關鍵環(huán)節(jié)予以糾偏和指導。

4.學習評價

本課程采用形成性和終結(jié)性相結(jié)合的評價方式。一方面，學生依據(jù)任務要求，設計出月球車和登陸器，通過競賽測試成本、距離、精度和生存能力，構成形成性評價。而且，團隊還需對作品的構造及功能進行介紹；輔導員依據(jù)設計過程及競賽結(jié)果，剖析兩項任務，指出設計的關鍵點并進行相關的受力分析，并分析各組的優(yōu)劣勢，形成綜合評價。

本活動基于真實情境，以活動為基礎，以培養(yǎng)學生綜合能力為目標，精心提取“實踐主題”和“核心概念”，策劃出高度關聯(lián)的活動內(nèi)容，很好地激發(fā)了學生的參與主動性，有較好實踐效果。

三、反思和建議：基于STEM理念的科技館教育活動

目前科技館教育活動還存在諸多問題，在探究、互動、支架引導方面經(jīng)驗不足，尤其是基于多學科融合、突出實踐的STEM教育活動相對較少。前文在剖析STEM教育理念的基礎上，提出了科技館STEM教育課程開發(fā)流程，這對科技館教育活動實踐具有重要指導意義。具體來說：

一是科學實踐主題的提取和“跨學科概念”和“核心概念”的梳理。STEM教育活動是基于真實或虛擬情境的實踐過程，科學實踐主題決定了課程設計的重點和思路。結(jié)合科技館特色，不同類型活動的實踐主題選擇有所側(cè)重。對于館校結(jié)合教育活動，可采用基于學科知識的整合模式，充分考慮學校各學科課程標準并結(jié)合科技館展品內(nèi)容，對不同學科知識點進行重新梳理和連接，建立以問題為核心的課程體系。對于除館校結(jié)合外的展廳教育活動，這是科技館教育活動的核心和基礎，可采用生活經(jīng)驗的整合模式，將跨學科內(nèi)容與真實社會現(xiàn)象結(jié)合起來，并伴隨著真實作品或真實問題的解決環(huán)節(jié)。而對于實驗室和活動室的系列化課程，由于其具有長期性、系統(tǒng)性，可采用學習中心整合模式，充分發(fā)揮學習者在整個項目中的主導和設計地位，教師發(fā)揮協(xié)調(diào)、指導、監(jiān)督和評價的作用。

二是強調(diào)科技館資源的充分利用和獲取。要充分結(jié)合科技館的展品以及科普影視等資源，增強學生的互動操作、探究學習、交流研討等環(huán)節(jié)，讓學生能夠有身臨其境的真實體驗；在資源獲取方面，弱化教師集中進行知識講授的環(huán)節(jié)，將科技館各類展教資源巧妙地穿插于活動的體驗和互動中。

三是強調(diào)基于建構主義的教學活動設計，這是STEM教育的重要特點?；赟TEM的教育活動不同于傳統(tǒng)的手工制作或小實驗，其最終目的不是讓學生獲得某些知識點、學會某項技能或者做出一個科普作品，它的衡量標準是綜合性和過程化的。通常情況下，教育活動設計應突出“探究式學習”和“設計制作”兩個環(huán)節(jié)。在探究循環(huán)中，強化“提出問題、構建設想、模型搭建、設計制作再到交流分享”的基本流程，主張學生的自主性和探索力；在設計制作循環(huán)中，要更多考慮學生興趣，增加分析解釋、構想、設計繪制并通過展廳參觀進行對比驗證的體驗過程，而且要進行交流分享。

四是教育活動方案設計要充分借鑒STEM課程的開發(fā)流程。第一，結(jié)合活動對象特點選擇適合的整合模式；第二，要通過繪制知識地圖，將相關內(nèi)容進行跨學科的整合；第三，要開展學習任務設計，這是核心和立足點；第四，充分考慮工具和資源設計，結(jié)合科技館的教育課程，具體資源可能包括展品展項、科普影片、模型設計及搭建工具以及材料加工等；第五，設計者應充分考慮對課程各環(huán)節(jié)的控制、管理和指導能力，如對關鍵知識點、關鍵環(huán)節(jié)的有效引導和掌握。同時要充分利用學生自評、小組互評、教師測評和專家點評等方式，對整體項目進行評估。

綜上，STEM教育理念強調(diào)跨學科及與現(xiàn)實聯(lián)系、建構主義教學和學習過程評估，與科技館教育存在較多的共通之處?？萍拣^作為重要的非正規(guī)教育機構，在開發(fā)和設計教育活動時，應吸收STEM教育的核心理念，堅持以項目為主體，注重科學、技術、工程等學科的有效融合，為參與者創(chuàng)造自主學習的環(huán)境和知識建構途徑，通過學習過程促進學生能力提升。

[1]王娟，吳永和.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代STEAM教育應用的反思與創(chuàng)新路徑[J].遠程教育雜志，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]葉兆寧.美國新一代科學教育標準概要[EB/OL].[2013-09-23]http://blog.sina.com.cn/s/blog_538c514e0101co1h.html.

[5]中國科技館課題組.科技館教育活動創(chuàng)新與發(fā)展研究報告[R].中國科協(xié)“十三五”規(guī)劃前期研究課題，2015.

[6]中國科技館展覽教育中心課題組.科技館體系下科技館教育活動模式理論與實踐研究報告[R].中國科技館課題，2015.

[7]中國科技館展覽教育中心課題組.科技館體系下科技館教育活動模式理論與實踐研究報告[R].中國科技館課題，2015.

[8]葉兆寧.美國新一代科學教育標準概要[EB/OL].[2013-09-23]http://blog.sina.com.cn/s/blog_538c514e0101co1h.html..

[9]余勝泉，楊曉娟，何克抗.基于建構主義的教學設計模式[J].電化教育研究，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 張彩霞：中國科學技術館助理研究員；研究方向：科技館教育活動和輔導員行業(yè)發(fā)展；通訊地址：北京市朝陽區(qū)北辰東路5號；郵編：100012；Email：zcx830322@163.com。