張祖興

一、核心科學概念及其作用

(一)什么是核心科學概念

2013年，美國公布《新一代科學教育標準》，提出了以“科學與工程實踐”“跨學科概念”和“學科核心概念”三個維度為框架的新的科學教育體系。2011年，由韋鈺院士參與編著的《科學教育原則和大概念》于我國最早提出“科學大概念”的理念。2014年，由韋鈺院士參與修訂并于2016年翻譯的《以大概念理念進行科學教育》一書提出了關于科學知識的10個大概念與關于科學本身的4個大概念[1]17-20進行科學教育的理念。2017年，我國發(fā)布的《義務教育小學科學課程標準》對“課程內容”部分的物質科學、生命科學、地球與宇宙科學和技術與工程四個領域也提出了18個主要概念?？梢钥闯?，在新的科學教育標準體系下強調以“科學概念”來展開科學教育體系的構建，正在成為科學教育的發(fā)展方向。

我們通過比較以上三個“概念”可以看出，在《新一代科學教育標準》的“學科核心概念”維度中的“物質科學”“生命科學”“地球與空間科學”與《以大概念理念進行科學教育》中關于科學知識的10個“大概念”在表述含義上大體吻合；而如果者關于科學本身的4個“大概念”中包含了對前者“跨學科概念”的闡述以及“學科核心概念”維度中關于“工程與技術、科學應用”的內容。我們認為，在《以大概念理念進行科學教育》中對“大概念”的界定，處在交叉學科學的水平，低于跨學科的頂層概念[1]15的定位；我國2017年《義務教育小學科學課程標準》中“課程內容”部分中的“主要概念”，相比“大概念”關于科學知識的10個概念，在表達結構上大體一致；該課程標準雖然未單列出“跨學科概念”和“關于科學本身的概念”，但是課標在“科學探究”“科學態(tài)度”“科學、技術、社會、環(huán)境”的課程目標中包括了相關的內容并進行了細化，只是在闡述形式上有所不同。

可以說，無論是“核心科學概念”“大概念”還是“主要概念”的提出，均構成了現在科學教育中各個學科的頂層概念，相當于建筑物中的“梁”，而細化出來的科學知識點則相當于“磚”。為了表述方便，本文中把這些“概念”都統(tǒng)稱為“核心科學概念”。

(二)核心科學概念的作用

核心科學概念的提出，不僅是從對各學科核心概念方向，還對從跨學科領域到工程與技術的應用方面以及科學精神和價值觀都有深刻的影響與作用。我們歸納起來講，可以從以下三方面進行表述。

1. 核心科學概念有利于防止知識碎片化，構建系統(tǒng)化的知識體系

從人類認識自然開始，科學知識與概念是以碎片化的形式積累才逐漸形成體系的，科學家通過對現象與問題中的共同點歸納出核心科學概念。核心科學概念就是幾個學科的核心主題[2]，是一個學科體系的核心，是連結其他概念與現象的中心節(jié)點，我們可以通過這些中心節(jié)點把碎片化的知識有序地聯系起來。同時，通過核心科學概念歸納過程的推演，我們可以把概念的學習進行層次化地劃分，從而形成等級化的概念梯度來進行分層次的學習。

2. 核心科學概念是跨學科、工程與技術實踐中解決問題的核心工具

首先，核心科學概念打通了跨學科融合的壁壘成為連接跨學科概念的橋梁。核心科學概念的提出不僅解釋了單一學科中主要的現象和問題，同時其具有共同性的屬性把各學科邏輯地聯系到一起，使在跨學科領域概念的應用具有廣泛性。其次，核心科學概念是認識復雜知識的基礎，定義了工程與技術的問題的邊界。工程與技術問題與我們生活息息相關，學生在生活中接觸到商品的屬性、原材料制造的設施，都可以與物質屬性聯系起來。

3. 核心科學概念有助深化科學教育的內涵，提升教育效果

核心科學概念不只是對事物本質屬性的概括與描述，還包括了科學的觀念和對科學的看法[3]，使得我們對核心科學概念的學習就不局限于其概念本身，對所學概念進行思考或超越其本身所獲得的可遷移的經驗也是科學學習的重要成果。這部分內容我們一般認為是精神層面的收獲，而這些有關科學方法、科學精神、科學思想、科學價值觀的“科學概念”，將有助于深化科學教育的內涵，提升科學教育效果，提高學生的全面科學素質。

二、展覽教育所面臨的問題：核心科學概念的缺失

我國科技館的建設高潮始于本世紀初，目前全國已擁有近200座科技館，但這些新建的科技館都是在舊的科學教育認知體系下建立起來的。雖然在強大的經濟基礎與技術的支持下，一座座現代化的場館建筑拔地而起，科技館的展覽硬件得到很大的提升，但是我們場館展覽教育軟實力依然沒有得到很好的加強。核心科學概念的提出，給科技館在頂層科學概念的設置上提供了一個支撐點。但這不是一個純概念的問題，核心科學概念的缺失，不僅僅反映在科學教育活動中，同樣給硬件的展品以及整個科技館的展覽設計帶來不少問題。

(一)展覽設計缺失核心科學概念的表現

科技館的展覽標準不僅有硬件標準，同樣也有軟件標準。如果說硬件標準我們可以通過一系列的量化要求來衡量，那么軟件標準則需要構建一個知識體系來評價。但這樣一個知識體系又以什么為標準？這就是長期以來科技館對于核心科學概念缺失所帶來的評價困惑問題。

1. “主題展覽”沒有“展覽主題”

在現有許多科技館的展品中，每個展品都對應有一個或幾個知識點。在一個主題展覽的展廳內，分布著好似與主題相關的展品，但是這個主題卻又似是而非。如許多科技館都曾出現過的數學展廳、光學展廳、生命科學展廳，這些看似是一個主題展廳；但從展覽的角度來看，只能算是展示內容的范圍，主題應該是更加具體的，或是有脈絡結構闡述的。這些主題展廳就是以內容范圍作為主題，把與此知識點相關的展品羅列進入一個主題展區(qū)，這樣設計出的展覽是無序的，其原因往往是在展區(qū)設計時缺少了核心科學概念。

2. 展覽內容的知識碎片化

在展覽設計中，一個展品的設計相對來說是獨立的，而放在整個展覽中又與其他展品連成一個有機的整體，這是我們理想中的展覽結構。但是如果沒有一個完整知識體系來參照，我們沒辦法就一個核心科學概念主題所延展出一個完整的知識脈絡。在實際的展覽中，我們大多只能從展品表達的知識范圍進行規(guī)劃，這樣的籠統(tǒng)規(guī)劃頂多只能保證內容的對應，但所得到展品只是相關主題的一個碎片化排列，或者說展品與展品間邏輯聯系不明顯；而對于概念的主次、知識的邏輯以及科學現象的表現形式，卻很難去準確操控，大都處于隨機應變的情況。

3. 展覽中的展品方向定義不清，展品設計的概念混亂

目前科技館的展品更多的還是依賴展品公司的設計，科技館對于展品設計的主導權難以體現在科學教育的功能性上，往往只在規(guī)格、用料、價格和知識點上提出意見，這是展品設計話語權的缺失，究其原因還是以核心科學概念主導的知識體系缺失所帶來的。雖然知識體系不能解決展品在教育功能上的所有問題，但是可以指導教育方向，特別是一個知識體系在某一個方向的定位，這對于展覽設計的整體性有很大的提升。同時，展品所涉及的是核心概念還是次級概念的定位問題，往往也在展品設計時被忽略。

凡上種種，可以看出核心科學概念的缺失帶來關于展覽展品設計的諸多問題，反映出構建科技館自身的科學教育知識體系的緊迫性。雖然軟件問題不像硬件問題那么直觀可視，但其隱性的影響是長遠的，并且直接反映在硬件的建設中。

(二)科學教育活動中缺少核心科學概念的表現

科學教育項目和科學工作室是現在科技館科學教育的主陣地。隨著科技館科學教育項目的發(fā)展和科學工作室的不斷運營，積累了不少科學課程。但這些課程更多是關注于具體科學知識與技能的學習，從一個主題科學教育項目或一個系列科學課程的角度講，鮮有通過以核心科學概念來梳理課程結構與內容，其面臨的問題與展覽設計類似。

1. 科學教育的主題課程缺少系統(tǒng)化的設計

由于科技館建設初期科學課程或活動資源的缺乏，以及科技館自身師資的局限性和處于校外科普教育的尷尬地位，科技館的科學教育活動一開始顯得有些先天不足。許多科技館開始都是圍繞著一些傳統(tǒng)科技手工制作或經典科學小實驗為原型延展出來的課程或活動，這種獲取資源的隨機性，使得科技館科學課程大都是從零散開始積累的。隨著館校結合的深入，科學教育項目的推動，加速了科技館科學課程的研發(fā)與進步，但是大多數課程都是通過補漏洞式的設計去找科學課標中的對應點，再試圖套入其對應的知識結構中。這種反向套入結構的課程設計方式，很難湊成一套對核心科學概念完整認知的課程體系，這種以課程套入結構的被動方式不利于課程體系的建構，許多課程的知識點只能獨立存在，哪怕是同一個主題課程間的聯系與銜接與否只是一個隨機的選擇。

2. 科技館科學教育的層次模糊

從科技館參觀人群來看，主體人群主要是5～18歲的青少年，相對成年人而言，青少年人群的學習能力帶有明顯的年齡層次性。同一個科學概念，從小學生到中學生的理解跨度相差非常大，而現有科技館的科學教育課程大都采用“大鍋飯”式的課程設計來實施，這確實是由于同一時間來科技館參觀的青少年年齡跨度較大且比較零散、不易區(qū)分的妥協(xié)辦法，但實際上科技館自身也沒有對科學課程進行年齡層次細分化的設計。所以當在觀眾流動對相對集中的時間，或者是學校及機構安排不同年齡段的學生一起來參觀時，這個結果就突顯出來，其直接影響就是認識程度與操作難度的不對等：高年齡段學生對過于簡單的知識和操作不屑一顧，低年齡段的學生因無法理解知識或難以操作帶來的挫敗感而消磨其積極性與興趣。這樣看似只是一節(jié)課程中的一部分消極因素，好像無足輕重，但是長期如此，教育目標的邊界模糊化會起到滾雪球效應，影響到科學教育活動的開展。

(三)缺少對精神層面的教育引導與設計

核心科學概念是連接跨學科概念的橋梁，跨學科概念的高度概括與抽象化的闡述在本質上是科學方法的一種提煉，而這些科學方法與思想的形成，又是科學家們科學精神的成果表現。

我們在不少科技館都看到過牛頓、愛因斯坦、居里夫人、法拉第等科學家的頭像及簡介，其內容大都是生平成就、著作或理論，卻沒有人試圖從方法論的角度來講述他們是怎么成功的，又如何能克服經歷的困難。我們把科學家的介紹重點放在知識性的傳播上，但科學家最寶貴的科學思想和科學精神卻極少涉及，這就是現實版的科學教育“買櫝還珠”。

講故事是科技館最有效的工具之一。人類神經生理學的研究表明，大腦在傾聽故事時所做的反應遠遠大于我們在執(zhí)行任務時的反應，重點知識點只能激活大腦中的某一部分，而一個故事則能喚醒整個大腦[4]。我們在講故事時總是強調了知識點，卻忽視了方法論對科學思想和科學精神的培養(yǎng)。從精神激勵層面來看，只有從具體的科學知識概括到核心科學概念，從核心科學概念抽象出科學方法，科學的故事性傳播才能成為科學精神與科學思想形成的起點。

在科學史上被后人證實杜撰的許多科學家故事中，雖然內容有別于史實，但是在科學方法的闡述上是合理的，目的就是為科學家的成功探索創(chuàng)造一個理想的推導環(huán)境，從而引導青少年進行很好的科學精神與思想的傳播，這就是科學故事對科學教育在精神層次上的引領。

由此我們知道，核心科學概念處于科技館展覽教育中一個承上啟下的樞紐地位，其構建了學科知識體系中的框架，是跨學科領域的支撐點，是下位科學知識、概念的頂梁柱。在新舊科學教育理念交叉的過渡時期，如何圍繞核心科學概念來設計科技館的展覽教育應是我們亟需解決的中心問題。

三、科技館展覽與教育活動引進核心科學概念的思考

隨著新的科學教育理念的推廣，科技館的展覽教育必將迎來一個新的發(fā)展階段，以核心科學概念作為科學教育的概念基礎，對于構建知識體系、梳理主題定位、完善活動內容策劃等將起到重要的作用。

(一)核心科學概念對構建展覽的知識體系的作用

1. 以人為主，明確展覽主題

做什么樣的主題，展現什么樣的展品，在沒有知識概念體系的參照下，我們都苦于尋找一個確定主題的理論依據。在“以物為中心”的展覽理念下，我們很多展覽方案都是在各展品公司現有展品的基礎上，做出的“合適”選擇和排列組合，這種“看菜吃飯”的妥協(xié)在一定程度也是一種無奈。長期以來，展品公司主要是以硬件加工的生產企業(yè)，往往少有兼顧科學教育設計的能力，這就造成了所設計的展品與科學教育脫節(jié)。當以核心科學概念為基礎并以此構建起知識體系時，展覽設計的方向就可能轉向“以人為中心”。在定義科技館的教育功能時，觀眾如何獲得教育或能夠主動學習到什么的程度，應成為首要考慮的因素。我們很容易通過核心科學概念來梳理出人類在認識某個大概念時所需的知識結構體系，從而確定展覽的主題及其脈絡。

2. 增強展覽的系統(tǒng)性與展品間的邏輯性

在一個主題展覽中放什么樣的展品是合適的，放多少件展品是合理的，可以依托以核心科學概念構建的知識體系中所確定的展覽主題和知識結構來規(guī)劃展品的形式與數量。同時，核心科學概念延伸出的次級概念或分層描述有著知識點上天然的聯系與邏輯性，以此為出發(fā)點設計的展品，不僅可以有效地保證整個主題展覽的展品在知識點上的系統(tǒng)性，把每個展品碎片化的知識點聯成一個體系，同時也增強了展品之間的邏輯關系。

現在很多科技館都為觀眾設計一條最佳參觀線路，而這樣的線路設計更多的是以滿足觀眾在最短的時間內參觀完主要展品或特色展品來設計的。像這樣的參觀路線在科學內容上往往是無序且不帶教育指引性的，更像是游樂園最佳游覽方案。而當展品之間建立起有效的邏輯關系時，科技館可以為觀眾提供的是專業(yè)知識學習的參觀路線，從而進一步增強了展覽的教育功能，一定程度上改善了觀眾在自由參觀時漫無目的地走馬觀花的現象。

3. 加強展品的核心科學概念與工程和技術實踐的聯系

科技館展覽設計與工程、技術和跨學科領域有著天然的基因聯系，核心科學概念就是其聯接點。從展品設計角度來講，我們引入現實生活的工業(yè)產品或商品的原型作為展品，就是從技術層面來體現這些產品的技術含量?，F實技術應用的展品向觀眾進行科普教育的同時，通過核心科學概念知識結構的引導，把復雜的現象與問題思路化、概念化，從而讓觀眾可以分步驟、有層次地理解展品所要展示的內涵與原理。在展示工程與技術發(fā)展的同時，工程與技術革新的故事和經驗又是培養(yǎng)工匠精神、科學方法與科學精神的一個源泉。我們設計基于科學與工程實踐的展品，要在確保其專業(yè)的技術性展示的同時，還能反映出精神層面的科學內容，這是核心科學概念所能延伸出的最大化的教育效果。

4. 基于核心科學概念的知識體系在展覽設計中的應用分析

核心科學概念的提出有助于我們梳理出一個主題科學展覽的中心點，可以通過核心科學概念為觀眾構建一個認知某個核心概念的知識體系或認知脈絡，并以此為框架來設計主題展覽的結構。

從《科學教育的原則與大概念》14個“大概念”選取其中一個來看：生物的多樣性、存活和滅絕，都是進化的結果。同時，從2017年《義務教育小學科學課程標準》的第三部分課程內容第二章生命科學領域[5]找出對應此大概念的的6個主要概念的解讀以及知識結構圖：

(1)地球上生活著不同種類的生物；

(2)植物能適應環(huán)境，可制造和獲取養(yǎng)分來維持自身的生存；

(3)動物能適應環(huán)境并通過獲取植物和其他動物的養(yǎng)分來維持生存；

(4)人體由多個系統(tǒng)組成，分工配合、共同維持生命活動；

(5)植物和動物都能繁殖后代，使它們得以世代相傳；

(6)動植物之間，動植物與環(huán)境之間存在著相互依存的關系。

圖1 生命科學各核心概念之間關系結構示意圖

如圖1所示，以生物多樣性為核心科學概念的知識結構延展出我們認知生物圈的知識脈絡，因此生命科學展覽的設計可以從多樣性或生物進化的主題而展開。展覽主題和教育目標都應有明確的科學概念，三者應該是統(tǒng)一的，只不過表達方式不同罷了。例如，日本國立科學博物館“生命進化”展廳中，第一主題是“環(huán)境變遷對物種進化的選擇性作用”[6]，展覽從陸上生物多樣性和海上生物多樣性兩大板塊進行呈現，每個板塊又分別從動物、植物和微生物的角度加以設計。這樣的展覽主題與核心科學概念相對應，展覽結構與核心科學概念知識結構相統(tǒng)一的設計思想，實現了展覽教育目標的一體化。

從一個核心科學概念的角度去解構認知科學、觀察世界的脈絡，有助于構建科技館展覽框架的系統(tǒng)性與科學性，同時也符合人類探索世界的認知規(guī)律。以核心科學概念為中心，不僅是知識認知結構的支撐點，同時也是跨學科的連接點。

(二)運用核心科學概念打造層次化的科學教育課程體系

圍繞核心概念來組織知識，是一種非常經濟和有效的組織科學課程或教學活動的方式，在科學課程的目標制定及課堂教學中應處于非常重要的地位[7]9。核心科學概念自身縱向一體與橫向分層的特點，對打造科技館多層次的系統(tǒng)化科學課程體系有天然優(yōu)勢。雖然我國的科學課程標準與國外的科學教育標準在適用范圍上有所不同，但從2017年《義務教育小學科學課程標準》的框架與理念來看，也基本同步了國際科學教育的先進理念與發(fā)展趨勢。

1. 科學教育課程的系統(tǒng)化與獨立性的統(tǒng)一

由于來科技館參觀學習人群的流動性與非持續(xù)性，在科技館中許多科學課程相對來說都是獨立的，但這不影響我們運用核心科學概念來建構完整的課程和知識結構體系來有引導性地培養(yǎng)目標人群、特別是青少年來科技館持續(xù)學習的習慣。

可以說，科技館的科學教育課程的系統(tǒng)化與獨立性不沖突。我們希望圍繞核心科學概念設計的課程體系中的每一節(jié)課帶有獨立性，這樣既能迎合一次性學習的需要，也能滿足系統(tǒng)化學習的要求。當我們的課程資源積累到一定程度，需要開始梳理已有的課程體系時，核心科學概念所形成的課程框架可以很好地幫我們檢查在一個課程體系中哪些知識方面課程的不足，主動建構由于零散的課程所帶來的系統(tǒng)知識碎片化的缺失，進而補充完整課程體系。

當然，在展廳科學教育活動中由于活動對象易于流動，且有臨時性，觀眾不一定能夠有足夠的耐心與時間來完成一個系統(tǒng)課程的學習，這就需要我們把每個活動的設計也要保證相對的獨立性。單個課程是獨立的，由多個單一課程又能組成一個完整的系列課程。

2. 完成科學教育活動的層次化設計

由于青少年對于科學概念的認知隨年齡的增長會有不同層次的需求和理解，因此不論是《新一代科學教育標準》還是《以大概念理念進行科學教育》，對于核心科學概念都有分階學習的要求和目標。在《以大概念理念進行科學教育》一書中對相關的14個大概念分解出了5～7歲、7～11歲、11～14歲、14～17歲四個層次進行不同程度學習的要求。雖然在年齡分段上與我國學齡段分段略有不同，但可以看出，這四個階段分別對應的是學前、小學、初中和高中四個階段。再看我國2017年《義務教育小學科學課程標準》的“課程目標”中對“科學知識學段目標”進行1～2年級、3～4年級、5～6年級的分段，這樣層次化的分階教育方式不僅要求我們科技館的科學課程需要相應地對不同年齡層次的學生進行區(qū)分對待，同時作為以核心科學概念的課程體系還需要建立進階的機制，鼓勵并強調對核心概念學習的逐步深入[7]11-12。

這里以美國加州科學教材《Science A Closer Look》為例，通過表1可見：在每個年級的《物質》[8]單元都會列出本單元所需掌握的核心科學概念，在每個年級認知“物質”這個核心科學概念的同時，延伸的子概念不盡相同，而且這些子概念是不斷拓展物質外延與深入物質的內涵的。這種層次化的設計不僅讓科學學習分階化，同時也是一種進階的梯度。

表1 《Science A Closer Look》1～6年級教材中“物質”單元的核心概念

(三)圍繞核心科學概念的知識體系進行“展教結合”設計

在科技館的展覽教育中，構建以核心科學概念為中心的知識體系，不能單純地割裂成“展”或“教”兩個方面來看待問題，我們同樣可以把“展”的功能與“教”的手段相互結合組成一個軟硬件結合的知識體系。對于展覽展品的不足、難以表達的知識點或現象以及展覽條件的限制等原因，我們可以通過設計補充式的科學教育活動來完善關于一個核心科學概念的知識體系，這種“軟硬結合”“展教結合”的設計方案易于應對現有展覽教育的狀況。

以鄭州科技館“生命科學”展廳的“生命科學實驗”展區(qū)為例，此展區(qū)最大的吸引點就是觀眾可以實時觀察到小雞孵化的全過程。展區(qū)主要由“雞蛋的結構”“孵化中的雞蛋開放式的結構”“雞蛋孵化箱”“小雞培育箱”4件展品組成，展區(qū)通過設計開展《動物生命周期》的科學課程把各個展品串聯完成。從美國《新一代科學教育標準》選取生命科學學科核心概念，[9]可以看出(見表2)，展區(qū)是圍繞“LS1.分子到生物體：結構與過程”這一核心科學概念來設計表達的：“雞蛋的結構”和“孵化中的雞蛋開放式的結構”展品對應了次級概念“A：結構與功能”的內容；從“雞蛋孵化箱”到“小雞培育箱”表達了次級概念“B：生物體的生長與發(fā)育”的過程；同時通過“孵化中的雞蛋開放式的結構”打開了蛋殼孵化的“黑箱”，不僅表達了蛋在孵化中的結構發(fā)育的變化，同時也補全了小雞破殼前的發(fā)育和生長過程；最后通過《動物生命周期》的課程設計講授了“C：生物體的物質組織和能量流動”的過程；而在展示與講授這三個次級概念中的量化數據通過制作了展區(qū)的演示動畫表達出來，完成最后“D：信息處理”。

鄭州科技館“生命科學實驗”展區(qū)的展品表達方式是國內科技館生命科學展廳少有的創(chuàng)意設計，用核心科學概念將各個表面看起來相互孤立的展品串聯起來，并將分散的知識點構建起有層次、有邏輯關系的知識體系。

四、結語

圍繞核心科學概念進行科技館展覽教育設計，這一探索才剛剛起步，我們以核心科學概念來構建科技館展覽教育的知識體系時，也總會有一些局限來影響我們策劃和設計上的判斷與實施，我們可以嘗試通過從一個面或一個點開始，最終做到以點帶面、由面成片。

科技館核心功能是教育，科技館作為科學教育前沿的科普陣地，應當及時響應科學教育的最新理念。如何把核心概念運用到展覽教育活動中，如何構建起科技館自身的知識體系，是未來科技館梳理布展與展品設計思路的重要依據，也是我們科學教育活動圍繞的中心框架。把握好核心科學概念的運用，將是科技館未來一段時間內需要努力思考、認真探討的一件重要工作，也將成為科技館轉型升級的關鍵點。

表2 《新一代科學教育標準》選取生命科學學科核心概念及次級概念