瞿林云 葉兆寧 周雨青

一、學(xué)科核心概念概述

學(xué)科核心概念，是指經(jīng)過檢驗(yàn)并位于物理、化學(xué)、生物等學(xué)科核心位置的科學(xué)概念，它能夠?qū)⒈緦W(xué)科中或?qū)W科之間的概念、原理連貫起來，[1]相當(dāng)于學(xué)科知識(shí)體系的“梁”和“柱”；而一般的知識(shí)點(diǎn)相當(dāng)于“磚”，學(xué)生的學(xué)習(xí)就像是在“碼磚”。教師在學(xué)生“碼磚”的過程中，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生遵循“梁”和“柱”的框架，因?yàn)檫@些學(xué)科核心概念的結(jié)構(gòu)性將有助于學(xué)生建立新舊知識(shí)的聯(lián)系。正如美國知名教育顧問H·林恩·艾里克森所說：這些位于學(xué)科核心位置的概念，具有持久價(jià)值和遷移價(jià)值。[2]再如布魯納在其知識(shí)結(jié)構(gòu)觀中曾強(qiáng)調(diào)：教任何一組有關(guān)聯(lián)的學(xué)科知識(shí)，其最終目的是使學(xué)生理解題材的結(jié)構(gòu)。如果沒有完滿的結(jié)構(gòu)把學(xué)生獲得的知識(shí)聯(lián)系在一起，那是一種多半會(huì)遺忘的知識(shí)，就像一串不連貫的論據(jù)在記憶中僅有短促得可憐的壽命一樣。[3]

2009年“科學(xué)教育國際研討會(huì)”召開，會(huì)議指出，科學(xué)教育不應(yīng)給學(xué)生傳授零碎、不連貫的知識(shí)片段或是堆積的科學(xué)定律，提出要圍繞涉及學(xué)科領(lǐng)域的有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型進(jìn)行科學(xué)教育。[4]隨后，各國的科學(xué)教育紛紛開始重視學(xué)科核心概念的作用并展開教學(xué)改革。無論是2013年美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，還是2017年我國頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，都明確提出要以核心概念框架建構(gòu)教學(xué)內(nèi)容體系。雖然兩者在核心概念框架的表述上有所差別，但均將學(xué)科核心概念視為既能展現(xiàn)學(xué)科的全貌，又有助于跨學(xué)科學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，并將其分為“物質(zhì)科學(xué)”“生命科學(xué)”“地球與宇宙科學(xué)”三個(gè)領(lǐng)域。此外，我國2011年頒布的《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》也以“主題”的形式提煉出“科學(xué)探究”“生命科學(xué)”“物質(zhì)科學(xué)”“地球、宇宙和空間科學(xué)”四個(gè)領(lǐng)域的核心概念。課標(biāo)中的這些學(xué)科核心概念通常由若干個(gè)基本的學(xué)科概念構(gòu)成，涵蓋了學(xué)科中最重要、最基本的知識(shí)點(diǎn)，且適用于多個(gè)學(xué)段，能引導(dǎo)青少年形成扎實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)，為其將來的進(jìn)階學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

雖然學(xué)科核心概念在學(xué)校教育中的作用逐漸被人們所關(guān)注，但是在科技館教育領(lǐng)域，其重視程度還有待加強(qiáng)。目前，我國科技館開設(shè)的活動(dòng)大部分還停留在知識(shí)灌輸層面，[5]且知識(shí)碎片化的現(xiàn)象比較常見，在館校結(jié)合的項(xiàng)目中也未能結(jié)合不同年級(jí)的教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，因而學(xué)生的參觀學(xué)習(xí)大都停留在走馬觀花的狀態(tài)。[6]再加上我國科技館建設(shè)起步晚、科技館教育活動(dòng)開發(fā)力量薄弱、社會(huì)涌現(xiàn)各種傳播媒體和教育機(jī)構(gòu)等現(xiàn)實(shí)因素，科技館教育可謂面臨諸多挑戰(zhàn)。為了改進(jìn)傳統(tǒng)展教形式，更好地落實(shí)科技館教育功能，促進(jìn)場館教育與學(xué)校教育的融合，本文選取合肥科技館的“錐體上滾”活動(dòng)案例，分析活動(dòng)過程中的基本內(nèi)容，并對(duì)它的設(shè)計(jì)理念、課程資源和教學(xué)策略進(jìn)行細(xì)致梳理，解讀其中蘊(yùn)含的學(xué)科核心概念理念，以期對(duì)當(dāng)下的科技館教育活動(dòng)的開發(fā)和實(shí)施有一定啟發(fā)。

二、案例概況

本文選取的“錐體上滾”案例是合肥科技館“展無止境”系列活動(dòng)中的一個(gè)分項(xiàng)。該系列活動(dòng)是以單件展品為切入點(diǎn)，根據(jù)展品原理及展示目的加入實(shí)驗(yàn)、游戲、互動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容，配合移動(dòng)講解設(shè)備和PPT來豐富講解內(nèi)容，從而使觀眾更好地了解科技展項(xiàng)，學(xué)習(xí)每件展品背后蘊(yùn)藏的知識(shí)。目前該系列活動(dòng)已開發(fā)十余項(xiàng)子活動(dòng)，包括“錐體上滾”“離心現(xiàn)象”“拱橋”“高壓放電”“雪絨花”“傾斜小屋”“籠中鳥”“人體拼裝”等等。

“錐體上滾”活動(dòng)是以“錐體上滾”展品為切入點(diǎn)、以力學(xué)概念為基礎(chǔ)的活動(dòng)，主要分為演示與講解和實(shí)驗(yàn)探究兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中演示與講解環(huán)節(jié)由講解展品和PPT組成；實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)由三個(gè)小實(shí)驗(yàn)組成(如圖1所示)。該案例的活動(dòng)對(duì)象為青少年，旨在通過實(shí)驗(yàn)演示、PPT講解、討論互動(dòng)、實(shí)踐探索等方式促進(jìn)青少年對(duì)重力、平衡等基礎(chǔ)力學(xué)概念的理解。

圖1 “錐體上滾”活動(dòng)主要內(nèi)容

(一)活動(dòng)準(zhǔn)備

可以播放PPT的移動(dòng)講解設(shè)備、桌子、長方形的紙板和形狀不規(guī)則的紙板、撲克牌、鉛筆、易拉罐、水、沙子、木板、釘子等。

(二)活動(dòng)流程

1. 階段一：演示與講解

首先，輔導(dǎo)員先讓觀眾對(duì)錐體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行猜測(cè)，通過演示讓觀眾集中注意力觀察雙錐體沿傾斜軌道上滾的現(xiàn)象。在觀眾認(rèn)知沖突建立后，講解員讓觀眾進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟孪?，再?duì)這個(gè)看似“反?！钡默F(xiàn)象進(jìn)行解釋：當(dāng)雙錐體在導(dǎo)軌最低處時(shí)，由于導(dǎo)軌間距小，其實(shí)錐體的重心并不低；而當(dāng)雙錐體在導(dǎo)軌最高處時(shí)，由于導(dǎo)軌間接變大，錐體下沉，因而錐體的重心反而降低了。所以，錐體僅是視覺上上滾，實(shí)際的位置是下降的。

然后，輔導(dǎo)員讓觀眾聯(lián)想生活中有關(guān)重力的現(xiàn)象，喚起學(xué)習(xí)者頭腦中有關(guān)的既有經(jīng)驗(yàn)，為接下來尋找物體重心的環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

當(dāng)觀眾對(duì)重力有了初步認(rèn)識(shí)后，活動(dòng)以PPT為載體，利用兩塊形狀不同的紙板向觀眾具體講解，什么是重心，以及重心的位置如何尋找。輔導(dǎo)員通過梳理式的講解，將觀眾頭腦中關(guān)于重力的基本概念、力的相互作用以及重心的概念整合起來，實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)的碰撞，為接下來的實(shí)踐環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

2. 階段二：實(shí)驗(yàn)與探究

當(dāng)觀眾擁有一定理論知識(shí)后，活動(dòng)設(shè)計(jì)了三個(gè)小實(shí)驗(yàn)讓學(xué)習(xí)者運(yùn)用知識(shí)去解決問題，以鞏固和拓展頭腦中的學(xué)科概念。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是“撲克牌邊撐鉛筆”，即設(shè)法將一根鉛筆橫放在撲克牌的上面。要解決這個(gè)問題，觀眾們需要先要感受二力平衡的特點(diǎn)，然后通過尋找重心的方法找出鉛筆重力的作用點(diǎn)，并設(shè)法將鉛筆的重心保持在牌邊正上方的位置，以此實(shí)現(xiàn)二力平衡的狀態(tài)。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是“巧立易拉罐”，即設(shè)法讓易拉罐斜立在桌面上。該活動(dòng)的關(guān)鍵在于引導(dǎo)觀眾發(fā)現(xiàn)，空的易拉罐如果斜放在桌面上肯定會(huì)倒下來，這是因?yàn)橐桌薜闹匦牟辉谥吸c(diǎn)的正上方，無法實(shí)現(xiàn)二力平衡。如果想讓易拉罐斜立在桌面上，就必須改變它的重心，讓重心在支撐點(diǎn)的正上方。在之前的講解和演示過程中，輔導(dǎo)員的解說并未涉及如何去改變物體的重心，所以這個(gè)環(huán)節(jié)需要觀眾自主探究。觀眾可以使用沙子、水等多種材料，雖然材料不同，但它們都可以達(dá)到改變易拉罐重心的作用。

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是“巧搭鐵釘”，即讓一根鐵釘豎直地釘在木板上，設(shè)法讓其余十根鐵釘搭在直立的鐵釘上不掉下來。這是三個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中最為復(fù)雜的一個(gè)，觀眾不僅要考慮鐵釘如何搭建成一個(gè)系統(tǒng)，還要注意系統(tǒng)的重心和每根釘子的受力情況。因此該環(huán)節(jié)輔導(dǎo)員的輔助作用較為明顯。在輔導(dǎo)員的引導(dǎo)下，觀眾采用兩根鐵釘上下放置作為主干、其余八根鐵釘左右交叉的形式，將鐵釘搭建成類似龍舟劃槳的對(duì)稱體系，然后抓住上下放置的主干鐵釘，將整個(gè)體系平穩(wěn)地提起來，并放到直立的釘子上，緩慢調(diào)整，直至體系的重心與鐵釘接觸。

三、案例分析

(一)教學(xué)設(shè)計(jì)的分析

該活動(dòng)以重心為切入點(diǎn)，以“二力平衡”為拓展項(xiàng)，從核心概念出發(fā)進(jìn)行上位設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)展品、實(shí)驗(yàn)與學(xué)科概念的融合。通過梳理我國《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的力學(xué)內(nèi)容可知，該案例涉及了物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的核心概念“力作用于物體，可以改變物體的運(yùn)動(dòng)形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”中的“5.1有的力直接施加在物體上，有的力可以通過看不見的物質(zhì)施加在物體上”和“5.2物體運(yùn)動(dòng)的改變和施加在物體上的力有關(guān)”?；顒?dòng)的設(shè)計(jì)采用“學(xué)科核心概念→學(xué)科概念→知識(shí)點(diǎn)→展教活動(dòng)”的上位設(shè)計(jì)(見圖2)?；顒?dòng)演示與講解部分雖然對(duì)兩項(xiàng)學(xué)科概念都有所涉及，但教學(xué)重點(diǎn)放在對(duì)重心、重力的理解上，且知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性并不強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)與探究部分在鞏固先前重力概念的基礎(chǔ)上，拓展了平衡的相關(guān)概念，以綜合活動(dòng)的形式建構(gòu)起學(xué)科概念間的關(guān)聯(lián)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、運(yùn)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新，反映出科技館教育活動(dòng)“做中學(xué)”的特點(diǎn)。同時(shí)，三個(gè)實(shí)踐活動(dòng)設(shè)有難度梯度，隨著活動(dòng)的復(fù)雜度加大，展教人員的輔導(dǎo)力度也在進(jìn)行調(diào)整。

在該活動(dòng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)仍然是從現(xiàn)象和實(shí)踐出發(fā)，逐步形成對(duì)各級(jí)概念認(rèn)知的下位學(xué)習(xí)。由于該活動(dòng)實(shí)踐環(huán)節(jié)較多，學(xué)生們地下位學(xué)習(xí)的過程中，其實(shí)往往難以認(rèn)識(shí)到概括性更高的學(xué)科核心概念。如果展教人員在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，能更多地考慮學(xué)生認(rèn)知過程中的薄弱環(huán)節(jié)，更好地均衡實(shí)驗(yàn)操作與講解歸納的比重，那么該活動(dòng)將會(huì)讓基于學(xué)科核心概念的教學(xué)方式更顯成效。

(二)教學(xué)策略的分析

該活動(dòng)以學(xué)科概念邏輯下的情境化教學(xué)為主要策略，融合啟發(fā)式教學(xué)、演示模仿、小組學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等方式，旨在促進(jìn)青少年理解學(xué)科概念，促進(jìn)其認(rèn)知與思維的發(fā)展。在演示與講解階段，輔導(dǎo)員巧妙地通過認(rèn)知沖突設(shè)置問題情境，激發(fā)參觀者的學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上，以引導(dǎo)和鼓勵(lì)的方式，幫助觀眾回憶頭腦中有關(guān)重力的印象，啟發(fā)他們思考現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，對(duì)重力的基本概念進(jìn)行梳理。當(dāng)觀眾對(duì)重力和重心產(chǎn)生初步概念后，輔導(dǎo)員再以演示模仿的方式將尋找物體中心的操作性知識(shí)介紹給觀眾并讓觀眾動(dòng)手實(shí)驗(yàn)以確定不同物體的重心。在實(shí)驗(yàn)與探究階段，觀眾以小組合作的方式主動(dòng)觀察、提問、提出猜想，并經(jīng)歷動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)方案、總結(jié)反思等探究性學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。為了進(jìn)一步促進(jìn)觀眾對(duì)學(xué)科概念的理解，該活動(dòng)采用的教學(xué)情境遵循學(xué)科概念的邏輯關(guān)系，并由易到難設(shè)置任務(wù)情境，這種情境與概念的密切關(guān)聯(lián)體現(xiàn)了活動(dòng)與學(xué)科概念的深度融合。

圖2 概念層次與活動(dòng)設(shè)計(jì)

(三)活動(dòng)資源的分析

本案例的教學(xué)資源為“錐體上滾”展品、輔助性PPT、用于測(cè)量物體重心的木板、三個(gè)探究活動(dòng)的材料包，以及中小學(xué)的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)。其中，“錐體上滾”展品的作用是讓觀眾陷入認(rèn)知沖突，產(chǎn)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的內(nèi)在需求；輔助性PPT一方面按照學(xué)科概念的邏輯對(duì)觀眾的已有概念進(jìn)行梳理，讓觀眾之間的現(xiàn)有知識(shí)水平盡量持平，另一方面正式地介紹了測(cè)量物體重心的方法，為接下來的探究活動(dòng)做準(zhǔn)備；三個(gè)探究活動(dòng)利用的是觀眾對(duì)重心的感性認(rèn)識(shí)，拓展二力平衡概念的過程。此外，案例的設(shè)計(jì)還參考了中小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)。雖然該活動(dòng)涉及的學(xué)科知識(shí)并不多，但是學(xué)科概念組織的系統(tǒng)性為展教人員提供了結(jié)構(gòu)性的設(shè)計(jì)思路。這種思路是科技館活動(dòng)與學(xué)校教育銜接的重要紐帶，有助于非正規(guī)科學(xué)教育與正規(guī)科學(xué)教育之間的相輔相成。

四、思考與啟示

該案例是當(dāng)前科技館教育活動(dòng)與學(xué)科核心概念結(jié)合較為典型的形式，即以學(xué)科核心概念為基礎(chǔ)，結(jié)合館內(nèi)的展品資源設(shè)計(jì)活動(dòng)。通過以上的梳理和分析，我們可以得到基于學(xué)科核心概念的科技館教育活動(dòng)在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中的若干啟示。

(一)根據(jù)科學(xué)體系下的學(xué)科概念，有選擇地確定活動(dòng)主題

本案例的主題涉及物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，能反映重力、二力平衡等基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)，因而較能體現(xiàn)學(xué)科核心概念的教學(xué)理念。然而，科技館通常還設(shè)有主題探究、DIY制作、戶外探索等學(xué)科性質(zhì)不明顯的活動(dòng)。因此，要在科技館活動(dòng)中最大程度地發(fā)揮學(xué)科核心概念的作用，就務(wù)必要對(duì)活動(dòng)主題有所選擇。隨著基礎(chǔ)教育對(duì)學(xué)科核心概念的逐步重視，各個(gè)學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)可以成為展教人員選擇主題、設(shè)計(jì)活動(dòng)的支撐性資源。

(二)把握學(xué)科體系中的核心概念，有邏輯地重組分解概念

在學(xué)校教育中，理解學(xué)科核心概念的第一步往往是將概念進(jìn)行分解，分解的方式在各個(gè)課程標(biāo)準(zhǔn)中均有所體現(xiàn)。如美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中將物質(zhì)科學(xué)中的核心概念“運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性：力和相互作用”分解為“力和運(yùn)動(dòng)”“相互作用的類型”“物理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性”。我國《義務(wù)教育小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中將物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的核心概念“力作用于物體”分解為“有的力直接施加在物體上，有的力可以通過看不見的物質(zhì)施加在物體上”和“物體運(yùn)動(dòng)的改變和施加在物體上的力有關(guān)”。雖然近似的核心概念在不同的課程標(biāo)準(zhǔn)中的表述有所差別，但是都遵循著學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)進(jìn)程的發(fā)展。因此，場館在設(shè)計(jì)教育活動(dòng)時(shí)，也可以參考核心概念和分解概念之間的邏輯關(guān)系。此外，課程標(biāo)準(zhǔn)還根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，給出了分解概念在不同階段學(xué)生需要掌握的程度。雖然科技館教育活動(dòng)無法做到學(xué)校教育那樣根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)階段層層遞進(jìn)地進(jìn)行學(xué)科概念的傳授，但是場館活動(dòng)仍要盡量利用觀眾的既有知識(shí)進(jìn)行認(rèn)知同化。傳統(tǒng)展教活動(dòng)在面對(duì)紛雜的分解概念時(shí)，往往容易陷入碎片化教學(xué)的慣性。因此，如何創(chuàng)設(shè)活動(dòng)線索，將分解的學(xué)科概念重組起來，將是活動(dòng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

(三)促進(jìn)學(xué)習(xí)過程內(nèi)的概念同化，有關(guān)聯(lián)地創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

科技館教育活動(dòng)是以情境化為特色的教育活動(dòng)，活動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要注意學(xué)科概念之間的關(guān)系，還應(yīng)注意教學(xué)情境的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這些關(guān)聯(lián)系取決于情境自身蘊(yùn)含的科學(xué)現(xiàn)象、原理和方法與學(xué)科概念之間的聯(lián)系。因此，為了保持整個(gè)活動(dòng)的系統(tǒng)性，活動(dòng)的情境設(shè)計(jì)也需要從學(xué)科核心概念出發(fā)，尋找契合核心概念及分解概念的展品和活動(dòng)建構(gòu)教學(xué)情境。在這種情況下，觀眾在體驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，情境之間的關(guān)聯(lián)往往能使得概念的同化過程更為直接和高效。

(四)考慮受眾群體的學(xué)習(xí)需求，有意識(shí)地調(diào)整活動(dòng)重點(diǎn)

不同年齡和背景的觀眾對(duì)科技活動(dòng)的期望和價(jià)值判斷存在差別，但就特定主題的活動(dòng)而言，觀眾感知的方向總是相同的。因此，展教人員需要實(shí)現(xiàn)的是，讓不同接受能力和知識(shí)水平的觀眾在活動(dòng)中都能有所收獲。從以上案例分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是演示講解還是實(shí)驗(yàn)操作的過程中，活動(dòng)的難度都呈現(xiàn)一定梯度，這樣既能讓不同年齡、知識(shí)水平、動(dòng)手能力的觀眾在活動(dòng)中都有所體驗(yàn)，又能為講解員在實(shí)際操作時(shí)自主調(diào)整活動(dòng)難度提供空間。當(dāng)然，這樣的活動(dòng)梯度設(shè)計(jì)并非一蹴而就，還需要在實(shí)踐中不斷打磨，這對(duì)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的展教經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)知識(shí)和工作態(tài)度都提出了一定要求。