嚴云峰 王長江

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

隨著科技館教學的不斷普及，許多學校開始有意識地帶領學生參觀當?shù)氐目萍拣^，以期培養(yǎng)學生的科學思維能力，形成正確的科學觀.只是，簡單參觀式的科技館游覽并不意味著就能夠提升科學思維和科學探究能力.對于物理教學而言，科技館是一本生動而立體的教科書.如何利用好這樣的教學資源，不落入“走馬觀花式的參觀”窠臼？唯有正確認識科技館的教學功能才能實現(xiàn).只有變“參觀科技館”為“科技館教學”，才能真正在學校和科技館間搭建一座橋梁，讓青少年跨越時空，站在前人的肩膀上探究物理世界，培養(yǎng)學習興趣，發(fā)展核心素養(yǎng).

1 SOI模式與科技館教學

1.1 SOI學習模式

SOI學習模式由理查德·E·梅耶最先提出.他認為，教學信息是旨在促進學習的信息[1].有意義學習的SOI模式必須包含3個重要的條件，即選擇信息、組織信息、整合信息.

有意義學習的SOI理論內涵如圖1所示.

圖1 SOI模型導圖

學生在學習時主動進行認知加工，首先從呈現(xiàn)的文本中選擇相關的詞語，從呈現(xiàn)的插圖中選擇相關的圖像，將所選擇的圖像組織為一個連貫的圖像模型，將圖像模型和言語模型同先前的知識整合起來，就完成了有意義學習的過程[1].

1.2 科技館教學

科技教育以基礎教育為依托，由科學教育和技術教育協(xié)同結合，以培養(yǎng)和訓練學生的科學態(tài)度、科學精神、科學知識和方法、科技實踐能力，全面提高學生科學素養(yǎng)[2].科技館教學屬于科技教育，是對觀眾組織開展能讓他們學會科學方法、掌握科學概念、培養(yǎng)科學態(tài)度的教學活動.

我國傳統(tǒng)的科技館教學，往往只關注具體知識，在意的是對知識的學習和記憶，即使有動手體驗環(huán)節(jié)，也只是注重操作性的技能訓練；部分項目加入的“探究”實踐，仍擺脫不了以傳授知識為主的思維[3].

美國的博物館學校也出現(xiàn)過同樣的問題，于是在 1996 年的博物館學校研討會上，華盛頓特區(qū)博物館磁石學校提出了“博物館教學過程”的教育理念[4],如圖2所示.

圖2 博物館教學過程

“博物館教學過程”以“吸引、探索、實驗、解釋和展示”5步驟圍繞著某一個主題循序漸進進行博物館教學.“博物館教學過程”將博物館學習定義為以學習者主動學習為特點的學習過程.作為博物館的一種類型，科技館教學也應該符合博物館教學過程的特點.

2 基于SOI模式的科技館教學方式

2.1 課堂教學與科技館教學的比較分析

學校作為正規(guī)教育場所，在培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)方面擔當重要角色.課堂教學過程是有組織的，教師根據教學大綱完成教學目標和教學內容.與傳統(tǒng)教學不同，科技館教學的對象是不固定的，也不依靠固定的課本和教材進行教學.科技館依靠其場館資源，用生動、直觀的互動展品代替只以圖片和文字形式呈現(xiàn)的課本知識.

課堂教學與科技館教學過程有許多相似之處，但也存在著諸多不同.如圖3所示，二者結構類似，都滿足SOI模式的“選擇”“組織”和“整合”的學習路徑，具有很強的兼容性；環(huán)節(jié)各不相同，體現(xiàn)了很強的互補性.具體來說，課堂教學與科技館教學產生問題的來源不同，前者是情境，后者是環(huán)境；獲得結論的方法不同，前者是動腦，后者是動手；形成認知的途徑不同，前者是驗證，后者是發(fā)現(xiàn).

圖3 課堂教學過程與科技館教學過程的對比

通過對比我們發(fā)現(xiàn)，課堂教學與科技館教學并不是傳統(tǒng)認識中有很大差異的兩種教學方式，科技館不僅僅具有參觀與科普的作用，也可以承擔一些理論教學任務，同時和課堂教學一樣滿足選擇、組織、整合的學習過程，這充分表明利用科技場館來進行物理學科的教學是符合學習流程的.另一個角度來說，二者在具體教學步驟中又有明顯不同的傾向，說明科技場館的教學可以給課堂教學提供補充，不僅僅局限于書本以及想象的空間，而是可以置身于真實情境、動手操作、尋找真理.從這個意義上說，在初中物理教學中利用科技館資源是可能的，同時也是必要的.

2.2 基于SOI模式的科技館教學思路框架

基于SOI模式的科技館教學方式將從以下3個方面實施：

(1)利用科技館資源補充課堂教學內容

課堂教學是在有限時間和空間內進行的有限教學，因為存在諸多限定，教師需要嚴格按照事先安排好的教學計劃進行某節(jié)課的課堂教學，這也直接導致了課堂資源是有限的，甚至有時因為教學安排所限課堂資源需要精簡.

在科技館教學中，教學時間是不固定的，每節(jié)課的時長也可以隨著課程難度的變化縮短或延長.當遇到學生感興趣的課題時，可以適當擴展延伸，這是課堂教學無法比擬的.在科技館中學生親身體驗，探索發(fā)現(xiàn)，不受嚴格的教學安排限制，接觸的模型、儀器、展板、多媒體互動設備等資源遠遠超過了課堂教學所能提供的.

(2)利用科技館資源豐富學生學習方式

課堂教學更加適合那些沉穩(wěn)、獨立、善于沉思的學生，因為課堂教學主要的學習途徑是通過學習知識內涵再表達應用.在實際生活中，知識的探索往往需要對現(xiàn)象的敏銳洞察力和判斷力，這和課堂學習過程正好相反.這也是為什么有部分尖子生高分低能，只會學習書本知識，步入社會后難以擺脫舒適區(qū)，最終落下“傷仲永”式的遺憾.

按照學習方式劃分，課堂教學適合沉思型、場獨立型、平穩(wěn)型的學生，科技館教學適合沖動型、場依存型、敏銳型的學生.但是人是非常復雜的，特別是初中生，對于不同的學習環(huán)節(jié)有不同的學習方式.比如占有資料觀察環(huán)節(jié)是場依存型，動腦思考環(huán)節(jié)是沉思型，驗證結論環(huán)節(jié)又是敏銳型的.在某一種教學環(huán)境中長時間教學會限制學生的學習方式，也容易思維固化.利用科技館資源可以豐富學生的學習方式，鍛煉不同的思維模式，培養(yǎng)科學思維和科學探究能力.

(3)利用科技館資源加深知識和生活的聯(lián)系

課堂教學從“生活情境”中來到“表達應用”中去.科技館教學則是從具體的案例出發(fā)，探索案例背后的原理，動手操作得出結論，最后驗證結論形成認知，從“實際應用”中來到“實際應用”中去.例如，初中學生在學習了“磁生電”的知識后，即使理解了它的表達式與圖片解析，面對一個發(fā)電機依然會覺得十分陌生，因為僅僅只學習了理論知識，即使進行了“表達應用”也不代表真的會“實際應用”.但是，科技館教學可以提供發(fā)電機模型、微型發(fā)電機甚至是大型發(fā)電機，學生在動手操作、探尋原理后真正將知識和生活緊密聯(lián)系在一起，從這一點看，科技館教學的優(yōu)勢是十分明顯的.

基于SOI模式的科技館教學思路框架如表1所示.

表1 基于SOI模式的科技館教學思路框架

3 基于SOI模式的科技館教學案例設計

場館教學必須依賴于具體的場館，科技館教學是場館教學的一部分，因此,科技館教學方式的研究必須切實依靠現(xiàn)實中的科技館進行教學實踐才有意義.超一線及一線城市諸如北京、上海、南京等城市科技館資源豐富，當?shù)貙W生可以接觸到的配套設施更加齊全，但省級科技館只能依托省會城市，至多覆蓋周邊地市，無法覆蓋全省.所以對于省級科技館輻射不到的一般地級市和縣級中學來說，地級市科技館是他們能夠接觸到也最為方便的一級科技館，以市級科技館作為研究和設計對象對于大多數(shù)中學也最有實踐意義.

以安徽省蕪湖市科技館的資源為例，可以應用于初中物理教學的展項匯總如表2所示.

表2 蕪湖科技館可用于初中物理教學的展項匯總

通過匯總圖我們可以發(fā)現(xiàn)，蕪湖市科技館自然科學展區(qū)可以用于初中物理教學的共有19項展品，內容涵蓋聲學、光學、力學、電磁學與核物理等，所涉及的物理概念可以覆蓋人教版初中物理的所有重點章節(jié)，這說明蕪湖市科技館資源是可以滿足初中物理教學的.以“馬德堡半球”展項為例，進行科技館教學設計如下.

3.1 選擇信息 建立聯(lián)系 感知現(xiàn)象

教師活動：科技館是一個奇妙的場所，在這里同學們能夠體驗到日常生活中看不到的神奇現(xiàn)象，也能夠看到生活中常見但我們從未留心的場景.今天，就讓我們一起揭露奧秘、感知自然、體驗神奇.

(1)真實的問題：在之前的學習中，我們已經知道液體對浸入其中的物體有壓強作用.那么空氣是否也和液體一樣，對浸入其中的物體有壓強的作用呢？

其實在很早之前人們就產生了這樣的疑惑.1654年，馬德堡市長格里克就進行了一項科學實驗，目的是證明大氣壓的存在.如圖4所示，格里克把兩個空心的半球貼在一起，抽出球內空氣，然后用兩隊馬向相反方向拉，兩隊馬費了九牛二虎之力終于把它拉開了，而此實驗也因格里克的職銜而被稱為“馬德堡半球”實驗.

圖4 “馬德堡半球”實驗

現(xiàn)實是否真的和傳說一樣，面對兩個內部真空的半球組成的球體，是否真的很難拉開，今天就讓我們一起走進“馬德堡半球”實驗.

(2)環(huán)境：已知室內壓強和大氣壓強相同，實驗裝置如圖5所示.實驗裝置十分簡潔，和最早的“馬德堡半球”實驗設計有明顯的不同，在這里用人力代替馬匹，但是其理論內涵是完全一樣的.

圖5 “馬德堡半球”實驗展項

實驗裝置是安全的，沒有危險性，密閉性良好，可以產生實驗現(xiàn)象.

3.2 組織信息 建立模型 探索原理

教師活動：同學們在大致地了解了活動的背景以及熟悉環(huán)境之后，自己探索實驗裝置，觀察儀器構造，分析儀器的原理，并按照指示面板上的操作說明動手操作，如果有疑問可以隨時向指導老師提問.

(1)分析儀器、交流：馬德堡半球裝置是由兩個透明面罩合并而成，合并后形成了一個圓球，在圓罩頂有一根通氣導管.右側圓筒狀裝置是操作裝置，同時也是抽氣機.兩個圓罩用彈簧連接，圓罩下方有兩個拉環(huán).手拉拉環(huán)可以將兩個圓罩分開.

儀器操作面板寫有操作流程：按下“啟動”按鈕，將半球型圓罩與頂部吸合，抽氣泵將圓球內的空氣排出.拉住把手，用力向下拉拽，試試看半球能否被拉開.

學生活動：自己嘗試拉動裝置的把手，看看需要多大力可以將兩個圓罩分開.

(2)動手操作：學生手拉拉環(huán)，可以明顯將兩個半球分開.在操作面板上按下“啟動”按鈕，抽氣機開始運作.此時學生再次手拉拉環(huán)，發(fā)現(xiàn)無法將兩個半球分開.讓學生和另一名學生各抓一個把手用力向下拉，依舊無法分開.

大約半分鐘后，抽氣機停止運行.此時學生依舊嘗試分開半球，在抽氣機停止運行前后，學生可以明顯感到一旦抽氣機停止工作，自己就可以分開圓球.至此，實驗過程結束.

3.3 整合知識 聯(lián)系實際 表達應用

教師活動：為什么球內空氣減少時，很難甚至無法將半球分開呢？

(1)發(fā)現(xiàn)結論：學生自主交流討論，在抽氣機工作前后自己的感受是什么？為什么有這樣的感受？這背后的原理又是什么呢？

指導教師引導學生討論，討論結束后，教師進行總結：如圖6所示，當球內空氣減少時，氣壓就會降低，外部的大氣壓便會把半球緊壓在一起，因此，半球就不容易被拉開.

圖6 “馬德堡半球”實驗原理圖

“馬德堡半球”實驗更加直觀地證明了大氣壓力的存在，抽掉的空氣越多，受到的外部壓力越大，半球就越難拉開.

(2)形成認知：“馬德堡半球”實驗有力地證實了大氣壓的存在，在我們的周圍，也經常發(fā)生著許多“馬德堡半球”實驗.雖然外形不同，但其實質是一樣的，都是大氣壓在起作用.比如搬運玻璃時，我們會把吸盤壓在玻璃上，然后將吸盤中的空氣抽出，大氣壓就將玻璃緊緊的壓在吸盤上，這樣我們就可以手握吸盤移動玻璃了.

中醫(yī)使用的“拔火罐”應該是最早應用“馬德堡半球”實驗原理的裝置了.利用熱脹冷縮的原理，將罐中的空氣排出.由于空氣幾乎被排空，所以罐中氣壓很小，大氣壓將罐緊緊地壓在皮膚上.

有一種塑料掛衣鉤也是運用了“馬德堡半球”實驗的原理，它的背部是一個塑料圓盤，將其用力壓在墻壁上使其內部空氣排盡，等到恢復原狀，大氣壓就將圓盤緊緊的壓在墻壁上，上面的掛鉤就可以掛衣服了.

我們的生活離不開這些“馬德堡半球”實驗，經過完整的學習過程，學生從現(xiàn)象中來到應用中去，體會到了大氣壓的奇妙，也認識到學好物理知識和概念可以給我們的生活創(chuàng)造便利.

4 結束語

在科技場館的教學中，學生能夠親身體驗物理環(huán)境，在指導教師引導下探尋物理規(guī)律，形成物理觀念，培養(yǎng)科學思維和科學探究的能力.這些能力在學校教學場景中需要大量的時間和精巧的教學設計，往往還達不到預期的教學效果，歸根結底是因為學生缺乏動手和應用知識的機會.學校必須轉變對科技館教學的認知，將科技館作為一個正式教學的場所.合理利用科技館資源，推進館校合作，變“參觀科技館”為“科技館教學”，這樣才能最大限度給予初中生探索知識、應用知識的機會，培養(yǎng)核心素養(yǎng).