袁胡駿 湯雨微

一、科學教育定位

(一) 科學教育的理論基礎

隨著科學技術的快速發(fā)展，一個國家公民的科學素養(yǎng)決定了這個國家的競爭實力。在知識經(jīng)濟時代背景下，知識爆炸性增長，如何有效地進行基礎教育階段的科學教育，以及如何選擇恰當?shù)膶W習內(nèi)容成為各國基礎科學教育面臨的主要難題。[1]科學教育的目的應該是培養(yǎng)學生的科學態(tài)度、掌握科學方法，然而這一目的只通過學習分門別類的、獨立的抽象理論和事實是無法實現(xiàn)的?；谝陨鲜聦?，溫·哈倫等科學教育專家編寫了《科學教育原則和大概念》(以下簡稱《大概念》)一書。該書指出，有助于學生理解與他們生活相關的事件和現(xiàn)象以及幫助學生理解與他們在校以及離開學校以后的生活有關的一些事件和現(xiàn)象的核心概念稱為科學上的“大概念”；書中明確指出：科學教育的目的是培養(yǎng)知情的決策者，使學生具有進行正確決策的知識基礎和能力。[2]

以往的科學教育試圖在學校教學中覆蓋盡可能多的內(nèi)容，即知識的廣度而非深度，這就造成學生在完成學校的基礎課程后，只獲得了零散的知識碎片，缺乏對現(xiàn)實世界中真實事物的深入理解[3]。通過對學生有意義學習的探討和當代科學教育的研究，越來越多的科學教育工作者意識到科學教育應該“少而精”，科學教育的實施應該注重整體的一致性和連續(xù)性，并聚焦于科學“大概念”。

科學教育一直是美國基礎教育研究的熱點。美國在新一輪教育改革中，以科學“大概念”為核心，提出了關于科學教育框架的研究報告《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》，以概念描述的方式明確規(guī)定了K-12年級所有學生應該學習的具體內(nèi)容，提出了支撐科學教育的“三個維度”——“實踐”(practices)“跨學科概念”(crosscutting concepts)和“學科核心概念”(disciplinary core ideas)。[4]以該報告為基礎，美國制定了新的國家科學教育標準，即《新一代科學教育標準》(NGSS)。上述兩個科學教育文件都強調了支撐科學教育的“三個維度”[4]：第一個維度“科學工程與實踐”包括8個方面的概念或內(nèi)容，著重強調了建立和使用模型，構建科學的解釋和設計工程的解決方案；第二個維度“跨學科概念”在所有科學領域中均可運用，體現(xiàn)的是不同學科中通用的思維方式；第三個維度是“學科核心概念”，是學生應當了解和掌握的相應學科關鍵知識。上述美國科學教育文件中的表述雖與《大概念》有所不同，但關注在科學教育中起關鍵作用的“科學概念”及其教育理念，卻不謀而合的。

科學“大概念”作為科學教育的理論基礎，而美國的《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和學科核心概念》和《新一代科學教育標準》為我們?nèi)绾卧诳茖W“大概念”下有效地進行科學教育提供了實踐方向和指導?？萍拣^是進行科學教育的重要場所，如何應用科學“大概念”進行科技館展覽設計是本文探討的重點。

(二)科技館教育職能定位

科技館的首要職能是科學教育，展覽是科技館教育的主要載體。不同于學校系統(tǒng)學習的教育環(huán)境，科技館具有典型非正規(guī)學習環(huán)境特征，即根據(jù)參觀者自身的動機、文化和能力基礎提供一個安全的、非威脅性的、開放性的自主學習環(huán)境，并且對學習成效評價較弱。不同于學校傳統(tǒng)的以老師引導為主的學習方式，科技館更鼓勵觀眾親自動手操作和實踐，觀眾通過與展品互動來感受展品及其傳達的科學內(nèi)涵；在互動過程中，充分調動觀眾學習的主動性和積極性，進而使觀眾主動探究科學知識和科學理念。科技館的科學教育目標相對于學校更為多元化，不僅要面向不同的觀眾傳達科學知識，而且強調趣味性和互動性，活動形式更為豐富。觀眾通過與機器、模型、多媒體等互動來達到學習目的，探究學習的理念更為強化。

(三)科技館科學教育的重點

關于科學教育，不僅包括科學知識的傳授，還包括科學方法、科學思想、科學精神和科學態(tài)度的培養(yǎng)，由于科技館離散的、開放性學習的環(huán)境特征，[5]因而科技館科學教育的重點不應該是向學生灌輸科學知識，更應該關注的是科學教育原則和大概念中“實踐的、跨學科的概念”。[2]不同于學校通過課本和老師引導傳授科學知識，科技館的科學教育是通過觀眾主動與展品互動來直接獲得科學知識和經(jīng)驗的?？萍拣^展品的科技內(nèi)涵信息有三層，第一層信息是展品本身的科學原理、科學知識，第二層信息是科學家發(fā)現(xiàn)該原理和知識的過程，探究方法以及發(fā)現(xiàn)背景，第三層信息就是該科學原理的發(fā)現(xiàn)對當時的科技、經(jīng)濟、文化、社會帶來的影響。[7]短暫的互動能夠傳達的科學知識有限，展品的互動更能體現(xiàn)的是科學家獲得科學原理的實踐過程，另外就是隱含在展品后面的科學家探究過程中體現(xiàn)的科學方法、科學思想、科學精神和科學態(tài)度。這些科學方法、科學思想、科學精神、科學態(tài)度等即是“大概念”中的“跨學科概念”。

“跨學科概念”是科學知識發(fā)現(xiàn)的普遍規(guī)律，基于科學的對客觀世界的認知。這些內(nèi)容包含適用于各個學科甚至社會生活、個人發(fā)展的科學認識論、方法論和價值觀。[6]例如，科學家發(fā)現(xiàn)科學原理的普遍規(guī)律是：首先發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象或問題，其次是提出判斷或假說，然后設計實驗進行驗證，最后驗證假設得出結論。這種規(guī)律不僅適用于科學家發(fā)現(xiàn)科學原理，也適用于我們在生活中科學有效地解決問題。又如我們具有的科學精神和態(tài)度、對事物之間因果關系的認知等等，都與我們在社會中生存以及解決生活中的問題息息相關，甚至關系到我們整個國家的發(fā)展。因而，科技館教育的重點不應該僅限于科學知識，更應該是大概念下“實踐的、跨學科的概念”?？萍拣^以展品為主導的探究式學習場所，正好可以結合學校的科學教育成為學生開展科學與工程實踐的重要場所[6,7]。另外可以結合STEM教育和創(chuàng)客教育，大力發(fā)展跨學科綜合類學習活動。

二、科技館展覽主題思想凝練

主題性展覽設計方法是現(xiàn)代科技館應用的主要表現(xiàn)手法，有整個場館展覽的主題以及各展區(qū)的分主題，而所有的展品均要服務于整個展覽主題和展區(qū)分主題的表達。那么，如何選擇主題，以及如何進行主題思想提煉，是展示設計首先要解決的主要問題。

(一)主題的含義

在進行展覽設計時，我們經(jīng)常會遇到幾個相近的概念，包括“選題”“標題”“主題”。選題是指展覽所要展示的內(nèi)容范圍，而標題是指根據(jù)內(nèi)容賦予的展區(qū)的名稱，主題是指展覽所要表達的核心思想，是希望觀眾能夠理解領悟的科學的思想、觀念、概念或情感。[8]“選題”“標題”“主題”這三個概念在進行展覽設計時很容易混淆，在進行主題思想凝練時應該把握主題的準確含義。

(二)展覽主題的凝練

主題思想的確定需要大量的前期研究工作，應占到整個展覽設計工作的30%。前期的研究工作包括對展示目的、展覽特色等進行分析定位、研究確定展示教育理念、確定展覽設計的思路、指導思想和原則等。那么經(jīng)過前期調研之后，如何將這些資料匯總，凝練出最適合、最有意義的主題思想呢？通過上文對《大概念》和科技館科學教育定位的研究，我們可以從以下三個方面進行主題思想凝練：圍繞科學教育目標進行主題思想凝練；挖掘科學內(nèi)容的多維度；把握觀眾的學習特征。

圍繞科學教育的目標，是指主題思想要遵從《大概念》中科學教育的原則來展開，并且以科學教育的目標作為出發(fā)點?！洞蟾拍睢分锌茖W教育的原則指出“科學教育的主要目的應該是為了使每個人都能夠參與有依據(jù)的決策和采取適當?shù)男袆?，這對保證他們個人、社會以及環(huán)境的健康和協(xié)調發(fā)展是重要的”以及“科學教育具有多方面的目標，科學教育應該致力于：理解一些科學上有關的大概念，包括科學概念以及關于科學本身和科學在社會中所起作用的概念；收集和運用實證的科學能力；科學態(tài)度”。因而主題思想不應該只是關于某學科的科學知識，而應該是這門科學中蘊含的科學思想、科學能力、科學態(tài)度等。以上海科技館“地球家園”為例，如果不考慮科學教育的原則，關于地球家園，我們首先想到的是從地球本身的科學知識體系脈絡展開，例如“地球的產(chǎn)生與演化”“地球的結構”“板塊運動”“陸地與海洋”等。但是以科學教育的原則進行審視，即科學教育應培養(yǎng)知情的決策者，因而可凝練出主題“萬物互聯(lián)——決定與改變”，傳達萬物互聯(lián)的系統(tǒng)論思想，讓參觀者切實地感受到自己的所有決定都最終會影響到整個地球家園，從而建立起責任感和主人翁精神。

挖掘科學內(nèi)容的多維度，是指多角度多維度地分析，聚焦少量或幾個維度展開，發(fā)掘不同維度之間的聯(lián)系。比如科學內(nèi)容包括科學知識、科學精神、科學態(tài)度、科學方法等等多個維度以及相互之間的聯(lián)系。

把握觀眾的學習特征，是指把握觀眾的認知特性和知識基礎以及學習習慣等。例如，針對兒童、青少年、成年人、專家等不同的人群有不同的主題展區(qū)等。

三、科技館展覽內(nèi)容設計

在確定主題思想后，展覽內(nèi)容設計要服務于主題的表達。展覽內(nèi)容是設計者希望向觀眾展示的主要內(nèi)容。展覽內(nèi)容設計包括展品內(nèi)容設計、展示環(huán)境設計、互動方式設計、教育活動設計。

(一)展品內(nèi)容設計

展品內(nèi)容設計是指展品的選擇和展品的排布方式，主要有兩種結構表達方式。

一是線性邏輯，即所有的展品服從于知識體系脈絡，展品之間有遞進的表達順序，便于設計者及學科專家理解，參觀效果對順序依賴性強。例如合肥科技館生命展區(qū)，設計者最開始設計這個展區(qū)時存在分展區(qū)，并且設計了一條主流的參觀線。從人體自身的感知開始，到人對外界事物的反應速度，再到人體健康以及人類智慧，符合一般的認知規(guī)律。然而觀眾在實際參觀過程中幾乎感覺不到分主題展區(qū)的存在；參觀高峰時段，觀眾只能選擇某個參與人數(shù)少的展品參觀，不可能按照主線來參觀。另外，觀眾在參觀過程中有很大的隨意性，使設計意圖有很大程度的丟失。

二是離散型結構，展品的排布沒有明顯的主線，所有的展品服務于主題目標表達，每個(組)展品對應明確的科學教育目標，參觀效果對順序的依賴性弱。雖然沒有固定的順序，但是不同的展品對應于科學教育的小目標都與主題息息相關。離散型結構更符合科技館實際參觀方式，因而在進行展品內(nèi)容設計時，這種離散型結構將在今后應用得越來越多。

(二)展示環(huán)境設計

展示環(huán)境相當于展品內(nèi)容的組織者，科學大概念下離散型結構的內(nèi)容展示對展示環(huán)境設計的要求更高，需貫穿多個環(huán)節(jié)，把主題展覽組織成有機整體。

展示環(huán)境設計的目的包括以下幾個方面：一是呈現(xiàn)信息框架，清晰展現(xiàn)主題展覽的信息結構，使觀眾不會迷失在展覽中，這是展示環(huán)境設計的首要任務；二是營造主題氛圍，服務于主題思想的氛圍營造是展覽成功的催化劑；三是補充知識內(nèi)容，展品不易表達的知識內(nèi)容可以通過環(huán)境設計補充；四是深化傳播效果，多通道的環(huán)境設計可以增強傳播效果；五是表達教育目標，把多個科學教育小目標有機地整合成一個服務于預設主題的教育大目標。

(三)互動方式設計

互動是展示活動中觀眾與展品之間相互影響與彼此作用的現(xiàn)象；是通過人機對話在展品與觀眾之間建立一種互動的體驗關系，從而使展品的展示效果得到有效提升的過程。[9]因而展品的互動方式設計直接影響到展品的展示效果?！洞蟾拍睢分锌茖W教育的第一原則是“在義務教育的所有年級，學校都應該設置科學教育項目，以便系統(tǒng)發(fā)展和持續(xù)保持學習者對周圍世界的好奇心，對科學活動的熱愛以及對如何闡明自然現(xiàn)象的理解”。互動方式設計的首要目標是激發(fā)好奇心，因此要做到好看、好玩、好聽。心理學研究表明，通過聽、說、看等多種感官互動方式，可記住90%內(nèi)容，互動程度越高，認知的程度也就越高。[8]

如何激發(fā)好奇心呢？通常，與日常概念發(fā)生偏差的現(xiàn)象容易激發(fā)好奇心。例如“最速降線”展品，如圖1(a)所示：“兩點間直線距離最短最速”是個日常概念，“距離越短，耗時越少”則是日常概念帶來的慣性思維；如圖1(b)所示：由于最速降線現(xiàn)象與日常概念的不一致，使原本抽象的數(shù)學問題變得有趣而生動。

互動方式設計要做到將抽象概念具象化。美國蓋查德教授做過一個對比實驗：體驗過“運動的骨骼”展品的6～9歲兒童96%能準確畫出骨骼連接結構，8個月后仍有92%能正確畫出。而另外一組未有相關展品體驗經(jīng)歷的同齡兒童中僅有3%能畫出上述骨骼結構。

互動方式設計應為探究學習提供可能。例如最新的“萬有引力”展品(圖2)設計成為入射軌道角度可調節(jié)的模式，可以讓體驗者在不同的入射角觀察小球旋轉的軌跡是否存在差異。

(四)教育活動設計

科技館基于展覽展品的教育活動也是展覽設計的重要內(nèi)容，是根據(jù)不同的科學教育目標進行設計的，主要對象有：有組織的團體觀眾、家庭觀眾、自發(fā)組成的小團隊觀眾。針對團體觀眾的教育活動，對知識廣度與深度要求高，可貫穿整個展區(qū)，更側重知識體系。針對家庭觀眾的教育活動，通?；谀硞€單獨展品，更偏向科學態(tài)度與興趣，對知識儲備要求低。針對自發(fā)組成小團隊觀眾的教育活動，往往基于多人協(xié)作的展品，適合團隊協(xié)作，更注重自我感悟。

四、結語

提高科學素質是個人和國家發(fā)展的需要，如何有效進行基礎階段的科學教育，一直是教育界探討的重點?！按蟾拍睢弊鳛榭茖W教育的理論基礎，明確指出科學教育旨在幫助孩子們初步形成科學態(tài)度，掌握科學方法，了解科學精神?？萍拣^是以展覽教育為主要功能的公益性科普教育機構，其開放的、非正規(guī)的學習環(huán)境和鼓勵觀眾自主探究的學習方式?jīng)Q定了科技館是科學教育的第二陣地?？萍拣^科學教育的重點應該是“大概念”中“實踐的、跨學科的概念”，即科學態(tài)度、科學方法、科學精神等。展覽是科技館最重要的教育資源與載體，展覽設計的質量決定了一個科技館科學教育的成敗。因而展覽設計應該在“大概念”的指導下進行，主題思想的凝練以及展覽內(nèi)容設計都應該圍繞科學教育目標展開，各個環(huán)節(jié)可以分別支持多個子目標，最后共同支持一個主題思想。