科學課程標準對科技博物館科學教育的啟示

葉兆寧

專題研討:科學課程標準與館校結合

科學課程標準對科技博物館科學教育的啟示

葉兆寧①

本文通過分析，提出近年來科學教育的兩個重要進展，一是對科學學習目標與過程的重新認識；二是STEM教育的異軍突起。在進一步分析2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》和我國剛剛頒布的《小學科學課程標準》中對目前科學教育變革應對的具體表現(xiàn)之后，對科技博物館教育活動的設計提出三點啟示:一是科技博物館教育活動應該成為學生開展科學與工程實踐的重要場所；二是科技博物館教育活動設計需要考慮大概念和兒童學習的進程，開發(fā)適合不同年齡層次兒童需求的有結構的探索活動；三是結合STEM教育與創(chuàng)客教育，需要大力發(fā)展跨學科綜合類學習活動。

科學教育；課程標準；科技博物館；教育活動

一、近年來科學教育的重要進展

進入21世紀以來，科學技術的發(fā)展突飛猛進，創(chuàng)新人才成為社會前進的有力推進器。教育學、心理學、認知科學、神經(jīng)教育學等也因科技進步的推動而得以迅速發(fā)展，科學教育作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基礎，在近十年內取得了顯著的進展。

(一)進展之一:對學習目標與過程的重新認識

最重要的進展來自于對科學教育目標與過程的重新認識。國際科學院聯(lián)盟2010年的《科學教育的原則與大概念》指出科學教育的主要目的應該是為了使每個人能夠參與有依據(jù)的決策和采取適當?shù)男袨?，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。[1]緊接著的《以大概念的理念進行科學教育》更加明確地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]可見，學習的目的已經(jīng)很鮮明地由記憶一大堆羅列的事實和知識轉向幫助學生掌握和運用學科的核心概念；對學習過程的理解由單一的書本學習改變?yōu)橹R與實踐結合的產(chǎn)物，即不再把學習和實踐割裂開來，而是在學習的過程中將學、做、思有機地結合在一起；而其中所提之“實踐”，并非普通意義上的做，而是一種有意義的學科活動，須作為學生學習的必要方法，實踐的過程是學習者主動參與建構、完善和運用學科知識去解釋世界的過程，是個人融會貫通的過程，而不是一個生搬硬套的程序和單純的技巧和方法訓練。對學習的目標與過程的重新認識，改變著教育的方向，也改變著教育的理念與方法。

(二)進展之二:STEM教育的異軍突起

根據(jù)新的經(jīng)濟和技術發(fā)展的需要，社會對創(chuàng)新人才的需求越來越顯著。這推動了科學教育領域另一個重要的進展，即越來越強調在科技教育中整合科學、技術、工程和數(shù)學，在K－12年級的學習中更廣泛地推進以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標的跨學科STEM課程。這與前一個進展中的教育目標不謀而合。STEM教育的本質是在眾多孤立的學科中建立一座新的橋梁，從而為學生提供整體認識世界的機會，通過把這四個領域學科知識和技能的教學整合到一種教學范式中，使學生學習的零碎知識變成一個相互聯(lián)系、相互統(tǒng)一的整體，從而消除傳統(tǒng)教學中各學科知識割裂、不利于學生綜合解決問題的障礙，形成一種跨學科的學習方法。[3]這一進展不僅帶來了科學教育與其他學科教育的整合，尤其是工程與技術教育的整合，也帶來了教學方法與學習過程的整合，促進了學生學習環(huán)境的變革，甚至將導致學校重新考慮運行的機制。以上兩點進展被鮮明地體現(xiàn)在2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》(簡稱NGSS)和今年初我國教育部頒布的《義務教育小學科學課程標準》(以下簡稱《小學科學課標》)中。足以說明它們正在逐步影響教育的理念、本質和實施。

二、NGSS和我國《小學科學課標》對科學教育變革應對的具體表現(xiàn)

課程標準是規(guī)定某一學科的課程性質、理念、目標、學習內容和實施建議的教學指導性文件，是課程編寫、教學和評價的依據(jù)。

與美國第一個國家科學教育標準類似，NGSS的誕生也是建立在十多年期間對科學教育開展的眾多實證研究的基礎之上，是對第一個科學教育標準的繼承與發(fā)展。NGSS和其指導性文件《K－12科學教育框架》給出K－12年級科學教育的兩個主要目標:(1)為所有學生提供科學與工程教育；(2)為那些會成為未來科學家、工程師和技術專家的學生提供基礎知識。即到12年級結束時，學生應獲得足夠的關于科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念的知識。通過學習和參與科學與工程實踐而獲得的洞察力和激發(fā)出的興趣，有助于他們參與有關問題的公共討論，批判地吸收與他們日常生活相關的科學信息，并能終生學習科學。[4]標準強調科學與工程的實踐(Science and Engineering Practices)、跨學科概念(Crosscutting Concepts)、學科核心概念(Disciplinary Core Ideas)是NGSS的三個維度，也是教學圍繞的三個維度，它們之間相互促進、互為補充且更具連貫性。NGSS是國際上首次將技術與工程全方位整合進科學教育的國家標準文件，包括三個維度的每一個方面。它的頒布意味著在科學教育中開展跨學科整合的STEM教育成為必然。同時，通過核心概念的提出，給學生提供一個獲取新知識的組織結構，使得NGSS不僅關注學生對學習內容的深入理解，也關注對內容運用的深入了解。而理解這些核心概念并進行科學與工程實踐將有助于學生后續(xù)學習中培養(yǎng)其更廣泛的認識和能力。

與美國不同，我國的科學課程標準在不同年段呈現(xiàn)也有所不同，幼兒園階段與小學階段的綜合、初高中階段的分科設置使我國的科學課程標準都需要相互連接。2017年初發(fā)布的《小學科學課標》是近年來唯一發(fā)布的新標準，它與NGSS具有相近的教育理念與觀點:(1)以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，并為他們繼續(xù)學習、成為合格公民和終身發(fā)展奠定良好的基礎為宗旨；(2)以“科學知識”“科學探究”“科學態(tài)度”“科學、技術、社會與環(huán)境”為課程的目標；(3)在課程內容中增設技術與工程的具體內容。[5]

三、對科技博物館教育活動設計的啟示

科技博物館承載著“教育、研究、收藏”三大功能，其中“教育”功能居于核心位置，且其作為非正規(guī)教育的作用越來越顯著。[6]科技博物館從誕生至今始終在研究與學校教育的對接問題，包括如何與K－12的正規(guī)課程銜接緊密；如何開展校外教學、到校服務、資源出借、課程開發(fā)和教師培訓等。自上世紀基于科學教育標準的課程教育改革以來，科技博物館界就開始發(fā)生了令人關注的動向，例如展示教育的關注點由展品及其所承載的科技知識轉為更為深刻的科學文化內涵、更多樣化的教育形式等。很多博物館在針對學校開展教育時明確提出:可以為學校學生提供一個積極的學習環(huán)境，同時滿足國家課程標準教育和社會科學框架的需要。[7]

為了實現(xiàn)與中小學校教育的對接，挖掘兩者合作的最大潛力，美國博物館的教育人員通過深入研究從幼兒園到高中學生的教科書，詳細了解課程目標，明確教學內容、教學要求及教學目的，全面地把握學校課程教學進度和各個年級教學要求以及學生年齡特點，根據(jù)博物館擁有的資源與課程目標相結合之處，精心制定有針對性的、廣泛的、詳細的學校計劃，包括網(wǎng)站和教科書，以有效地補充和說明各個層次學校的課程，促使絕大多數(shù)的教育者對于組織和安排連續(xù)的、系統(tǒng)的合作感興趣。[7]

歐亞戈在對美國科技博物館近年的發(fā)展態(tài)勢的分析中提出:在近十年里，K－12科學教育的變革更是深刻地影響著科技博物館教育的發(fā)展，呈現(xiàn)出五個值得關注的發(fā)展態(tài)勢，其中首要的態(tài)勢即為科技博物館教育與美國正規(guī)教育的緊密結合。具體表現(xiàn)在一方面各個場館開展的學習單、參觀訪問、動手課程、科技競賽、野外考察等教育活動與各州的課程標準對應；另一方面表現(xiàn)在美國的科技博物館與各類STEM項目結合起來，在其中承擔重要角色。[6]這使得科技博物館教育作為非正規(guī)教育的重要形式和內容，已成為美國推廣與實施國家教育標準不可或缺的環(huán)節(jié)。

由此，在新的科學教育標準為課內教育帶來新變革的大背景下，如何開展科技博物館的教育活動是一個值得科技博物館行業(yè)進行深入研究的課題。在此，筆者拋磚引玉，提出以下粗淺觀點:

(一)科技博物館教育活動應該成為學生開展科學與工程實踐的重要場所

無論是NGSS還是我國最新的小學科學課程標準都將技術與工程引入了科學教育的領域，尤其是引入了基礎教育的研究視野。然而科學與工程有聯(lián)系也有區(qū)別，通過科學與工程教育實現(xiàn)的教育價值和意義也截然不同。但它們都需要實踐，都需要通過經(jīng)歷實踐的過程來建構理解。而工程實踐具有一定的復雜性，需要有設備、場地、專業(yè)人員的支持，這對學校是一個巨大的挑戰(zhàn)。尤其是基礎教育的學校，很難在學校內擁有一批既懂理論又會技術的專業(yè)教師，也很難在學校中還原工程實踐的真實場景。這一挑戰(zhàn)給科技博物館的教育帶來了發(fā)展機遇，即通過科技博物館給學生營造出能真實開展科學與工程實踐的環(huán)境、提供真實情境下的技術與資源支持。

同時促使在不久的將來會形成學校、社區(qū)、科技博物館共同服務于科學教育的有利局面?？萍疾┪镳^的教育活動不僅將成為課內與課外科學教育結合的首選，也將成為所有人終身學習科學的必然場所。

(二)科技博物館教育活動設計需要考慮大概念和兒童學習的進程，開發(fā)適合不同年齡層次兒童需求的有結構的探索活動

科技博物館本身就是為了促進公眾理解科學、了解物質世界和自然世界而設計的，是科學學習發(fā)生的重要場所。但相對于學校而言，發(fā)生在博物館環(huán)境中的學習和經(jīng)歷是一種非正式的學習方式，其學習是通過個體與環(huán)境、個體與展品、個體與個體之間的交互進行的。[8]

由新的課程標準不難看出，科學教育對學生思維能力的發(fā)展，對學生運用、分析、綜合、評價能力的要求越來越高。這使得科技博物館的活動不能僅僅停留在看一看、讀一讀、按一按、轉一轉的簡單交互層面上，而是需要能切實引起兒童的思考和探索，依據(jù)兒童科學概念和能力建構的軌跡(即學習進程，Learning Progression)來設計展品與教育活動，幫助其建構正確的概念或糾正錯誤的概念?？茖W課程標準提供的是大概念，這指兒童需要學習哪些內容、掌握哪些技能；而學習進程提供的是兒童學習的路徑，它告訴我們在什么階段學習什么內容，以及怎樣學習，建立怎樣的模型將直接影響其決策判斷能力、創(chuàng)新能力。

科技博物館的教育活動不同于課堂里的教學活動，其形式多樣，時間靈活，對象基礎復雜。正是如此，則更需要在活動設計時考慮學習者的已有經(jīng)驗和學習基礎，考慮課程標準所提供的大概念和學習進程，開展有針對性的教育活動，開發(fā)適合不用年齡層次兒童需求的有結構的探索活動，以真正達成激發(fā)學習者興趣、促進其高階思維發(fā)展的教育目標。

(三)結合STEM教育與創(chuàng)客教育，需要大力發(fā)展跨學科綜合類學習活動

STEM教育與創(chuàng)客教育的興起，是社會對創(chuàng)新人才需求的體現(xiàn)，也是一種以培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)和綜合能力為導向的跨學科綜合類學習活動。近五年來，隨著學校教育對STEM需求的發(fā)展，越來越多的科技博物館正在設法把創(chuàng)客教育和STEM教育整合到自己的教育內容和體系中。其實，科技博物館引入創(chuàng)客教育帶來的不止是物理空間上的變化，也是對科技博物館學習的再一次思考。它與原有的場館學習或課堂學習有很大的不同，它不是看上去漫無目的的參觀和敲敲打打，而是切實地經(jīng)歷一次產(chǎn)生成果的嘗試、探索和創(chuàng)新過程。鮑賢清提出要促進科技博物館中創(chuàng)客式學習的發(fā)生，需要對學習活動進行精心的設計和安排，并建議在科技博物館的創(chuàng)客教育中注意:[9]

(1)把科學概念、技能作為手段而不是目的；

(2)把設計和制作作為一種學習方式；

(3)提供具有啟發(fā)性的工具與資源；

(4)提供多種途徑，給予充分的體驗時間；

(5)注重合作與分享。

STEM教育具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等特點。[10]仔細思考上述關注點，不難發(fā)現(xiàn)其中每一項都體現(xiàn)出科技博物館的教育活動要結合STEM教育與創(chuàng)客教育，就需要適應和體現(xiàn)STEM教育的特點。而開展以工程設計、問題解決為主線的實踐活動，讓學生親歷調研、設計、制作、測試、改進、交流的工程設計和問題解決過程，自然而然地形成跨學科綜合類的學習過程，這才是對學生跨學科綜合能力培養(yǎng)的有效途徑。

四、實例分析

美國舊金山探索館是美國乃至全世界知名的科技博物館，該館設有一個科學探究研究所，參與了美國1996年第一個《國家科學教育標準》的起草制訂工作，并在此后主持編寫了《探究——小學科學教學的思想、觀點與策略》一書①該書由廣西師范大學羅星凱教授等人翻譯，2003年由人民教育出版社出版。，由美國國家科學基金會(NSF)中小學及校外教育處(ESIE)與研究、評價及交流處(REC)聯(lián)合出版推廣，用以指導美國小學科學老師學習掌握探究式教學的理念和方法。在探索館官網(wǎng)(www.exploratorium.edu)的主頁上寫道:“基于探究的學習是探索館的核心。我們邀請人們?yōu)榱死斫馐澜缡侨绾芜\作的而提出問題、質疑答案、探索發(fā)現(xiàn)?！眲邮謱嵺`成為探索館教育活動不可或缺的特征，如今探索館中不僅有針對基礎科學領域的各類探索活動，還為合作教師和學校提供豐富的專業(yè)發(fā)展項目。

“Science Snacks”是探索館中一項可以使用日常、廉價且易得材料開展的動手做微型互動活動，不僅適用于場館，也適用于學校和家庭。探索館為搭建“Science Snacks”的教師提供了豐富的資源，包括活動流程、教學資源、材料清單等，活動內容涉及天文、生物、化學、地球、物理、數(shù)學、環(huán)境、工程與技術等十多個學科領域、百余項學習內容。其內容、形式和要求都體現(xiàn)出設計者的獨特匠心，同時展示出開展基于課程標準的探究式學習的教育理念。

“Hand Battery”(手蓄電池)是這百余項內容中的一個，也是科技博物館的常見展品。該活動涉及生物、化學和物理科學，“Science Snacks”將傳統(tǒng)展品不可見的內部用互動活動的方式呈現(xiàn)出來(如圖1給出的實驗材料)。同時指導參與者進行線路鏈接和探索，表1中給出這兩部分的指導語。

圖1 “Hand Battery”的工具與材料

表1 “Hand Battery”的指導語

表1中的指導語是寫給教師看的，以幫助教師引導學生思考和開展更多的科學探索?；顒拥倪x取緊緊圍繞NGSS中有關電路、導體與絕緣體、導體材料的特征、如何改變導電性等學習內容開展。

為了更好地指導教師開展“Science Snacks”的活動，開發(fā)者為教師提供了一個有力的工具，名為“NGSS Planning Tool”。該工具將幫助教師在NGSS的基礎上修改和整合“Science Snacks”的活動，以符合各類的需求。該工具要求教師仔細考慮表2中的所有問題。

表2 NGSS Planning Tool中的問題列表

這些問題非常有效地起到了將教學和課程標準聯(lián)系起來的作用，讓使用“Science Snacks”的教師能仔細地思考學生學習的過程、教學的策略以及標準中對現(xiàn)階段學生學習的要求。表2中的問題是有一定層次的，在教師了解了活動要求學生做什么之后，首先需要教師能使用課程標準中的學科核心概念和進程來解釋活動現(xiàn)象，明白現(xiàn)象背后的科學原理和知識；再讓教師能站在學生的角度，結合課程標準中的“科學與工程實踐”來琢磨學生的思維方法和實際做法，以明白如何引導和幫助學生；最后教師還需要結合課程標準的所有維度對學生的學習成果進行分析，并以學生的視角模擬學生認知建構的過程，這幫助教師理解學生學習的完整過程和課程標準是如何相呼應，以及教學該給予學生怎樣的支持和幫助。因此，當教師對表2中的問題都做到胸有成竹的時候，探究式科學教學的過程也就能水到渠成、游刃有余了。

[1]Wynne，Harlen.Principles and Big Ideas of Science Education[M].Hatfield:Ashford Colour Press Ltd，2010:7－8.

[2]Wynne Harlen等著.以大概念理念開展科學教育[M].韋鈺譯.北京:科學普及出版社，2015:8. [3]葉兆寧，周建中等.課內外融合的STEM教育資源開發(fā)的探索與實踐[C].第十六屆中國科學技術協(xié)會年會.2014.5:1－5.

[4]NGSS Lead States.Next generation science standards:For States，By States[M].Washington，DC: The National Academies Press，2013:15－17.

[5]中華人民共和國教育部.義務小學科學課程標準[M].北京:北京師范大學出版社，2017:6.

[6]歐亞戈.淺談美國科技博物館的發(fā)展態(tài)勢[J].自然科學博物館研究，2016，1(2):72－77.

[7]吳鏑.美國博物館教育與學校教育的對接融合[J].比較教育研究，2011(5):125－127.

[8]鮑賢清.場館中的學習環(huán)境設計[J].遠程教育雜志.2011(2):84－88.

[9]鮑賢清.科技博物館中的創(chuàng)客式學習[J].自然科學博物館研究，2016，1(4):61－66.

[10]余勝泉.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015(8):13－22.

The Inspiration of Science Curriculum Standards to the Educational Activities in Science and Technology Museum

Ye Zhaoning

This paper analyses and describes two important advances in science education in recent years.The first is a new understanding of objectives and process for science learning；the second is the booming of the unique STEM Education.After conducted the further analysis on the Next Generation Science Standards(NGSS)enacted by American in 2013 and Science Curriculum Standard for Chinese Primary School released by MOE of China just now about the specific performance of science education reform，we draw 3 inspirations from the design for educational activities in science and technology museums:first of all，the educational activities of science and technology museums should become an important place for students to carry out the Science and Engineering Practice；secondly，the design for the educational activities needs to think about the big idea and the process of children learning and develop the structured exploration activities for children of different ages；thirdly，we need to develop crosscutting comprehensive learning activities aiming of combining STEM education with Maker Education.

Science Standard，Curriculum Standard，Science and Technology Museum，educational activities

①葉兆寧:南京東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院副教授；研究方向:學習科學，科學教育；通訊地址:江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號南京東南大學李文正樓3樓；郵編:210096；Email:yezhaoning＠seu.edu.cn。