基于STEAM 理念的國外博物館課程案例分析及啟示-

基于STEAM理念的國外博物館課程案例分析及啟示*張一鳴白欣董貝貝任一鳴苗一迪韓明哲

1.首都師范大學(xué)教育學(xué)院

2.首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院

3.美國俄亥俄州立大學(xué)計算機科學(xué)與工程系

0引言

2022年12月，教育部、中國科協(xié)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于利用科普資源助推“雙減”工作的通知》，提出各地學(xué)?！白叱鋈ァ?，有計劃地組織學(xué)生就近分期分批到科技館和各類科普場館教育基地，加強場景式、體驗式、互動式、探究式科普教育實踐活動[1]。近年來，我國投入了大量資金興建科技場館，表明我國政府對提高全民科學(xué)素質(zhì)的重視以及對科技場館所發(fā)揮的重要教育功能的認識。2022年我國科技館數(shù)量達到1000個，總建筑面積達526.5萬m2[2]。硬件水平迅速提升的同時，也對科技場館課程開發(fā)與實施等軟件水平提出更高的要求?？萍紙鲳^教育人員的專業(yè)素養(yǎng)會影響到其開發(fā)和實施教育活動的效果，目前我國科技場館教育人員的專業(yè)化水平普遍不高，對科學(xué)知識體系、科學(xué)課程標(biāo)準等缺乏了解，導(dǎo)致科技場館的教育活動水平參差不齊、缺乏標(biāo)準化[3]。

以科技場館為代表的非正式教育場所有利于開展情境式、體驗式學(xué)習(xí)，促進STEAM教育中各個學(xué)科之間的融合，實現(xiàn)核心素養(yǎng)導(dǎo)向的深度學(xué)習(xí)。本文選取的四個國外博物館課程案例都是以科學(xué)課程標(biāo)準為依據(jù)，具有標(biāo)準化、規(guī)范化的特點，例如美國疾控中心博物館基于新一代科學(xué)教育標(biāo)準（NextGenerationScienceStandards,NGSS）設(shè)計的以公共衛(wèi)生為主題的STEAM課程在新冠疫情的背景下具有很強的現(xiàn)實意義，澳大利亞昆士蘭博物館讓學(xué)生在游覽的基礎(chǔ)上開展基于科學(xué)課程標(biāo)準的活動課程，激發(fā)學(xué)生進行科學(xué)與工程實踐的興趣。從課程目標(biāo)、課程知識、課程活動和課程評估四個維度對國外優(yōu)秀博物館STEAM課程案例進行分析，對于我國科技場館提升STEAM教育活動水平，助推“雙減”工作具有啟示意義。

1案例一：國家二戰(zhàn)博物館制作天氣工具教育項目

1.1案例介紹

美國國家二戰(zhàn)博物館（TheNationalWorldWarIIMuseum）于2000年6月6日諾曼底登陸紀念日成立。在博物館網(wǎng)站上，可以瀏覽博物館系列課程，搜索相關(guān)教案和多媒體資源。網(wǎng)站的“真實世界科學(xué)”模塊是二戰(zhàn)博物館重要的組成部分，該模塊以二戰(zhàn)為背景，教導(dǎo)社會大眾學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)知識。來自全國各地的教師和不同背景的學(xué)生將學(xué)習(xí)科學(xué)、歷史和文化相融合的課程，以確保下一代更好地迎接未來面臨的挑戰(zhàn)?！罢鎸嵤澜缈茖W(xué)”課程根據(jù)NGSS把科學(xué)知識與二戰(zhàn)背后的故事和歷史聯(lián)系起來，讓學(xué)生置身于二戰(zhàn)的真實情景中，融合跨學(xué)科知識與實踐，提升學(xué)生解決實際問題的能力。

例如制作天氣工具一課，首先通過情景導(dǎo)入：戰(zhàn)爭時機的選擇需考慮天氣、月光和潮汐。潮汐和月相可以提前知道，但天氣狀況卻很難提前數(shù)周預(yù)測。幾百年來，人們一直在收集天氣數(shù)據(jù)，而過去使用的許多工具與今天使用的工具相似。當(dāng)然，這些工具已經(jīng)被現(xiàn)代技術(shù)所補充，計算機現(xiàn)在是分析天氣數(shù)據(jù)最重要的工具。

課程以制作溫度計、氣壓計、濕度表為目標(biāo)，以NGSS中的“構(gòu)建基于證據(jù)的解釋，用證據(jù)來解釋對象的速度與該對象的能量有關(guān)”“建立模型，通過模型表達‘物質(zhì)由小到不可見的微粒組成’”為指向。教師首先向?qū)W生講解溫度計的工作原理，當(dāng)酒精受熱膨脹，吸管里的酒精會高于瓶子里的水平，因為密封瓶中的空氣會阻止瓶中的酒精水平上升。在這個活動中使用酒精是因為在溫度升高時，它比水更容易膨脹。氣壓計工作的原理則與溫度計不同，因為氣壓的變化，瓶子里的液體表面會受到壓力的影響，并將管中的液面推高。讓學(xué)生理解當(dāng)我們知道材料的物理性質(zhì)時，可以據(jù)此制作工具，用于測量天氣。最后指導(dǎo)學(xué)生利用礦泉水瓶、金屬罐，用食用色素著色的水、酒精、冰塊等簡易材料分別制作溫度計、氣壓計和濕度表。

1.2案例分析

1.2.1課程案例分析

課程目標(biāo)圍繞研究和制作，為開展以學(xué)生為中心的探究型課堂、發(fā)揮學(xué)生的主動性確定了基調(diào)。課程知識以二戰(zhàn)為背景，鋪墊真實情境，使學(xué)生身臨其境。融合物理、化學(xué)的跨學(xué)科知識，促使學(xué)生認識科學(xué)并不是單一學(xué)科而是綜合的，它和我們的生活息息相關(guān)。課程活動所需的材料和工具較易獲得，學(xué)生們可以在活動中鍛煉自己的觀察、測量和記錄的習(xí)慣，更重要的是學(xué)生可以在親身經(jīng)歷、動手實踐的過程中探究物質(zhì)的變化，而不再是以教師為中心、學(xué)生作為觀眾的傳統(tǒng)課堂。課程評估以實物制作為手段，有助于讓學(xué)生獲得不一樣的成就感，并且通過小組互動促進學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)、共同進步。

1.2.2課程標(biāo)準分析

課程目標(biāo)對應(yīng)NGSS中物質(zhì)科學(xué)的學(xué)科核心概念。盡管主題是天氣，但該活動中的概念是關(guān)于原子的行為。溫度是原子的速度，氣壓是這些原子的密度和它們施加的力，而濕度是空氣中水的濃度。所有的工具均使用原子的運動來測量天氣數(shù)據(jù)。課程知識涉及到NGSS中提到的跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與系統(tǒng)模型”“系統(tǒng)中的能量與物質(zhì)”。此外，還有影響系統(tǒng)的穩(wěn)定和變化的因素。課程活動方面，在整個研究和制作的過程中，NGSS中的科學(xué)與工程實踐貫穿其中，比如定義問題和設(shè)計解決方案，并通過動手操作、觀察思考，形成可使用的產(chǎn)品，體驗完整的科學(xué)與工程實踐過程。課程評估方面，以真實情境和相應(yīng)具體產(chǎn)品為主導(dǎo)的科學(xué)課程，使得課程更加符合NGSS所提出的對于學(xué)生的預(yù)期表現(xiàn)進行評測，而不是課程本身[4]。

2案例二：奧蘭多科學(xué)中心科學(xué)挑戰(zhàn)賽項目

2.1案例介紹

美國奧蘭多科學(xué)中心（OrlandoScienceCenter）主辦的柯蒂斯新星科學(xué)挑戰(zhàn)賽（TheCurtisRisingStarsScienceChallenge）是一項面向K-5年級學(xué)生的科技競賽，通過90min的在線挑戰(zhàn)，學(xué)生需要開展工程實踐，幫助他們培養(yǎng)團隊合作能力。學(xué)生們首先在班級和學(xué)校中通過預(yù)先活動和提示進行準備，然后只需要通過互聯(lián)網(wǎng)和一臺帶有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的電腦就可以參與挑戰(zhàn)賽。

2022年比賽的主題是建立一個具有多種能量轉(zhuǎn)換的動能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以是獨立的，也可以設(shè)計放置于桌面。所有采購部件不得超過100美元，任何一件物品不得超過20美元。該系統(tǒng)不應(yīng)超過76cm深、183cm寬和274cm高（從地面測量）。團隊的每個成員都要參加答辯，向評委進行匯報。參賽作品將在以下方面進行評判：使用的動力學(xué)原理；演示技巧和對其創(chuàng)作背后的科學(xué)解釋；能夠在5min內(nèi)重置系統(tǒng)并再次運行；可靠性，即在3次嘗試中初步成功運行系統(tǒng)；創(chuàng)新性，即創(chuàng)造一個新的系統(tǒng)或以革新性的方式改變一個現(xiàn)有系統(tǒng)；帶有采購證明和預(yù)算文件的項目材料合集。

例如，制作起重機模型，通過簡單機械提升重物。在平衡式起重機中，起重機的橫梁在一個點上達到平衡，稱為支點。起重機的橫梁就像一個簡單的杠桿，這使得它可以用一個相對較小的力來提升重物。起重機還利用另一種簡單機械——滑輪。塔式起重機通常有一個以上的滑輪，這有助于它倍增其力量來提升重物。利用簡單機械背后的科學(xué)原理，如杠桿和滑輪，起重機可以用較小的力量將重物提升到很高的高度。學(xué)生可以使用紙杯、鉛筆、吸管、回形針、繩子、尺子、膠帶、大理石彈珠、紙板、橡皮筋、冰棒棍等材料制作起重機模型，在不斷嘗試舉起各種質(zhì)量的物體的過程中理解物體之間倍數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，了解杠桿、滑輪的原理和操作。

2.2案例分析

2.2.1課程案例分析

該活動課程以制作起重機為目標(biāo)，要求學(xué)生觀察起重機的高度、測試其能夠舉起最重物體的質(zhì)量。這一活動與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，學(xué)生會很容易被吸引，積極主動地參與制作活動。學(xué)生在制作過程中不斷地思考、改進起重機的設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。課程知識方面，利用生活中常見的舉起重物的現(xiàn)象，促使學(xué)生將課程知識同生活緊密地聯(lián)系起來?；顒又猩婕暗綌?shù)學(xué)中的倍數(shù)、物理的杠桿和滑輪等學(xué)科知識，有利于引導(dǎo)學(xué)生進行跨學(xué)科思考。課程活動方面，學(xué)生能比較容易找到制作起重機的材料和工具，有助于活動順利開展。在制作起重機的過程中，學(xué)生通過實際的動手操作，可以深入理解杠桿和滑輪的原理和應(yīng)用。課程評估是通過觀察學(xué)生的實踐操作能力，檢測學(xué)生是否能夠成功制作起重機，在其舉起物體時是否可以保持平衡，并且明確要求起始物體至少是兩個大理石彈珠的重量，最后匯報分享有利于培養(yǎng)學(xué)生的表達能力和團隊精神。

2.2.2課程標(biāo)準分析

課程目標(biāo)中包含了NGSS中的“力和相互作用”“能量”等學(xué)科核心概念，通過起重機的制作使學(xué)生將這些學(xué)科核心概念付諸實踐，又在實踐中加深對其本質(zhì)的理解。課程知識涉及到了NGSS中的“系統(tǒng)中的能量與物質(zhì)”“結(jié)構(gòu)和功能”等跨學(xué)科概念。在制作起重機的過程中涉及到杠桿、滑輪的原理，在起重機舉起物體的時候會有能量的變化，為了使起重機保持穩(wěn)定以執(zhí)行不同功能則需要不斷調(diào)整起重機的結(jié)構(gòu)。課程活動圍繞制作起重機這一工程項目，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，達到NGSS對于學(xué)生進行科學(xué)與工程實踐的要求。課程評估以產(chǎn)品為導(dǎo)向，兼具過程真實性評價，通過起重機的設(shè)計和制作以及最后的分享，實現(xiàn)對學(xué)生實踐能力的評價。

3案例三：美國疾控中心博物館凈化水教育項目

3.1案例介紹

公共供水系統(tǒng)已經(jīng)存在上千年，為人類的生存和發(fā)展帶來了極大的助力。但同時，由于水缺乏足夠的消毒和凈化，在給人們帶來便利的同時也可能傳播很多種疾病。自從1908年美國第一次對用水進行消毒之后，各地紛紛效仿，使得介水傳染病大幅減少。美國疾病控制與預(yù)防中心（CenterforDiseaseControlandPrevention,CDC）鼓勵世界各地提供優(yōu)秀的安全用水實踐方案，比如設(shè)計水過濾裝置。

本案例由美國疾控中心博物館（CDCMuseum）設(shè)計，以幫助學(xué)生理解過濾水的原理，并從物理層面上解決或減少水的污染，讓學(xué)生更加關(guān)注水資源保護并積極對環(huán)境保護作出貢獻。此次活動以凈化水為主題，以NGSS中的“使用繪圖及物理模型來說明如何根據(jù)需要發(fā)揮作用，以解決給定的問題”“使用特定材料完成指定目標(biāo)”為指向，幫助學(xué)生了解物質(zhì)的質(zhì)量、體積差別，融合計量、科學(xué)、技術(shù)、工程等知識及實踐，提升學(xué)生解決實際問題的能力。

水凈化簡易裝置的工作原理是采用多次過濾層的過濾器（碎石、沙子、濾紙等），去除原水中含有的大體積雜質(zhì)。通過物質(zhì)間隙從大到小，由于水的滲透及重力，水會由上至下，從間隙大的材料滲透至縫隙小的材料，最終得到無大顆粒雜質(zhì)的凈化水。該項目的亮點在于，通過三個過濾器活動的進階設(shè)計，對不同材料進行對比，幫助學(xué)生理解凈化水背后的科學(xué)本質(zhì)，實現(xiàn)從知識到思維的躍升。在活動一中教師帶領(lǐng)學(xué)生用塑料瓶、咖啡過濾網(wǎng)、碎石、沙子、棉球等材料制作凈化水簡易裝置?；顒佣薪處熞I(lǐng)學(xué)生思考身邊是否有其他的物質(zhì)可以代替濾網(wǎng)、碎石及沙子，例如將碎石替換成活性炭，將濾網(wǎng)換為細紗布，并帶領(lǐng)學(xué)生觀察水質(zhì)及水流通過不同物質(zhì)的差別?；顒尤薪處熓褂蔑嬎畽C等過濾設(shè)備過濾有雜質(zhì)的水，并將過濾設(shè)備拆開，把里面的每一步展示給學(xué)生，幫助他們了解真正的凈水器的精密程度，以及水在通過每個過濾層時會留下什么雜質(zhì)。最后使用pH試紙測量過濾前后水的酸堿程度，進行對比，幫助學(xué)生思考活動的意義。

3.2案例分析

3.2.1課程案例分析

課程目標(biāo)圍繞水的凈化，帶領(lǐng)學(xué)生使用物理模型及相應(yīng)的材料解決遇到的真實問題，提高學(xué)生自主動手能力，培養(yǎng)工程思維。課程知識以水資源的重要性以及不健康的水給人類帶來的傷害為背景，幫助學(xué)生理解水資源凈化的必要性。利用科學(xué)技術(shù)提高水資源的利用率以及減少水的污染，在新冠疫情的背景下顯得尤為重要。課程活動的材料選取非常靈活，可以幫助學(xué)生思考，選取自己認為合適的日常材料以達成活動目標(biāo)，并且通過對比不同的材料形成設(shè)置對照的思維。課程評估方面，通過實物制作將形成性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合，在促使學(xué)生完成最終任務(wù)的同時，引領(lǐng)學(xué)生的思考過程，讓學(xué)生了解自己的每一個選擇都會帶來或好或壞的結(jié)果。

3.2.2課程標(biāo)準分析

凈化水教育項目近年來在國內(nèi)科技場館也有開展，但是在基于科學(xué)課程標(biāo)準的設(shè)計方面仍有所欠缺。該課程以NGSS為依據(jù)，課程目標(biāo)對應(yīng)NGSS中的工程、技術(shù)和科學(xué)的應(yīng)用（Engineering,TechnologyandtheApplicationsofScience,ETS），以凈化水為主題，學(xué)生可以通過課程了解凈化水的模型，使用特定材料完成對水的過濾及凈化。課程知識涉及跨學(xué)科概念中的“工程、技術(shù)和科學(xué)共同對社會和自然界產(chǎn)生影響”，改進現(xiàn)有技術(shù)或開發(fā)新技術(shù)會為個人以及社會帶來更好的利益，而了解已有的技術(shù)是基本。該課程需要學(xué)生掌握水的物理化學(xué)性質(zhì)、不同材料的性質(zhì)方面的知識，并將這些知識應(yīng)用于解決公共衛(wèi)生問題。課程活動圍繞NGSS中的科學(xué)與工程實踐，學(xué)生首先要將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為能夠通過給定的材料、工具解決的問題，通過繪圖等方式設(shè)計水過濾器模型，然后制作實施，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。課程評估方面，通過能否解決凈化水這一工程問題進行課程評估，ETS中提及定義和界定工程問題，其包含材料的限制與解決方案標(biāo)準的問題，活動可使學(xué)生選擇易于獲取的材料去達成目標(biāo)。通過討論不同的凈化水項目方案，達成ETS中提及的形成可能的方案。

4案例四：昆士蘭博物館火花實驗室項目

4.1案例介紹

澳大利亞昆士蘭博物館（QueenslandMuseum）的火花實驗室（SparkLab）面向小學(xué)至初中的學(xué)生，圍繞三個主題為學(xué)生提供探索機會，分別為“我們的世界及其運作方式”“我們?nèi)绾胃兄覀兊氖澜?？我們是否都以同樣的方式看待它？”以及“我們怎樣才能改變我們的世界？這種變化有什么作用？”，涉及物理及地球科學(xué)等方面的內(nèi)容，幫助學(xué)生拓展對世界的認知，培養(yǎng)學(xué)生對于世界的好奇心。

學(xué)生在三個不同區(qū)域內(nèi)進行探索，可以了解從原子到行星，再到宇宙的運行和變化。從探索身邊的聲、光、電，到力、能量和結(jié)構(gòu)，世界的變化及地球在廣闊宇宙中的位置，并通過設(shè)計和建造完成挑戰(zhàn)。學(xué)生在全方面了解知識的同時，可以自主選擇感興趣的方面進行更深入的研究?；顒佑伞白?、想、說”貫穿，鼓勵孩子自主行動、自主思考以及自我表達，幫助孩子在探索未知時以自己的方式去了解問題、思考問題、解決問題。

活動中，教師帶領(lǐng)學(xué)生游覽博物館，從生活中息息相關(guān)的光至人類生存所離不開的電。例如，向?qū)W生科普人是如何看到事物的，是由于光的折射或反射，光射入人眼，使得人們可以觀察到事物，或電的媒介，什么東西可以導(dǎo)電、什么東西可以運輸更多的電、什么東西可以絕緣。在知識普及的過程中，幫助孩子提升對用電的安全教育和自我防護?；蛘呓處煄ьI(lǐng)學(xué)生參與實驗，給予目標(biāo)，讓學(xué)生利用現(xiàn)有物品及所學(xué)知識完成任務(wù)。例如通過制造發(fā)聲器，幫助學(xué)生理解物體發(fā)聲的原理，探究共振與聲音高低、大小的關(guān)系。通過對物理現(xiàn)象的探究，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣。同時，在探究過程中引導(dǎo)學(xué)生思考，并將想法與學(xué)到的知識結(jié)合，以目標(biāo)為導(dǎo)向，設(shè)計并制作相應(yīng)設(shè)備以完成任務(wù)。例如讓學(xué)生思考制作發(fā)聲器的工具和材料，對原型進行初步設(shè)計與構(gòu)思，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計制作發(fā)聲器，使其盡可能發(fā)出多種類型的聲音，并加以測試（如使用ChromeMusicLab的頻譜圖），讓學(xué)生總結(jié)、反思設(shè)計的優(yōu)缺點，不斷改進自己的設(shè)計。

4.2案例分析

4.2.1課程案例分析

課程目標(biāo)包括物質(zhì)科學(xué)、地球與宇宙等方面的內(nèi)容，教師引導(dǎo)學(xué)生參與各項活動，在科技場館進行觀察、實踐。課程知識從基本的力改變物體運動狀態(tài)，到萬有引力保持地球在太陽系中的位置、月亮圍繞地球做環(huán)形運動等。從聲音的產(chǎn)生，到音調(diào)高低和聲音大小與共振腔的關(guān)系，再到ChromeMusicLab工具的使用，涉及到學(xué)生日常生活中所能見到的各種科學(xué)現(xiàn)象。課程活動通過讓學(xué)生在開放的環(huán)境中去想象、設(shè)計并解決問題，幫助學(xué)生在真實情境中進行探究，綜合提升他們的信息汲取、思考、設(shè)計及應(yīng)用能力。最后通過設(shè)計制作進行課程評估，幫助學(xué)生了解任何現(xiàn)象背后所包含的科學(xué)道理，同時鼓勵學(xué)生表達感想以及理解看待不同事物的不同觀點。

4.2.2課程標(biāo)準分析

該案例以澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準為依據(jù)，圍繞科學(xué)是人類的事業(yè)、科學(xué)理解、科學(xué)探究技能三個方面進行設(shè)計[5]。課程目標(biāo)包含澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準中多個核心概念，比如系統(tǒng)、規(guī)模與測量、物質(zhì)與能量等。學(xué)生不僅可以獲取知識、拓寬視野，還可以對評估設(shè)計理念、過程和解決方案等內(nèi)容進行拓展學(xué)習(xí)。這將有利于學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)化、好奇心發(fā)展以及未來的學(xué)科選取和職業(yè)規(guī)劃。課程知識涉及澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準中的“自然科學(xué)”“設(shè)計與技術(shù)”，例如“通過不同介質(zhì)的能量傳遞可以用波動和粒子模型來解釋”，能夠幫助學(xué)生掌握電和磁等物質(zhì)科學(xué)方面的知識。課程活動能夠達到澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準中“設(shè)計與技術(shù)”所要求的“通過選擇和組合材料、系統(tǒng)、組件、工具和設(shè)備的特性，思考設(shè)計解決方案的方法”。課程通過形成性和終結(jié)性評價，幫助學(xué)生了解到與他們生活息息相關(guān)的現(xiàn)象背后的科學(xué)知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生的反思和創(chuàng)造能力，與澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準注重評估的導(dǎo)向相一致。

5國外優(yōu)秀博物館STEAM課程案例對我國的啟示

5.1創(chuàng)設(shè)綜合真實情境

本文所介紹的博物館課程案例，從天氣測量工具的制作、起重機的制造、水過濾器的設(shè)計到火花實驗室的探索與互動，都與學(xué)生的日常生活和所見到、聽到的生產(chǎn)實踐緊密相關(guān)。以這樣的背景和主題為切入點，不僅可以吸引學(xué)生的注意力，而且可以使學(xué)生主動地與實際生活相聯(lián)系，將知識運用于實踐中，體會到最真實的成就感，而不是紙上談兵，造成教育內(nèi)容與現(xiàn)實生活相脫節(jié)。

5.2突出學(xué)科核心概念

本文所介紹的案例都是以美國和澳大利亞科學(xué)課程標(biāo)準中的“物質(zhì)及其相互作用”“能量”“規(guī)模與測量”等學(xué)科核心概念為基礎(chǔ)進行開發(fā)設(shè)