基于核心科学概念的科技馆展览教育之思考

张祖兴

一、核心科学概念及其作用

(一)什么是核心科学概念

2013年，美国公布《新一代科学教育标准》，提出了以“科学与工程实践”“跨学科概念”和“学科核心概念”三个维度为框架的新的科学教育体系。2011年，由韦钰院士参与编著的《科学教育原则和大概念》于我国最早提出“科学大概念”的理念。2014年，由韦钰院士参与修订并于2016年翻译的《以大概念理念进行科学教育》一书提出了关于科学知识的10个大概念与关于科学本身的4个大概念[1]17-20进行科学教育的理念。2017年，我国发布的《义务教育小学科学课程标准》对“课程内容”部分的物质科学、生命科学、地球与宇宙科学和技术与工程四个领域也提出了18个主要概念。可以看出，在新的科学教育标准体系下强调以“科学概念”来展开科学教育体系的构建，正在成为科学教育的发展方向。

我们通过比较以上三个“概念”可以看出，在《新一代科学教育标准》的“学科核心概念”维度中的“物质科学”“生命科学”“地球与空间科学”与《以大概念理念进行科学教育》中关于科学知识的10个“大概念”在表述含义上大体吻合；而如果者关于科学本身的4个“大概念”中包含了对前者“跨学科概念”的阐述以及“学科核心概念”维度中关于“工程与技术、科学应用”的内容。我们认为，在《以大概念理念进行科学教育》中对“大概念”的界定，处在交叉学科学的水平，低于跨学科的顶层概念[1]15的定位；我国2017年《义务教育小学科学课程标准》中“课程内容”部分中的“主要概念”，相比“大概念”关于科学知识的10个概念，在表达结构上大体一致；该课程标准虽然未单列出“跨学科概念”和“关于科学本身的概念”，但是课标在“科学探究”“科学态度”“科学、技术、社会、环境”的课程目标中包括了相关的内容并进行了细化，只是在阐述形式上有所不同。

可以说，无论是“核心科学概念”“大概念”还是“主要概念”的提出，均构成了现在科学教育中各个学科的顶层概念，相当于建筑物中的“梁”，而细化出来的科学知识点则相当于“砖”。为了表述方便，本文中把这些“概念”都统称为“核心科学概念”。

(二)核心科学概念的作用

核心科学概念的提出，不仅是从对各学科核心概念方向，还对从跨学科领域到工程与技术的应用方面以及科学精神和价值观都有深刻的影响与作用。我们归纳起来讲，可以从以下三方面进行表述。

1. 核心科学概念有利于防止知识碎片化，构建系统化的知识体系

从人类认识自然开始，科学知识与概念是以碎片化的形式积累才逐渐形成体系的，科学家通过对现象与问题中的共同点归纳出核心科学概念。核心科学概念就是几个学科的核心主题[2]，是一个学科体系的核心，是连结其他概念与现象的中心节点，我们可以通过这些中心节点把碎片化的知识有序地联系起来。同时，通过核心科学概念归纳过程的推演，我们可以把概念的学习进行层次化地划分，从而形成等级化的概念梯度来进行分层次的学习。

2. 核心科学概念是跨学科、工程与技术实践中解决问题的核心工具

首先，核心科学概念打通了跨学科融合的壁垒成为连接跨学科概念的桥梁。核心科学概念的提出不仅解释了单一学科中主要的现象和问题，同时其具有共同性的属性把各学科逻辑地联系到一起，使在跨学科领域概念的应用具有广泛性。其次，核心科学概念是认识复杂知识的基础，定义了工程与技术的问题的边界。工程与技术问题与我们生活息息相关，学生在生活中接触到商品的属性、原材料制造的设施，都可以与物质属性联系起来。

3. 核心科学概念有助深化科学教育的内涵，提升教育效果

核心科学概念不只是对事物本质属性的概括与描述，还包括了科学的观念和对科学的看法[3]，使得我们对核心科学概念的学习就不局限于其概念本身，对所学概念进行思考或超越其本身所获得的可迁移的经验也是科学学习的重要成果。这部分内容我们一般认为是精神层面的收获，而这些有关科学方法、科学精神、科学思想、科学价值观的“科学概念”，将有助于深化科学教育的内涵，提升科学教育效果，提高学生的全面科学素质。

二、展览教育所面临的问题：核心科学概念的缺失

我国科技馆的建设高潮始于本世纪初，目前全国已拥有近200座科技馆，但这些新建的科技馆都是在旧的科学教育认知体系下建立起来的。虽然在强大的经济基础与技术的支持下，一座座现代化的场馆建筑拔地而起，科技馆的展览硬件得到很大的提升，但是我们场馆展览教育软实力依然没有得到很好的加强。核心科学概念的提出，给科技馆在顶层科学概念的设置上提供了一个支撑点。但这不是一个纯概念的问题，核心科学概念的缺失，不仅仅反映在科学教育活动中，同样给硬件的展品以及整个科技馆的展览设计带来不少问题。

(一)展览设计缺失核心科学概念的表现

科技馆的展览标准不仅有硬件标准，同样也有软件标准。如果说硬件标准我们可以通过一系列的量化要求来衡量，那么软件标准则需要构建一个知识体系来评价。但这样一个知识体系又以什么为标准？这就是长期以来科技馆对于核心科学概念缺失所带来的评价困惑问题。

1. “主题展览”没有“展览主题”

在现有许多科技馆的展品中，每个展品都对应有一个或几个知识点。在一个主题展览的展厅内，分布着好似与主题相关的展品，但是这个主题却又似是而非。如许多科技馆都曾出现过的数学展厅、光学展厅、生命科学展厅，这些看似是一个主题展厅；但从展览的角度来看，只能算是展示内容的范围，主题应该是更加具体的，或是有脉络结构阐述的。这些主题展厅就是以内容范围作为主题，把与此知识点相关的展品罗列进入一个主题展区，这样设计出的展览是无序的，其原因往往是在展区设计时缺少了核心科学概念。

2. 展览内容的知识碎片化

在展览设计中，一个展品的设计相对来说是独立的，而放在整个展览中又与其他展品连成一个有机的整体，这是我们理想中的展览结构。但是如果没有一个完整知识体系来参照，我们没办法就一个核心科学概念主题所延展出一个完整的知识脉络。在实际的展览中，我们大多只能从展品表达的知识范围进行规划，这样的笼统规划顶多只能保证内容的对应，但所得到展品只是相关主题的一个碎片化排列，或者说展品与展品间逻辑联系不明显；而对于概念的主次、知识的逻辑以及科学现象的表现形式，却很难去准确操控，大都处于随机应变的情况。

3. 展览中的展品方向定义不清，展品设计的概念混乱

目前科技馆的展品更多的还是依赖展品公司的设计，科技馆对于展品设计的主导权难以体现在科学教育的功能性上，往往只在规格、用料、价格和知识点上提出意见，这是展品设计话语权的缺失，究其原因还是以核心科学概念主导的知识体系缺失所带来的。虽然知识体系不能解决展品在教育功能上的所有问题，但是可以指导教育方向，特别是一个知识体系在某一个方向的定位，这对于展览设计的整体性有很大的提升。同时，展品所涉及的是核心概念还是次级概念的定位问题，往往也在展品设计时被忽略。

凡上种种，可以看出核心科学概念的缺失带来关于展览展品设计的诸多问题，反映出构建科技馆自身的科学教育知识体系的紧迫性。虽然软件问题不像硬件问题那么直观可视，但其隐性的影响是长远的，并且直接反映在硬件的建设中。

(二)科学教育活动中缺少核心科学概念的表现

科学教育项目和科学工作室是现在科技馆科学教育的主阵地。随着科技馆科学教育项目的发展和科学工作室的不断运营，积累了不少科学课程。但这些课程更多是关注于具体科学知识与技能的学习，从一个主题科学教育项目或一个系列科学课程的角度讲，鲜有通过以核心科学概念来梳理课程结构与内容，其面临的问题与展览设计类似。

1. 科学教育的主题课程缺少系统化的设计

由于科技馆建设初期科学课程或活动资源的缺乏，以及科技馆自身师资的局限性和处于校外科普教育的尴尬地位，科技馆的科学教育活动一开始显得有些先天不足。许多科技馆开始都是围绕着一些传统科技手工制作或经典科学小实验为原型延展出来的课程或活动，这种获取资源的随机性，使得科技馆科学课程大都是从零散开始积累的。随着馆校结合的深入，科学教育项目的推动，加速了科技馆科学课程的研发与进步，但是大多数课程都是通过补漏洞式的设计去找科学课标中的对应点，再试图套入其对应的知识结构中。这种反向套入结构的课程设计方式，很难凑成一套对核心科学概念完整认知的课程体系，这种以课程套入结构的被动方式不利于课程体系的建构，许多课程的知识点只能独立存在，哪怕是同一个主题课程间的联系与衔接与否只是一个随机的选择。

2. 科技馆科学教育的层次模糊

从科技馆参观人群来看，主体人群主要是5～18岁的青少年，相对成年人而言，青少年人群的学习能力带有明显的年龄层次性。同一个科学概念，从小学生到中学生的理解跨度相差非常大，而现有科技馆的科学教育课程大都采用“大锅饭”式的课程设计来实施，这确实是由于同一时间来科技馆参观的青少年年龄跨度较大且比较零散、不易区分的妥协办法，但实际上科技馆自身也没有对科学课程进行年龄层次细分化的设计。所以当在观众流动对相对集中的时间，或者是学校及机构安排不同年龄段的学生一起来参观时，这个结果就突显出来，其直接影响就是认识程度与操作难度的不对等：高年龄段学生对过于简单的知识和操作不屑一顾，低年龄段的学生因无法理解知识或难以操作带来的挫败感而消磨其积极性与兴趣。这样看似只是一节课程中的一部分消极因素，好像无足轻重，但是长期如此，教育目标的边界模糊化会起到滚雪球效应，影响到科学教育活动的开展。

(三)缺少对精神层面的教育引导与设计

核心科学概念是连接跨学科概念的桥梁，跨学科概念的高度概括与抽象化的阐述在本质上是科学方法的一种提炼，而这些科学方法与思想的形成，又是科学家们科学精神的成果表现。

我们在不少科技馆都看到过牛顿、爱因斯坦、居里夫人、法拉第等科学家的头像及简介，其内容大都是生平成就、著作或理论，却没有人试图从方法论的角度来讲述他们是怎么成功的，又如何能克服经历的困难。我们把科学家的介绍重点放在知识性的传播上，但科学家最宝贵的科学思想和科学精神却极少涉及，这就是现实版的科学教育“买椟还珠”。

讲故事是科技馆最有效的工具之一。人类神经生理学的研究表明，大脑在倾听故事时所做的反应远远大于我们在执行任务时的反应，重点知识点只能激活大脑中的某一部分，而一个故事则能唤醒整个大脑[4]。我们在讲故事时总是强调了知识点，却忽视了方法论对科学思想和科学精神的培养。从精神激励层面来看，只有从具体的科学知识概括到核心科学概念，从核心科学概念抽象出科学方法，科学的故事性传播才能成为科学精神与科学思想形成的起点。

在科学史上被后人证实杜撰的许多科学家故事中，虽然内容有别于史实，但是在科学方法的阐述上是合理的，目的就是为科学家的成功探索创造一个理想的推导环境，从而引导青少年进行很好的科学精神与思想的传播，这就是科学故事对科学教育在精神层次上的引领。

由此我们知道，核心科学概念处于科技馆展览教育中一个承上启下的枢纽地位，其构建了学科知识体系中的框架，是跨学科领域的支撑点，是下位科学知识、概念的顶梁柱。在新旧科学教育理念交叉的过渡时期，如何围绕核心科学概念来设计科技馆的展览教育应是我们亟需解决的中心问题。

三、科技馆展览与教育活动引进核心科学概念的思考

随着新的科学教育理念的推广，科技馆的展览教育必将迎来一个新的发展阶段，以核心科学概念作为科学教育的概念基础，对于构建知识体系、梳理主题定位、完善活动内容策划等将起到重要的作用。

(一)核心科学概念对构建展览的知识体系的作用

1. 以人为主，明确展览主题

做什么样的主题，展现什么样的展品，在没有知识概念体系的参照下，我们都苦于寻找一个确定主题的理论依据。在“以物为中心”的展览理念下，我们很多展览方案都是在各展品公司现有展品的基础上，做出的“合适”选择和排列组合，这种“看菜吃饭”的妥协在一定程度也是一种无奈。长期以来，展品公司主要是以硬件加工的生产企业，往往少有兼顾科学教育设计的能力，这就造成了所设计的展品与科学教育脱节。当以核心科学概念为基础并以此构建起知识体系时，展览设计的方向就可能转向“以人为中心”。在定义科技馆的教育功能时，观众如何获得教育或能够主动学习到什么的程度，应成为首要考虑的因素。我们很容易通过核心科学概念来梳理出人类在认识某个大概念时所需的知识结构体系，从而确定展览的主题及其脉络。

2. 增强展览的系统性与展品间的逻辑性

在一个主题展览中放什么样的展品是合适的，放多少件展品是合理的，可以依托以核心科学概念构建的知识体系中所确定的展览主题和知识结构来规划展品的形式与数量。同时，核心科学概念延伸出的次级概念或分层描述有着知识点上天然的联系与逻辑性，以此为出发点设计的展品，不仅可以有效地保证整个主题展览的展品在知识点上的系统性，把每个展品碎片化的知识点联成一个体系，同时也增强了展品之间的逻辑关系。

现在很多科技馆都为观众设计一条最佳参观线路，而这样的线路设计更多的是以满足观众在最短的时间内参观完主要展品或特色展品来设计的。像这样的参观路线在科学内容上往往是无序且不带教育指引性的，更像是游乐园最佳游览方案。而当展品之间建立起有效的逻辑关系时，科技馆可以为观众提供的是专业知识学习的参观路线，从而进一步增强了展览的教育功能，一定程度上改善了观众在自由参观时漫无目的地走马观花的现象。

3. 加强展品的核心科学概念与工程和技术实践的联系

科技馆展览设计与工程、技术和跨学科领域有着天然的基因联系，核心科学概念就是其联接点。从展品设计角度来讲，我们引入现实生活的工业产品或商品的原型作为展品，就是从技术层面来体现这些产品的技术含量。现实技术应用的展品向观众进行科普教育的同时，通过核心科学概念知识结构的引导，把复杂的现象与问题思路化、概念化，从而让观众可以分步骤、有层次地理解展品所要展示的内涵与原理。在展示工程与技术发展的同时，工程与技术革新的故事和经验又是培养工匠精神、科学方法与科学精神的一个源泉。我们设计基于科学与工程实践的展品，要在确保其专业的技术性展示的同时，还能反映出精神层面的科学内容，这是核心科学概念所能延伸出的最大化的教育效果。

4. 基于核心科学概念的知识体系在展览设计中的应用分析

核心科学概念的提出有助于我们梳理出一个主题科学展览的中心点，可以通过核心科学概念为观众构建一个认知某个核心概念的知识体系或认知脉络，并以此为框架来设计主题展览的结构。

从《科学教育的原则与大概念》14个“大概念”选取其中一个来看：生物的多样性、存活和灭绝，都是进化的结果。同时，从2017年《义务教育小学科学课程标准》的第三部分课程内容第二章生命科学领域[5]找出对应此大概念的的6个主要概念的解读以及知识结构图：

(1)地球上生活着不同种类的生物；

(2)植物能适应环境，可制造和获取养分来维持自身的生存；

(3)动物能适应环境并通过获取植物和其他动物的养分来维持生存；

(4)人体由多个系统组成，分工配合、共同维持生命活动；

(5)植物和动物都能繁殖后代，使它们得以世代相传；

(6)动植物之间，动植物与环境之间存在着相互依存的关系。

图1 生命科学各核心概念之间关系结构示意图

如图1所示，以生物多样性为核心科学概念的知识结构延展出我们认知生物圈的知识脉络，因此生命科学展览的设计可以从多样性或生物进化的主题而展开。展览主题和教育目标都应有明确的科学概念，三者应该是统一的，只不过表达方式不同罢了。例如，日本国立科学博物馆“生命进化”展厅中，第一主题是“环境变迁对物种进化的选择性作用”[6]，展览从陆上生物多样性和海上生物多样性两大板块进行呈现，每个板块又分别从动物、植物和微生物的角度加以设计。这样的展览主题与核心科学概念相对应，展览结构与核心科学概念知识结构相统一的设计思想，实现了展览教育目标的一体化。

从一个核心科学概念的角度去解构认知科学、观察世界的脉络，有助于构建科技馆展览框架的系统性与科学性，同时也符合人类探索世界的认知规律。以核心科学概念为中心，不仅是知识认知结构的支撑点，同时也是跨学科的连接点。

(二)运用核心科学概念打造层次化的科学教育课程体系

围绕核心概念来组织知识，是一种非常经济和有效的组织科学课程或教学活动的方式，在科学课程的目标制定及课堂教学中应处于非常重要的地位[7]9。核心科学概念自身纵向一体与横向分层的特点，对打造科技馆多层次的系统化科学课程体系有天然优势。虽然我国的科学课程标准与国外的科学教育标准在适用范围上有所不同，但从2017年《义务教育小学科学课程标准》的框架与理念来看，也基本同步了国际科学教育的先进理念与发展趋势。

1. 科学教育课程的系统化与独立性的统一

由于来科技馆参观学习人群的流动性与非持续性，在科技馆中许多科学课程相对来说都是独立的，但这不影响我们运用核心科学概念来建构完整的课程和知识结构体系来有引导性地培养目标人群、特别是青少年来科技馆持续学习的习惯。

可以说，科技馆的科学教育课程的系统化与独立性不冲突。我们希望围绕核心科学概念设计的课程体系中的每一节课带有独立性，这样既能迎合一次性学习的需要，也能满足系统化学习的要求。当我们的课程资源积累到一定程度，需要开始梳理已有的课程体系时，核心科学概念所形成的课程框架可以很好地帮我们检查在一个课程体系中哪些知识方面课程的不足，主动建构由于零散的课程所带来的系统知识碎片化的缺失，进而补充完整课程体系。

当然，在展厅科学教育活动中由于活动对象易于流动，且有临时性，观众不一定能够有足够的耐心与时间来完成一个系统课程的学习，这就需要我们把每个活动的设计也要保证相对的独立性。单个课程是独立的，由多个单一课程又能组成一个完整的系列课程。

2. 完成科学教育活动的层次化设计

由于青少年对于科学概念的认知随年龄的增长会有不同层次的需求和理解，因此不论是《新一代科学教育标准》还是《以大概念理念进行科学教育》，对于核心科学概念都有分阶学习的要求和目标。在《以大概念理念进行科学教育》一书中对相关的14个大概念分解出了5～7岁、7～11岁、11～14岁、14～17岁四个层次进行不同程度学习的要求。虽然在年龄分段上与我国学龄段分段略有不同，但可以看出，这四个阶段分别对应的是学前、小学、初中和高中四个阶段。再看我国2017年《义务教育小学科学课程标准》的“课程目标”中对“科学知识学段目标”进行1～2年级、3～4年级、5～6年级的分段，这样层次化的分阶教育方式不仅要求我们科技馆的科学课程需要相应地对不同年龄层次的学生进行区分对待，同时作为以核心科学概念的课程体系还需要建立进阶的机制，鼓励并强调对核心概念学习的逐步深入[7]11-12。

这里以美国加州科学教材《Science A Closer Look》为例，通过表1可见：在每个年级的《物质》[8]单元都会列出本单元所需掌握的核心科学概念，在每个年级认知“物质”这个核心科学概念的同时，延伸的子概念不尽相同，而且这些子概念是不断拓展物质外延与深入物质的内涵的。这种层次化的设计不仅让科学学习分阶化，同时也是一种进阶的梯度。

表1 《Science A Closer Look》1～6年级教材中“物质”单元的核心概念

(三)围绕核心科学概念的知识体系进行“展教结合”设计

在科技馆的展览教育中，构建以核心科学概念为中心的知识体系，不能单纯地割裂成“展”或“教”两个方面来看待问题，我们同样可以把“展”的功能与“教”的手段相互结合组成一个软硬件结合的知识体系。对于展览展品的不足、难以表达的知识点或现象以及展览条件的限制等原因，我们可以通过设计补充式的科学教育活动来完善关于一个核心科学概念的知识体系，这种“软硬结合”“展教结合”的设计方案易于应对现有展览教育的状况。

以郑州科技馆“生命科学”展厅的“生命科学实验”展区为例，此展区最大的吸引点就是观众可以实时观察到小鸡孵化的全过程。展区主要由“鸡蛋的结构”“孵化中的鸡蛋开放式的结构”“鸡蛋孵化箱”“小鸡培育箱”4件展品组成，展区通过设计开展《动物生命周期》的科学课程把各个展品串联完成。从美国《新一代科学教育标准》选取生命科学学科核心概念，[9]可以看出(见表2)，展区是围绕“LS1.分子到生物体：结构与过程”这一核心科学概念来设计表达的：“鸡蛋的结构”和“孵化中的鸡蛋开放式的结构”展品对应了次级概念“A：结构与功能”的内容；从“鸡蛋孵化箱”到“小鸡培育箱”表达了次级概念“B：生物体的生长与发育”的过程；同时通过“孵化中的鸡蛋开放式的结构”打开了蛋壳孵化的“黑箱”，不仅表达了蛋在孵化中的结构发育的变化，同时也补全了小鸡破壳前的发育和生长过程；最后通过《动物生命周期》的课程设计讲授了“C：生物体的物质组织和能量流动”的过程；而在展示与讲授这三个次级概念中的量化数据通过制作了展区的演示动画表达出来，完成最后“D：信息处理”。

郑州科技馆“生命科学实验”展区的展品表达方式是国内科技馆生命科学展厅少有的创意设计，用核心科学概念将各个表面看起来相互孤立的展品串联起来，并将分散的知识点构建起有层次、有逻辑关系的知识体系。

四、结语

围绕核心科学概念进行科技馆展览教育设计，这一探索才刚刚起步，我们以核心科学概念来构建科技馆展览教育的知识体系时，也总会有一些局限来影响我们策划和设计上的判断与实施，我们可以尝试通过从一个面或一个点开始，最终做到以点带面、由面成片。

科技馆核心功能是教育，科技馆作为科学教育前沿的科普阵地，应当及时响应科学教育的最新理念。如何把核心概念运用到展览教育活动中，如何构建起科技馆自身的知识体系，是未来科技馆梳理布展与展品设计思路的重要依据，也是我们科学教育活动围绕的中心框架。把握好核心科学概念的运用，将是科技馆未来一段时间内需要努力思考、认真探讨的一件重要工作，也将成为科技馆转型升级的关键点。

表2 《新一代科学教育标准》选取生命科学学科核心概念及次级概念