基于学科核心概念的科技馆教育活动案例分析——以合肥科技馆“锥体上滚”案例为例①

瞿林云 叶兆宁 周雨青

一、学科核心概念概述

学科核心概念，是指经过检验并位于物理、化学、生物等学科核心位置的科学概念，它能够将本学科中或学科之间的概念、原理连贯起来，[1]相当于学科知识体系的“梁”和“柱”；而一般的知识点相当于“砖”，学生的学习就像是在“码砖”。教师在学生“码砖”的过程中，应该引导学生遵循“梁”和“柱”的框架，因为这些学科核心概念的结构性将有助于学生建立新旧知识的联系。正如美国知名教育顾问H·林恩·艾里克森所说：这些位于学科核心位置的概念，具有持久价值和迁移价值。[2]再如布鲁纳在其知识结构观中曾强调：教任何一组有关联的学科知识，其最终目的是使学生理解题材的结构。如果没有完满的结构把学生获得的知识联系在一起，那是一种多半会遗忘的知识，就像一串不连贯的论据在记忆中仅有短促得可怜的寿命一样。[3]

2009年“科学教育国际研讨会”召开，会议指出，科学教育不应给学生传授零碎、不连贯的知识片段或是堆积的科学定律，提出要围绕涉及学科领域的有结构、有联系的科学核心概念和模型进行科学教育。[4]随后，各国的科学教育纷纷开始重视学科核心概念的作用并展开教学改革。无论是2013年美国颁布的《新一代科学教育标准》，还是2017年我国颁布的《义务教育小学科学课程标准》，都明确提出要以核心概念框架建构教学内容体系。虽然两者在核心概念框架的表述上有所差别，但均将学科核心概念视为既能展现学科的全貌，又有助于跨学科学习的重要内容，并将其分为“物质科学”“生命科学”“地球与宇宙科学”三个领域。此外，我国2011年颁布的《义务教育初中科学课程标准》也以“主题”的形式提炼出“科学探究”“生命科学”“物质科学”“地球、宇宙和空间科学”四个领域的核心概念。课标中的这些学科核心概念通常由若干个基本的学科概念构成，涵盖了学科中最重要、最基本的知识点，且适用于多个学段，能引导青少年形成扎实的科学素养，为其将来的进阶学习奠定良好的基础。

虽然学科核心概念在学校教育中的作用逐渐被人们所关注，但是在科技馆教育领域，其重视程度还有待加强。目前，我国科技馆开设的活动大部分还停留在知识灌输层面，[5]且知识碎片化的现象比较常见，在馆校结合的项目中也未能结合不同年级的教学目标与内容进行有针对性的设计，因而学生的参观学习大都停留在走马观花的状态。[6]再加上我国科技馆建设起步晚、科技馆教育活动开发力量薄弱、社会涌现各种传播媒体和教育机构等现实因素，科技馆教育可谓面临诸多挑战。为了改进传统展教形式，更好地落实科技馆教育功能，促进场馆教育与学校教育的融合，本文选取合肥科技馆的“锥体上滚”活动案例，分析活动过程中的基本内容，并对它的设计理念、课程资源和教学策略进行细致梳理，解读其中蕴含的学科核心概念理念，以期对当下的科技馆教育活动的开发和实施有一定启发。

二、案例概况

本文选取的“锥体上滚”案例是合肥科技馆“展无止境”系列活动中的一个分项。该系列活动是以单件展品为切入点，根据展品原理及展示目的加入实验、游戏、互动等相关内容，配合移动讲解设备和PPT来丰富讲解内容，从而使观众更好地了解科技展项，学习每件展品背后蕴藏的知识。目前该系列活动已开发十余项子活动，包括“锥体上滚”“离心现象”“拱桥”“高压放电”“雪绒花”“倾斜小屋”“笼中鸟”“人体拼装”等等。

“锥体上滚”活动是以“锥体上滚”展品为切入点、以力学概念为基础的活动，主要分为演示与讲解和实验探究两个环节，其中演示与讲解环节由讲解展品和PPT组成；实验探究环节由三个小实验组成(如图1所示)。该案例的活动对象为青少年，旨在通过实验演示、PPT讲解、讨论互动、实践探索等方式促进青少年对重力、平衡等基础力学概念的理解。

图1 “锥体上滚”活动主要内容

(一)活动准备

可以播放PPT的移动讲解设备、桌子、长方形的纸板和形状不规则的纸板、扑克牌、铅笔、易拉罐、水、沙子、木板、钉子等。

(二)活动流程

1. 阶段一：演示与讲解

首先，辅导员先让观众对锥体的运动状态进行猜测，通过演示让观众集中注意力观察双锥体沿倾斜轨道上滚的现象。在观众认知冲突建立后，讲解员让观众进行适当的猜想，再对这个看似“反常”的现象进行解释：当双锥体在导轨最低处时，由于导轨间距小，其实锥体的重心并不低；而当双锥体在导轨最高处时，由于导轨间接变大，锥体下沉，因而锥体的重心反而降低了。所以，锥体仅是视觉上上滚，实际的位置是下降的。

然后，辅导员让观众联想生活中有关重力的现象，唤起学习者头脑中有关的既有经验，为接下来寻找物体重心的环节做准备。

当观众对重力有了初步认识后，活动以PPT为载体，利用两块形状不同的纸板向观众具体讲解，什么是重心，以及重心的位置如何寻找。辅导员通过梳理式的讲解，将观众头脑中关于重力的基本概念、力的相互作用以及重心的概念整合起来，实现直接经验与间接经验的碰撞，为接下来的实践环节奠定基础。

2. 阶段二：实验与探究

当观众拥有一定理论知识后，活动设计了三个小实验让学习者运用知识去解决问题，以巩固和拓展头脑中的学科概念。

第一个实验是“扑克牌边撑铅笔”，即设法将一根铅笔横放在扑克牌的上面。要解决这个问题，观众们需要先要感受二力平衡的特点，然后通过寻找重心的方法找出铅笔重力的作用点，并设法将铅笔的重心保持在牌边正上方的位置，以此实现二力平衡的状态。

第二个实验是“巧立易拉罐”，即设法让易拉罐斜立在桌面上。该活动的关键在于引导观众发现，空的易拉罐如果斜放在桌面上肯定会倒下来，这是因为易拉罐的重心不在支撑点的正上方，无法实现二力平衡。如果想让易拉罐斜立在桌面上，就必须改变它的重心，让重心在支撑点的正上方。在之前的讲解和演示过程中，辅导员的解说并未涉及如何去改变物体的重心，所以这个环节需要观众自主探究。观众可以使用沙子、水等多种材料，虽然材料不同，但它们都可以达到改变易拉罐重心的作用。

第三个实验是“巧搭铁钉”，即让一根铁钉竖直地钉在木板上，设法让其余十根铁钉搭在直立的铁钉上不掉下来。这是三个实验任务中最为复杂的一个，观众不仅要考虑铁钉如何搭建成一个系统，还要注意系统的重心和每根钉子的受力情况。因此该环节辅导员的辅助作用较为明显。在辅导员的引导下，观众采用两根铁钉上下放置作为主干、其余八根铁钉左右交叉的形式，将铁钉搭建成类似龙舟划桨的对称体系，然后抓住上下放置的主干铁钉，将整个体系平稳地提起来，并放到直立的钉子上，缓慢调整，直至体系的重心与铁钉接触。

三、案例分析

(一)教学设计的分析

该活动以重心为切入点，以“二力平衡”为拓展项，从核心概念出发进行上位设计，实现展品、实验与学科概念的融合。通过梳理我国《义务教育小学科学课程标准》中的力学内容可知，该案例涉及了物质科学领域中的核心概念“力作用于物体，可以改变物体的运动形状和运动状态”中的“5.1有的力直接施加在物体上，有的力可以通过看不见的物质施加在物体上”和“5.2物体运动的改变和施加在物体上的力有关”。活动的设计采用“学科核心概念→学科概念→知识点→展教活动”的上位设计(见图2)。活动演示与讲解部分虽然对两项学科概念都有所涉及，但教学重点放在对重心、重力的理解上，且知识点间的关联性并不强。实验与探究部分在巩固先前重力概念的基础上，拓展了平衡的相关概念，以综合活动的形式建构起学科概念间的关联，促进学生对知识的理解、运用、分析、评价和创新，反映出科技馆教育活动“做中学”的特点。同时，三个实践活动设有难度梯度，随着活动的复杂度加大，展教人员的辅导力度也在进行调整。

在该活动中，学生的学习仍然是从现象和实践出发，逐步形成对各级概念认知的下位学习。由于该活动实践环节较多，学生们地下位学习的过程中，其实往往难以认识到概括性更高的学科核心概念。如果展教人员在教学设计时，能更多地考虑学生认知过程中的薄弱环节，更好地均衡实验操作与讲解归纳的比重，那么该活动将会让基于学科核心概念的教学方式更显成效。

(二)教学策略的分析

该活动以学科概念逻辑下的情境化教学为主要策略，融合启发式教学、演示模仿、小组学习、探究学习等方式，旨在促进青少年理解学科概念，促进其认知与思维的发展。在演示与讲解阶段，辅导员巧妙地通过认知冲突设置问题情境，激发参观者的学习兴趣。在此基础上，以引导和鼓励的方式，帮助观众回忆头脑中有关重力的印象，启发他们思考现象产生的原因，对重力的基本概念进行梳理。当观众对重力和重心产生初步概念后，辅导员再以演示模仿的方式将寻找物体中心的操作性知识介绍给观众并让观众动手实验以确定不同物体的重心。在实验与探究阶段，观众以小组合作的方式主动观察、提问、提出猜想，并经历动手实验、改进方案、总结反思等探究性学习环节。为了进一步促进观众对学科概念的理解，该活动采用的教学情境遵循学科概念的逻辑关系，并由易到难设置任务情境，这种情境与概念的密切关联体现了活动与学科概念的深度融合。

图2 概念层次与活动设计

(三)活动资源的分析

本案例的教学资源为“锥体上滚”展品、辅助性PPT、用于测量物体重心的木板、三个探究活动的材料包，以及中小学的科学课程标准。其中，“锥体上滚”展品的作用是让观众陷入认知冲突，产生继续学习的内在需求；辅助性PPT一方面按照学科概念的逻辑对观众的已有概念进行梳理，让观众之间的现有知识水平尽量持平，另一方面正式地介绍了测量物体重心的方法，为接下来的探究活动做准备；三个探究活动利用的是观众对重心的感性认识，拓展二力平衡概念的过程。此外，案例的设计还参考了中小学科学课程标准。虽然该活动涉及的学科知识并不多，但是学科概念组织的系统性为展教人员提供了结构性的设计思路。这种思路是科技馆活动与学校教育衔接的重要纽带，有助于非正规科学教育与正规科学教育之间的相辅相成。

四、思考与启示

该案例是当前科技馆教育活动与学科核心概念结合较为典型的形式，即以学科核心概念为基础，结合馆内的展品资源设计活动。通过以上的梳理和分析，我们可以得到基于学科核心概念的科技馆教育活动在设计和实施过程中的若干启示。

(一)根据科学体系下的学科概念，有选择地确定活动主题

本案例的主题涉及物质科学领域，能反映重力、二力平衡等基础力学知识，因而较能体现学科核心概念的教学理念。然而，科技馆通常还设有主题探究、DIY制作、户外探索等学科性质不明显的活动。因此，要在科技馆活动中最大程度地发挥学科核心概念的作用，就务必要对活动主题有所选择。随着基础教育对学科核心概念的逐步重视，各个学科的课程标准可以成为展教人员选择主题、设计活动的支撑性资源。

(二)把握学科体系中的核心概念，有逻辑地重组分解概念

在学校教育中，理解学科核心概念的第一步往往是将概念进行分解，分解的方式在各个课程标准中均有所体现。如美国《新一代科学教育标准》中将物质科学中的核心概念“运动和稳定性：力和相互作用”分解为“力和运动”“相互作用的类型”“物理系统的稳定性和不稳定性”。我国《义务教育小学课程标准》中将物质科学领域的核心概念“力作用于物体”分解为“有的力直接施加在物体上，有的力可以通过看不见的物质施加在物体上”和“物体运动的改变和施加在物体上的力有关”。虽然近似的核心概念在不同的课程标准中的表述有所差别，但是都遵循着学科的基本结构和学习者学习进程的发展。因此，场馆在设计教育活动时，也可以参考核心概念和分解概念之间的逻辑关系。此外，课程标准还根据学生的认知发展水平，给出了分解概念在不同阶段学生需要掌握的程度。虽然科技馆教育活动无法做到学校教育那样根据学生的学习阶段层层递进地进行学科概念的传授，但是场馆活动仍要尽量利用观众的既有知识进行认知同化。传统展教活动在面对纷杂的分解概念时，往往容易陷入碎片化教学的惯性。因此，如何创设活动线索，将分解的学科概念重组起来，将是活动设计的重要环节。

(三)促进学习过程内的概念同化，有关联地创设教学情境

科技馆教育活动是以情境化为特色的教育活动，活动设计时，不仅要注意学科概念之间的关系，还应注意教学情境的内在关联。这些关联系取决于情境自身蕴含的科学现象、原理和方法与学科概念之间的联系。因此，为了保持整个活动的系统性，活动的情境设计也需要从学科核心概念出发，寻找契合核心概念及分解概念的展品和活动建构教学情境。在这种情况下，观众在体验活动时，情境之间的关联往往能使得概念的同化过程更为直接和高效。

(四)考虑受众群体的学习需求，有意识地调整活动重点

不同年龄和背景的观众对科技活动的期望和价值判断存在差别，但就特定主题的活动而言，观众感知的方向总是相同的。因此，展教人员需要实现的是，让不同接受能力和知识水平的观众在活动中都能有所收获。从以上案例分析可以发现，无论是演示讲解还是实验操作的过程中，活动的难度都呈现一定梯度，这样既能让不同年龄、知识水平、动手能力的观众在活动中都有所体验，又能为讲解员在实际操作时自主调整活动难度提供空间。当然，这样的活动梯度设计并非一蹴而就，还需要在实践中不断打磨，这对开发团队的展教经验、专业知识和工作态度都提出了一定要求。