科学“大概念”下科技馆主题展览设计探讨①

袁胡骏 汤雨微

一、科学教育定位

(一) 科学教育的理论基础

随着科学技术的快速发展，一个国家公民的科学素养决定了这个国家的竞争实力。在知识经济时代背景下，知识爆炸性增长，如何有效地进行基础教育阶段的科学教育，以及如何选择恰当的学习内容成为各国基础科学教育面临的主要难题。[1]科学教育的目的应该是培养学生的科学态度、掌握科学方法，然而这一目的只通过学习分门别类的、独立的抽象理论和事实是无法实现的。基于以上事实，温·哈伦等科学教育专家编写了《科学教育原则和大概念》(以下简称《大概念》)一书。该书指出，有助于学生理解与他们生活相关的事件和现象以及帮助学生理解与他们在校以及离开学校以后的生活有关的一些事件和现象的核心概念称为科学上的“大概念”；书中明确指出：科学教育的目的是培养知情的决策者，使学生具有进行正确决策的知识基础和能力。[2]

以往的科学教育试图在学校教学中覆盖尽可能多的内容，即知识的广度而非深度，这就造成学生在完成学校的基础课程后，只获得了零散的知识碎片，缺乏对现实世界中真实事物的深入理解[3]。通过对学生有意义学习的探讨和当代科学教育的研究，越来越多的科学教育工作者意识到科学教育应该“少而精”，科学教育的实施应该注重整体的一致性和连续性，并聚焦于科学“大概念”。

科学教育一直是美国基础教育研究的热点。美国在新一轮教育改革中，以科学“大概念”为核心，提出了关于科学教育框架的研究报告《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》，以概念描述的方式明确规定了K-12年级所有学生应该学习的具体内容，提出了支撑科学教育的“三个维度”——“实践”(practices)“跨学科概念”(crosscutting concepts)和“学科核心概念”(disciplinary core ideas)。[4]以该报告为基础，美国制定了新的国家科学教育标准，即《新一代科学教育标准》(NGSS)。上述两个科学教育文件都强调了支撑科学教育的“三个维度”[4]：第一个维度“科学工程与实践”包括8个方面的概念或内容，着重强调了建立和使用模型，构建科学的解释和设计工程的解决方案；第二个维度“跨学科概念”在所有科学领域中均可运用，体现的是不同学科中通用的思维方式；第三个维度是“学科核心概念”，是学生应当了解和掌握的相应学科关键知识。上述美国科学教育文件中的表述虽与《大概念》有所不同，但关注在科学教育中起关键作用的“科学概念”及其教育理念，却不谋而合的。

科学“大概念”作为科学教育的理论基础，而美国的《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和学科核心概念》和《新一代科学教育标准》为我们如何在科学“大概念”下有效地进行科学教育提供了实践方向和指导。科技馆是进行科学教育的重要场所，如何应用科学“大概念”进行科技馆展览设计是本文探讨的重点。

(二)科技馆教育职能定位

科技馆的首要职能是科学教育，展览是科技馆教育的主要载体。不同于学校系统学习的教育环境，科技馆具有典型非正规学习环境特征，即根据参观者自身的动机、文化和能力基础提供一个安全的、非威胁性的、开放性的自主学习环境，并且对学习成效评价较弱。不同于学校传统的以老师引导为主的学习方式，科技馆更鼓励观众亲自动手操作和实践，观众通过与展品互动来感受展品及其传达的科学内涵；在互动过程中，充分调动观众学习的主动性和积极性，进而使观众主动探究科学知识和科学理念。科技馆的科学教育目标相对于学校更为多元化，不仅要面向不同的观众传达科学知识，而且强调趣味性和互动性，活动形式更为丰富。观众通过与机器、模型、多媒体等互动来达到学习目的，探究学习的理念更为强化。

(三)科技馆科学教育的重点

关于科学教育，不仅包括科学知识的传授，还包括科学方法、科学思想、科学精神和科学态度的培养，由于科技馆离散的、开放性学习的环境特征，[5]因而科技馆科学教育的重点不应该是向学生灌输科学知识，更应该关注的是科学教育原则和大概念中“实践的、跨学科的概念”。[2]不同于学校通过课本和老师引导传授科学知识，科技馆的科学教育是通过观众主动与展品互动来直接获得科学知识和经验的。科技馆展品的科技内涵信息有三层，第一层信息是展品本身的科学原理、科学知识，第二层信息是科学家发现该原理和知识的过程，探究方法以及发现背景，第三层信息就是该科学原理的发现对当时的科技、经济、文化、社会带来的影响。[7]短暂的互动能够传达的科学知识有限，展品的互动更能体现的是科学家获得科学原理的实践过程，另外就是隐含在展品后面的科学家探究过程中体现的科学方法、科学思想、科学精神和科学态度。这些科学方法、科学思想、科学精神、科学态度等即是“大概念”中的“跨学科概念”。

“跨学科概念”是科学知识发现的普遍规律，基于科学的对客观世界的认知。这些内容包含适用于各个学科甚至社会生活、个人发展的科学认识论、方法论和价值观。[6]例如，科学家发现科学原理的普遍规律是：首先发现现象或问题，其次是提出判断或假说，然后设计实验进行验证，最后验证假设得出结论。这种规律不仅适用于科学家发现科学原理，也适用于我们在生活中科学有效地解决问题。又如我们具有的科学精神和态度、对事物之间因果关系的认知等等，都与我们在社会中生存以及解决生活中的问题息息相关，甚至关系到我们整个国家的发展。因而，科技馆教育的重点不应该仅限于科学知识，更应该是大概念下“实践的、跨学科的概念”。科技馆以展品为主导的探究式学习场所，正好可以结合学校的科学教育成为学生开展科学与工程实践的重要场所[6,7]。另外可以结合STEM教育和创客教育，大力发展跨学科综合类学习活动。

二、科技馆展览主题思想凝练

主题性展览设计方法是现代科技馆应用的主要表现手法，有整个场馆展览的主题以及各展区的分主题，而所有的展品均要服务于整个展览主题和展区分主题的表达。那么，如何选择主题，以及如何进行主题思想提炼，是展示设计首先要解决的主要问题。

(一)主题的含义

在进行展览设计时，我们经常会遇到几个相近的概念，包括“选题”“标题”“主题”。选题是指展览所要展示的内容范围，而标题是指根据内容赋予的展区的名称，主题是指展览所要表达的核心思想，是希望观众能够理解领悟的科学的思想、观念、概念或情感。[8]“选题”“标题”“主题”这三个概念在进行展览设计时很容易混淆，在进行主题思想凝练时应该把握主题的准确含义。

(二)展览主题的凝练

主题思想的确定需要大量的前期研究工作，应占到整个展览设计工作的30%。前期的研究工作包括对展示目的、展览特色等进行分析定位、研究确定展示教育理念、确定展览设计的思路、指导思想和原则等。那么经过前期调研之后，如何将这些资料汇总，凝练出最适合、最有意义的主题思想呢？通过上文对《大概念》和科技馆科学教育定位的研究，我们可以从以下三个方面进行主题思想凝练：围绕科学教育目标进行主题思想凝练；挖掘科学内容的多维度；把握观众的学习特征。

围绕科学教育的目标，是指主题思想要遵从《大概念》中科学教育的原则来展开，并且以科学教育的目标作为出发点。《大概念》中科学教育的原则指出“科学教育的主要目的应该是为了使每个人都能够参与有依据的决策和采取适当的行动，这对保证他们个人、社会以及环境的健康和协调发展是重要的”以及“科学教育具有多方面的目标，科学教育应该致力于：理解一些科学上有关的大概念，包括科学概念以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念；收集和运用实证的科学能力；科学态度”。因而主题思想不应该只是关于某学科的科学知识，而应该是这门科学中蕴含的科学思想、科学能力、科学态度等。以上海科技馆“地球家园”为例，如果不考虑科学教育的原则，关于地球家园，我们首先想到的是从地球本身的科学知识体系脉络展开，例如“地球的产生与演化”“地球的结构”“板块运动”“陆地与海洋”等。但是以科学教育的原则进行审视，即科学教育应培养知情的决策者，因而可凝练出主题“万物互联——决定与改变”，传达万物互联的系统论思想，让参观者切实地感受到自己的所有决定都最终会影响到整个地球家园，从而建立起责任感和主人翁精神。

挖掘科学内容的多维度，是指多角度多维度地分析，聚焦少量或几个维度展开，发掘不同维度之间的联系。比如科学内容包括科学知识、科学精神、科学态度、科学方法等等多个维度以及相互之间的联系。

把握观众的学习特征，是指把握观众的认知特性和知识基础以及学习习惯等。例如，针对儿童、青少年、成年人、专家等不同的人群有不同的主题展区等。

三、科技馆展览内容设计

在确定主题思想后，展览内容设计要服务于主题的表达。展览内容是设计者希望向观众展示的主要内容。展览内容设计包括展品内容设计、展示环境设计、互动方式设计、教育活动设计。

(一)展品内容设计

展品内容设计是指展品的选择和展品的排布方式，主要有两种结构表达方式。

一是线性逻辑，即所有的展品服从于知识体系脉络，展品之间有递进的表达顺序，便于设计者及学科专家理解，参观效果对顺序依赖性强。例如合肥科技馆生命展区，设计者最开始设计这个展区时存在分展区，并且设计了一条主流的参观线。从人体自身的感知开始，到人对外界事物的反应速度，再到人体健康以及人类智慧，符合一般的认知规律。然而观众在实际参观过程中几乎感觉不到分主题展区的存在；参观高峰时段，观众只能选择某个参与人数少的展品参观，不可能按照主线来参观。另外，观众在参观过程中有很大的随意性，使设计意图有很大程度的丢失。

二是离散型结构，展品的排布没有明显的主线，所有的展品服务于主题目标表达，每个(组)展品对应明确的科学教育目标，参观效果对顺序的依赖性弱。虽然没有固定的顺序，但是不同的展品对应于科学教育的小目标都与主题息息相关。离散型结构更符合科技馆实际参观方式，因而在进行展品内容设计时，这种离散型结构将在今后应用得越来越多。

(二)展示环境设计

展示环境相当于展品内容的组织者，科学大概念下离散型结构的内容展示对展示环境设计的要求更高，需贯穿多个环节，把主题展览组织成有机整体。

展示环境设计的目的包括以下几个方面：一是呈现信息框架，清晰展现主题展览的信息结构，使观众不会迷失在展览中，这是展示环境设计的首要任务；二是营造主题氛围，服务于主题思想的氛围营造是展览成功的催化剂；三是补充知识内容，展品不易表达的知识内容可以通过环境设计补充；四是深化传播效果，多通道的环境设计可以增强传播效果；五是表达教育目标，把多个科学教育小目标有机地整合成一个服务于预设主题的教育大目标。

(三)互动方式设计

互动是展示活动中观众与展品之间相互影响与彼此作用的现象；是通过人机对话在展品与观众之间建立一种互动的体验关系，从而使展品的展示效果得到有效提升的过程。[9]因而展品的互动方式设计直接影响到展品的展示效果。《大概念》中科学教育的第一原则是“在义务教育的所有年级，学校都应该设置科学教育项目，以便系统发展和持续保持学习者对周围世界的好奇心，对科学活动的热爱以及对如何阐明自然现象的理解”。互动方式设计的首要目标是激发好奇心，因此要做到好看、好玩、好听。心理学研究表明，通过听、说、看等多种感官互动方式，可记住90%内容，互动程度越高，认知的程度也就越高。[8]

如何激发好奇心呢？通常，与日常概念发生偏差的现象容易激发好奇心。例如“最速降线”展品，如图1(a)所示：“两点间直线距离最短最速”是个日常概念，“距离越短，耗时越少”则是日常概念带来的惯性思维；如图1(b)所示：由于最速降线现象与日常概念的不一致，使原本抽象的数学问题变得有趣而生动。

互动方式设计要做到将抽象概念具象化。美国盖查德教授做过一个对比实验：体验过“运动的骨骼”展品的6～9岁儿童96%能准确画出骨骼连接结构，8个月后仍有92%能正确画出。而另外一组未有相关展品体验经历的同龄儿童中仅有3%能画出上述骨骼结构。

互动方式设计应为探究学习提供可能。例如最新的“万有引力”展品(图2)设计成为入射轨道角度可调节的模式，可以让体验者在不同的入射角观察小球旋转的轨迹是否存在差异。

(四)教育活动设计

科技馆基于展览展品的教育活动也是展览设计的重要内容，是根据不同的科学教育目标进行设计的，主要对象有：有组织的团体观众、家庭观众、自发组成的小团队观众。针对团体观众的教育活动，对知识广度与深度要求高，可贯穿整个展区，更侧重知识体系。针对家庭观众的教育活动，通常基于某个单独展品，更偏向科学态度与兴趣，对知识储备要求低。针对自发组成小团队观众的教育活动，往往基于多人协作的展品，适合团队协作，更注重自我感悟。

四、结语

提高科学素质是个人和国家发展的需要，如何有效进行基础阶段的科学教育，一直是教育界探讨的重点。“大概念”作为科学教育的理论基础，明确指出科学教育旨在帮助孩子们初步形成科学态度，掌握科学方法，了解科学精神。科技馆是以展览教育为主要功能的公益性科普教育机构，其开放的、非正规的学习环境和鼓励观众自主探究的学习方式决定了科技馆是科学教育的第二阵地。科技馆科学教育的重点应该是“大概念”中“实践的、跨学科的概念”，即科学态度、科学方法、科学精神等。展览是科技馆最重要的教育资源与载体，展览设计的质量决定了一个科技馆科学教育的成败。因而展览设计应该在“大概念”的指导下进行，主题思想的凝练以及展览内容设计都应该围绕科学教育目标展开，各个环节可以分别支持多个子目标，最后共同支持一个主题思想。