基于STEAM 理念的国外博物馆课程案例分析及启示*

张一鸣 白 欣 董贝贝 任一鸣 苗一迪 韩明哲

1.首都师范大学教育学院

2.首都师范大学初等教育学院

3.美国俄亥俄州立大学计算机科学与工程系

0 引言

2021 年12 月，教育部、中国科协联合发布《关于利用科普资源助推“双减”工作的通知》，提出各地学校“走出去”，有计划地组织学生就近分期分批到科技馆和各类科普场馆教育基地，加强场景式、体验式、互动式、探究式科普教育实践活动[1]。近年来，我国投入了大量资金兴建科技场馆，表明我国政府对提高全民科学素质的重视以及对科技场馆所发挥的重要教育功能的认识。2020 年我国科技馆数量达到1 000 个，总建筑面积达526.5 万m2[2]。硬件水平迅速提升的同时，也对科技场馆课程开发与实施等软件水平提出更高的要求。科技场馆教育人员的专业素养会影响到其开发和实施教育活动的效果，目前我国科技场馆教育人员的专业化水平普遍不高，对科学知识体系、科学课程标准等缺乏了解，导致科技场馆的教育活动水平参差不齐、缺乏标准化[3]。

以科技场馆为代表的非正式教育场所有利于开展情境式、体验式学习，促进STEAM 教育中各个学科之间的融合，实现核心素养导向的深度学习。本文选取的四个国外博物馆课程案例都是以科学课程标准为依据，具有标准化、规范化的特点，例如美国疾控中心博物馆基于新一代科学教育标准（Next Generation Science Standards,NGSS）设计的以公共卫生为主题的STEAM 课程在新冠疫情的背景下具有很强的现实意义，澳大利亚昆士兰博物馆让学生在游览的基础上开展基于科学课程标准的活动课程，激发学生进行科学与工程实践的兴趣。从课程目标、课程知识、课程活动和课程评估四个维度对国外优秀博物馆STEAM 课程案例进行分析，对于我国科技场馆提升STEAM 教育活动水平，助推“双减”工作具有启示意义。

1 案例一：国家二战博物馆制作天气工具教育项目

1.1 案例介绍

美国国家二战博物馆（The National World War II Museum）于2000 年6 月6 日诺曼底登陆纪念日成立。在博物馆网站上，可以浏览博物馆系列课程，搜索相关教案和多媒体资源。网站的“真实世界科学”模块是二战博物馆重要的组成部分，该模块以二战为背景，教导社会大众学习科学、技术、工程和数学等相关知识。来自全国各地的教师和不同背景的学生将学习科学、历史和文化相融合的课程，以确保下一代更好地迎接未来面临的挑战。“真实世界科学”课程根据NGSS 把科学知识与二战背后的故事和历史联系起来，让学生置身于二战的真实情景中，融合跨学科知识与实践，提升学生解决实际问题的能力。

例如制作天气工具一课，首先通过情景导入：战争时机的选择需考虑天气、月光和潮汐。潮汐和月相可以提前知道，但天气状况却很难提前数周预测。几百年来，人们一直在收集天气数据，而过去使用的许多工具与今天使用的工具相似。当然，这些工具已经被现代技术所补充，计算机现在是分析天气数据最重要的工具。

课程以制作温度计、气压计、湿度表为目标，以NGSS 中的“构建基于证据的解释，用证据来解释对象的速度与该对象的能量有关”“建立模型，通过模型表达‘物质由小到不可见的微粒组成’”为指向。教师首先向学生讲解温度计的工作原理，当酒精受热膨胀，吸管里的酒精会高于瓶子里的水平，因为密封瓶中的空气会阻止瓶中的酒精水平上升。在这个活动中使用酒精是因为在温度升高时，它比水更容易膨胀。气压计工作的原理则与温度计不同，因为气压的变化，瓶子里的液体表面会受到压力的影响，并将管中的液面推高。让学生理解当我们知道材料的物理性质时，可以据此制作工具，用于测量天气。最后指导学生利用矿泉水瓶、金属罐，用食用色素着色的水、酒精、冰块等简易材料分别制作温度计、气压计和湿度表。

1.2 案例分析

1.2.1 课程案例分析

课程目标围绕研究和制作，为开展以学生为中心的探究型课堂、发挥学生的主动性确定了基调。课程知识以二战为背景，铺垫真实情境，使学生身临其境。融合物理、化学的跨学科知识，促使学生认识科学并不是单一学科而是综合的，它和我们的生活息息相关。课程活动所需的材料和工具较易获得，学生们可以在活动中锻炼自己的观察、测量和记录的习惯，更重要的是学生可以在亲身经历、动手实践的过程中探究物质的变化，而不再是以教师为中心、学生作为观众的传统课堂。课程评估以实物制作为手段，有助于让学生获得不一样的成就感，并且通过小组互动促进学生之间相互学习、共同进步。

1.2.2 课程标准分析

课程目标对应NGSS 中物质科学的学科核心概念。尽管主题是天气，但该活动中的概念是关于原子的行为。温度是原子的速度，气压是这些原子的密度和它们施加的力，而湿度是空气中水的浓度。所有的工具均使用原子的运动来测量天气数据。课程知识涉及到NGSS 中提到的跨学科概念“系统与系统模型”“系统中的能量与物质”。此外，还有影响系统的稳定和变化的因素。课程活动方面，在整个研究和制作的过程中，NGSS 中的科学与工程实践贯穿其中，比如定义问题和设计解决方案，并通过动手操作、观察思考，形成可使用的产品，体验完整的科学与工程实践过程。课程评估方面，以真实情境和相应具体产品为主导的科学课程，使得课程更加符合NGSS 所提出的对于学生的预期表现进行评测，而不是课程本身[4]。

2 案例二：奥兰多科学中心科学挑战赛项目

2.1 案例介绍

美国奥兰多科学中心（Orlando Science Center）主办的柯蒂斯新星科学挑战赛（The Curtis Rising Stars Science Challenge）是一项面向K-5 年级学生的科技竞赛，通过90 min 的在线挑战，学生需要开展工程实践，帮助他们培养团队合作能力。学生们首先在班级和学校中通过预先活动和提示进行准备，然后只需要通过互联网和一台带有网络摄像头的电脑就可以参与挑战赛。

2021 年比赛的主题是建立一个具有多种能量转换的动能系统。该系统可以是独立的，也可以设计放置于桌面。所有采购部件不得超过100 美元，任何一件物品不得超过20 美元。该系统不应超过76 cm深、183 cm 宽和274 cm高（从地面测量）。团队的每个成员都要参加答辩，向评委进行汇报。参赛作品将在以下方面进行评判：使用的动力学原理；演示技巧和对其创作背后的科学解释；能够在5 min 内重置系统并再次运行；可靠性，即在3 次尝试中初步成功运行系统；创新性，即创造一个新的系统或以革新性的方式改变一个现有系统；带有采购证明和预算文件的项目材料合集。

例如，制作起重机模型，通过简单机械提升重物。在平衡式起重机中，起重机的横梁在一个点上达到平衡，称为支点。起重机的横梁就像一个简单的杠杆，这使得它可以用一个相对较小的力来提升重物。起重机还利用另一种简单机械——滑轮。塔式起重机通常有一个以上的滑轮，这有助于它倍增其力量来提升重物。利用简单机械背后的科学原理，如杠杆和滑轮，起重机可以用较小的力量将重物提升到很高的高度。学生可以使用纸杯、铅笔、吸管、回形针、绳子、尺子、胶带、大理石弹珠、纸板、橡皮筋、冰棒棍等材料制作起重机模型，在不断尝试举起各种质量的物体的过程中理解物体之间倍数的数学关系，了解杠杆、滑轮的原理和操作。

2.2 案例分析

2.2.1 课程案例分析

该活动课程以制作起重机为目标，要求学生观察起重机的高度、测试其能够举起最重物体的质量。这一活动与生产生活密切相关，学生会很容易被吸引，积极主动地参与制作活动。学生在制作过程中不断地思考、改进起重机的设计，培养学生的工程思维。课程知识方面，利用生活中常见的举起重物的现象，促使学生将课程知识同生活紧密地联系起来。活动中涉及到数学中的倍数、物理的杠杆和滑轮等学科知识，有利于引导学生进行跨学科思考。课程活动方面，学生能比较容易找到制作起重机的材料和工具，有助于活动顺利开展。在制作起重机的过程中，学生通过实际的动手操作，可以深入理解杠杆和滑轮的原理和应用。课程评估是通过观察学生的实践操作能力，检测学生是否能够成功制作起重机，在其举起物体时是否可以保持平衡，并且明确要求起始物体至少是两个大理石弹珠的重量，最后汇报分享有利于培养学生的表达能力和团队精神。

2.2.2 课程标准分析

课程目标中包含了NGSS 中的“力和相互作用”“能量”等学科核心概念，通过起重机的制作使学生将这些学科核心概念付诸实践，又在实践中加深对其本质的理解。课程知识涉及到了NGSS 中的“系统中的能量与物质”“结构和功能” 等跨学科概念。在制作起重机的过程中涉及到杠杆、滑轮的原理，在起重机举起物体的时候会有能量的变化，为了使起重机保持稳定以执行不同功能则需要不断调整起重机的结构。课程活动围绕制作起重机这一工程项目，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，达到NGSS 对于学生进行科学与工程实践的要求。课程评估以产品为导向，兼具过程真实性评价，通过起重机的设计和制作以及最后的分享，实现对学生实践能力的评价。

3 案例三：美国疾控中心博物馆净化水教育项目

3.1 案例介绍

公共供水系统已经存在上千年，为人类的生存和发展带来了极大的助力。但同时，由于水缺乏足够的消毒和净化，在给人们带来便利的同时也可能传播很多种疾病。自从1908 年美国第一次对用水进行消毒之后，各地纷纷效仿，使得介水传染病大幅减少。美国疾病控制与预防中心（Center for Disease Control and Prevention,CDC）鼓励世界各地提供优秀的安全用水实践方案，比如设计水过滤装置。

本案例由美国疾控中心博物馆（CDC Museum）设计，以帮助学生理解过滤水的原理，并从物理层面上解决或减少水的污染，让学生更加关注水资源保护并积极对环境保护作出贡献。此次活动以净化水为主题，以NGSS 中的“使用绘图及物理模型来说明如何根据需要发挥作用，以解决给定的问题”“使用特定材料完成指定目标”为指向，帮助学生了解物质的质量、体积差别，融合计量、科学、技术、工程等知识及实践，提升学生解决实际问题的能力。

水净化简易装置的工作原理是采用多次过滤层的过滤器（碎石、沙子、滤纸等），去除原水中含有的大体积杂质。通过物质间隙从大到小，由于水的渗透及重力，水会由上至下，从间隙大的材料渗透至缝隙小的材料，最终得到无大颗粒杂质的净化水。该项目的亮点在于，通过三个过滤器活动的进阶设计，对不同材料进行对比，帮助学生理解净化水背后的科学本质，实现从知识到思维的跃升。在活动一中教师带领学生用塑料瓶、咖啡过滤网、碎石、沙子、棉球等材料制作净化水简易装置。活动二中教师引领学生思考身边是否有其他的物质可以代替滤网、碎石及沙子，例如将碎石替换成活性炭，将滤网换为细纱布，并带领学生观察水质及水流通过不同物质的差别。活动三中教师使用饮水机等过滤设备过滤有杂质的水，并将过滤设备拆开，把里面的每一步展示给学生，帮助他们了解真正的净水器的精密程度，以及水在通过每个过滤层时会留下什么杂质。最后使用pH试纸测量过滤前后水的酸碱程度，进行对比，帮助学生思考活动的意义。

3.2 案例分析

3.2.1 课程案例分析

课程目标围绕水的净化，带领学生使用物理模型及相应的材料解决遇到的真实问题，提高学生自主动手能力，培养工程思维。课程知识以水资源的重要性以及不健康的水给人类带来的伤害为背景，帮助学生理解水资源净化的必要性。利用科学技术提高水资源的利用率以及减少水的污染，在新冠疫情的背景下显得尤为重要。课程活动的材料选取非常灵活，可以帮助学生思考，选取自己认为合适的日常材料以达成活动目标，并且通过对比不同的材料形成设置对照的思维。课程评估方面，通过实物制作将形成性评价和终结性评价相结合，在促使学生完成最终任务的同时，引领学生的思考过程，让学生了解自己的每一个选择都会带来或好或坏的结果。

3.2.2 课程标准分析

净化水教育项目近年来在国内科技场馆也有开展，但是在基于科学课程标准的设计方面仍有所欠缺。该课程以NGSS 为依据，课程目标对应NGSS中的工程、技术和科学的应用（Engineering,Technology and the Applications of Science,ETS），以净化水为主题，学生可以通过课程了解净化水的模型，使用特定材料完成对水的过滤及净化。课程知识涉及跨学科概念中的“工程、技术和科学共同对社会和自然界产生影响”，改进现有技术或开发新技术会为个人以及社会带来更好的利益，而了解已有的技术是基本。该课程需要学生掌握水的物理化学性质、不同材料的性质方面的知识，并将这些知识应用于解决公共卫生问题。课程活动围绕NGSS 中的科学与工程实践，学生首先要将现实问题转化为能够通过给定的材料、工具解决的问题，通过绘图等方式设计水过滤器模型，然后制作实施，培养学生的工程实践能力。课程评估方面，通过能否解决净化水这一工程问题进行课程评估，ETS 中提及定义和界定工程问题，其包含材料的限制与解决方案标准的问题，活动可使学生选择易于获取的材料去达成目标。通过讨论不同的净化水项目方案，达成ETS 中提及的形成可能的方案。

4 案例四：昆士兰博物馆火花实验室项目

4.1 案例介绍

澳大利亚昆士兰博物馆（Queensland Museum）的火花实验室（SparkLab）面向小学至初中的学生，围绕三个主题为学生提供探索机会，分别为“我们的世界及其运作方式”“我们如何感知我们的世界？我们是否都以同样的方式看待它？”以及“我们怎样才能改变我们的世界？这种变化有什么作用？”，涉及物理及地球科学等方面的内容，帮助学生拓展对世界的认知，培养学生对于世界的好奇心。

学生在三个不同区域内进行探索，可以了解从原子到行星，再到宇宙的运行和变化。从探索身边的声、光、电，到力、能量和结构，世界的变化及地球在广阔宇宙中的位置，并通过设计和建造完成挑战。学生在全方面了解知识的同时，可以自主选择感兴趣的方面进行更深入的研究。活动由“做、想、说”贯穿，鼓励孩子自主行动、自主思考以及自我表达，帮助孩子在探索未知时以自己的方式去了解问题、思考问题、解决问题。

活动中，教师带领学生游览博物馆，从生活中息息相关的光至人类生存所离不开的电。例如，向学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，使得人们可以观察到事物，或电的媒介，什么东西可以导电、什么东西可以运输更多的电、什么东西可以绝缘。在知识普及的过程中，帮助孩子提升对用电的安全教育和自我防护。或者教师带领学生参与实验，给予目标，让学生利用现有物品及所学知识完成任务。例如通过制造发声器，帮助学生理解物体发声的原理，探究共振与声音高低、大小的关系。通过对物理现象的探究，培养学生对科学的兴趣。同时，在探究过程中引导学生思考，并将想法与学到的知识结合，以目标为导向，设计并制作相应设备以完成任务。例如让学生思考制作发声器的工具和材料，对原型进行初步设计与构思，学生根据自己的设计制作发声器，使其尽可能发出多种类型的声音，并加以测试（如使用Chrome Music Lab 的频谱图），让学生总结、反思设计的优缺点，不断改进自己的设计。

4.2 案例分析

4.2.1 课程案例分析

课程目标包括物质科学、地球与宇宙等方面的内容，教师引导学生参与各项活动，在科技场馆进行观察、实践。课程知识从基本的力改变物体运动状态，到万有引力保持地球在太阳系中的位置、月亮围绕地球做环形运动等。从声音的产生，到音调高低和声音大小与共振腔的关系，再到Chrome Music Lab 工具的使用，涉及到学生日常生活中所能见到的各种科学现象。课程活动通过让学生在开放的环境中去想象、设计并解决问题，帮助学生在真实情境中进行探究，综合提升他们的信息汲取、思考、设计及应用能力。最后通过设计制作进行课程评估，帮助学生了解任何现象背后所包含的科学道理，同时鼓励学生表达感想以及理解看待不同事物的不同观点。

4.2.2 课程标准分析

该案例以澳大利亚科学课程标准为依据，围绕科学是人类的事业、科学理解、科学探究技能三个方面进行设计[5]。课程目标包含澳大利亚科学课程标准中多个核心概念，比如系统、规模与测量、物质与能量等。学生不仅可以获取知识、拓宽视野，还可以对评估设计理念、过程和解决方案等内容进行拓展学习。这将有利于学生的思维结构化、好奇心发展以及未来的学科选取和职业规划。课程知识涉及澳大利亚科学课程标准中的“自然科学”“设计与技术”，例如“通过不同介质的能量传递可以用波动和粒子模型来解释”，能够帮助学生掌握电和磁等物质科学方面的知识。课程活动能够达到澳大利亚科学课程标准中“设计与技术”所要求的“通过选择和组合材料、系统、组件、工具和设备的特性，思考设计解决方案的方法”。课程通过形成性和终结性评价，帮助学生了解到与他们生活息息相关的现象背后的科学知识的同时，培养学生的反思和创造能力，与澳大利亚科学课程标准注重评估的导向相一致。

5 国外优秀博物馆STEAM 课程案例对我国的启示

5.1 创设综合真实情境

本文所介绍的博物馆课程案例，从天气测量工具的制作、起重机的制造、水过滤器的设计到火花实验室的探索与互动，都与学生的日常生活和所见到、听到的生产实践紧密相关。以这样的背景和主题为切入点，不仅可以吸引学生的注意力，而且可以使学生主动地与实际生活相联系，将知识运用于实践中，体会到最真实的成就感，而不是纸上谈兵，造成教育内容与现实生活相脱节。

5.2 突出学科核心概念

本文所介绍的案例都是以美国和澳大利亚科学课程标准中的“物质及其相互作用”“能量”“规模与测量”等学科核心概念为基础进行开发设计。学科核心概念是贯穿整个课程的重要概念，是联系其他概念的重要基础和支点。例如昆士兰博物馆让学生探索身边的小环境、所处的大环境以及地球和宇宙的运行规律，从而理解物质以及相互作用，并在与科技设备互动、动手设计制作发声器的过程中理解能量等学科核心概念，打通知识到素养的通道。

5.3 融合跨学科概念

本文所介绍的课程案例都能将数学、物质科学、地球与宇宙等学科的知识融合起来，帮助学生理解“尺度、比例和数量”“结构与功能”“物质与能量”等跨学科概念。例如天气测量工具的制作中在数学方面包含数量单位和数量之间的关系，物理方面有物理量和影响物理量变化的因素；水过滤器的制作中在地球科学方面有保护地球环境的因素，在物理方面涉及体积、材质种类和水渗透的因素；起重机的制造中数学方面有倍数的概念及应用，物理方面有杠杆的原理、操作及其应用。通过融合跨学科概念，培养学生的创新思维。

5.4 注重科学与工程实践

博物馆课程的实施不应该是由教师讲授，而是由学生自己观察、思考、实践，教师只提供材料和工具以及引导和提示。通过体验“提出及界定问题”“开发与使用模型”“构建和设计解决方案”“获得、评价和交流信息”等科学与工程实践的过程，培养学生的科学与工程思维，让学生能像科学家一样去研究，像工程师一样去设计制造系统。这也有助于教师直观地了解学生的理解和掌握程度，帮助教学评价，不断改进教学。

6 结语

当前，我国科技场馆在硬件方面上已经具备一定规模，但在软件方面与发达国家仍存在较大差距，尤其在科技场馆课程的开发和实施、场馆教育人员的专业化培养和培训、场馆与中小学校的有效衔接等方面亟待改进和提升。《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035 年）》从整个社会的角度为科普事业的发展绘制了蓝图，“双减” 政策的提出也为校外科学教育事业创造了新的契机。希望在新的发展时期，我国科技场馆在硬件、软件两方面能够齐头并进，共同助力科普教育事业腾飞。