专题｜思考与实践：科技博物馆教育活动中的“核心概念”

作者： 朱幼文（ 中国科技馆研究员）

将“核心概念”作为科学教育的目标和重要内容，是当代科学教育发展的重要趋势之一。我国科普界和科技博物馆较早关注到这一趋势，《自然科学博物馆研究》杂志自2016年创办以来陆续发表了20多篇讨论和运用“核心概念”（包括与“核心概念”相近的“大概念”）的论文和教案，对于什么是“核心概念”、为什么要在科学教育中引入“核心概念”、如何围绕“核心概念”设计教育活动，既有理论上的认识，也有实践上的运用。但是，目前这些认识与实践尚局限于部分科技博物馆的部分教育人员。为了更好地理解并将“核心概念”贯穿于教育实践，笔者根据自己的所见所闻和粗浅理解，将这些理论认识和实践体会的凤毛麟角汇集于此，与业界同仁分享。

（一）什么是“核心概念”

科学教育中的“核心概念”，一般是指美国《新一代科学教育标准》和中国《义务教育科学课程标准》（简称《科学课标》）中的“学科核心概念”与“跨学科概念”，并与国际科学教育联盟2009年提出的科学“大概念”意义基本相同。

2011年，美国国家研究理事会（National Research Council, NRC）发布的《K12科学教育框架：实践、跨学科概念和学科核心概念》报告（以下简称《K12框架》）提出了“学科核心概念” （Core Ideas）指各门学科中非常重要的关键性概念，“跨学科概念”（Crosscutting Concepts）是指那些能应用于所有科学与工程领域的通用概念，它们能为理解或研究更复杂的概念和解决问题提供工具与支持。 中国2022年版《义务教育科学课程标准》中“学科核心概念”与美国《新一代科学教育标准》基本相同，但“跨学科概念”有一定区别。

在美国科学教育改革的纲领性指导文件“2061计划”中对“跨学科概念”有如下描述：在科学、数学和技术领域中反复出现一些重要的概念，这些概念超出学科的界限，在说明事物、创造理论以及观察和设计时发挥着重要的作用。NRC认为，“跨学科概念”普遍适用于科学领域（包括物质科学、生命科学、地球和宇宙科学）和技术工程领域，跨越了多个学科的界限，又将它们联系为统一体，是一种能够反映科学本身的上位思维方式或工具。“跨学科概念”能体现不同学科之间的联系及共同思维方式。美国的“跨学科概念”包括七类，即“模式”“原因和结果（机制和解释）”“尺度、比例和数量”“系统与系统模型”“能量与物质”“结构与功能”“稳定与变化”，并且在“模式”“原因和结果（机制和解释）”中包含了一些作为“上位思维方式或工具”的科学方法、科学思想（这里的“科学思想”包括科学态度、科学精神、科学价值观和对于科技与社会关系、人与自然关系的认识，下同）的内容，如事物之间的联系和影响因素、因果关系、预测与实证等。在国际科学教育联盟提出的科学“大概念”中，同样包含有科学方法、科学思想的内容。

中国2022年《义务教育科学课程标准》中的“跨学科概念”仅有四类，即“物质与能量”“结构与功能”“系统与模型”“稳定与变化”（见表1），基本属于跨学科的科学知识内容，未将“上位思维方式或工具”的科学方法、科学思想。我们在使用“跨学科概念”这一名词时需要注意上述区别。

为了将 科学方法、科学思想也纳入 “核心概念”的范畴，笔者将科学的“核心概念”区分为“科学知识层面的核心概念”和“科学文化层面的核心概念”。

1. 科学知识层面的核心概念

科学知识层面的核心概念包括“学科核心概念”和“跨学科概念”（指中国《义务教育科学课程标准》的“跨学科概念”，下同）。

美国教育学家威金斯对于“学科核心概念”的解释是：贯穿本学科的具有持久价值的概念、原理以及利于学生理解学习内容的关键思想，它们如同学科的主干，贯穿于学科之中，连接着学科内部知识。各个学科均有自己的核心概念，比如力学的“力作用于物体，可以改变物体的形态和运动状态”，生命科学的“生物体结构与功能的统一，生物体与环境的统一并不断进化”等（见表1）。

中国《义务教育科学课程标准》中并未对“跨学科概念”进行定义和解释，而中国学者在解读“跨学科概念”时，将其表述为“超出学科界限的共通性知识”，“是科学知识结构中的基本要点”。上述表述均将“跨学科概念”界定为科学知识层面的概念， 是通用于天、地、生、数、理、化等自然科学与工程技术领域的知识概念，是构建整个科学知识体系的关键知识，它们如同科学知识体系的主干与框架，适用于自然科学与工程技术的各个领域。

2. 科学文化层面的核心概念

所谓科学文化，是指有关科学的观念模式、价值模式、行为模式和制度模式，既包括态度、信念、价值观、行为规范和人们普遍持有的见解等，也包括与之相适应的体制和制度。科学文化约束并潜移默化地影响着人的科学素质和心理、行为，对人类的社会活动有着深刻和内在的影响。因此，科学方法和科学思想均属于科学文化的范畴。

科学文化层面的核心概念包括科学方法、科学思想的核心概念，如科学方法中的“控制变量”“理想模型”等，科学思想中的“求真”“理性思辨”“实证”等（见表1）。它不仅适用于自然科学与工程技术的各个学科领域，而且适用于个人发展和社会生活。

（二）“核心概念”在科学教育中的作用

当代国内外科学教育、科学普及和科技博物馆教育有一个共同趋势：教育和传播的重点不再是科学知识，越来越重视科学方法、科学思想。比如：

1990年前后，美国发布的“2061计划”系列文件中提出：不仅要学习科学家科学探究的结论（含科学原理等科学知识），还要学习掌握科学家科学探究的方法、态度、世界观。

2000年前后，中国科普界提出，不仅要普及科学知识，还要弘扬科学精神，传播科学思想和科学方法，即“四科”。

2001年，英国博物馆、图书馆和档案馆委员会（MLA）提出了“通用学习成果框架”，将学习效果分为五个维度：知识与理解；技能；态度与价值观；乐趣、灵感、创造力；活动、行为、进步。

2009年，NRC针对博物馆学习提出了“非正式科学学习成果的六大类别”：发展科学兴趣；理解科学知识；从事科学推理；反思科学；参与科学实践；认同科学事业。

2001年，中国教育部颁布《3-6年级科学课程标准（实验稿）》，提出了“科学知识，科学探究，情感态度与价值观” 三维课程目标 ；2011年，中国教育部颁布《初中科学课程标准》，提出了“科学知识，科学探究，科学态度情感与价值观，科学、技术、社会与环境” 四维课程目标 ；2017年，中国教育部颁布《小学科学课程标准》，其四维课程目标是“科学知识，科学探究，科学态度，科学、技术、社会与环境”；2022年，中国教育部颁布《义务教育科学课程标准》，提出了新的四维课程目标“科学观念，科学思维，探究实践，态度责任”。

NRC和MLA提出的“学习成果”也可看作教育目标。上述国内外不同领域不约而同的教育/传播目标变化并非偶然。传播和培育科学方法、科学思想，提升公民的全面科学素质，既是时代、社会、国家对于科学教育、科学普及、科技博物馆的共同要求，也是当前科学教育、科学普及、科技博物馆自身发展的需要。因此，教育界、科普界、博物馆界作出了共同的选择。

每个人的科学方法、科学思想以及科学知识体系，是由一系列具体的科学文化层面、科学知识层面的“核心概念”组成的。科学文化层面的“核心概念”如同整体科学素养和科学知识体系大厦的“奠基石”，科学知识层面的“核心概念”则如同科学知识体系大厦的“梁”和“柱”，而一般知识点相当于科学知识体系大厦中的“砖”和“瓦”。因此，构建完整的科学知识体系，培养全面科学素养，必须重视“核心概念”的传播和构建。

（三）“核心概念”在科技博物馆中的作用

首先，科技博物馆不论是作为科学教育和科普机构，还是作为博物馆，既要顺应上述科学教育、科学普及、博物馆的共同发展趋势，更要响应时代、社会、国家的要求，重视“核心概念”的传播，引导观众构建完整的科学知识体系、养成全面的科学素养。

其次，近年来各地科技博物馆开发了许多名为“主题展览”和“主题教育活动”的项目，其“主题”从何而来？是不是真正的“主题”？其“主题”是否提升了展览和教育活动的内涵和效果？根据《现代汉语词典》中的解释：所谓主题，是作品中所表现的中心思想，是作品思想内容的核心。中国科技馆研究员王恒指出：科技博物馆的展览都是表现一定的科学内容，因此展览也应该是由一系列相关的科学概念组成，并由概念形成主题。也就是说，如果科普展览中没有科学的“核心概念”作为中心思想，就没有真正的“展览主题”，当然也就不是真正的“主题展览”。教育活动项目也是如此。拥有并围绕“核心概念”设计的展览或教育活动，与没有“核心概念”的展览或教育活动相比，无疑将深化展示教育内涵，提升展示教育效果。

第三，通过“核心概念”，可将展览和教育活动中原本“散装”的“知识拼盘”，变得有“主题”、有“灵魂”。 精准地提炼“核心概念”、围绕“核心概念”组织展示或教学内容、通过展示方式和教学方法有效地表达“核心概念”，既是对展览和教育活动设计的挑战，也是展览和教育活动设计能力与水平提升的途径和标志之一。

（四）科技博物馆传播“核心概念”的资源与优势

科技博物馆中最大的科学教育资源是自然标本、实验装置、工业器材等实物藏品或以这些实物为原型研发的展品。这些实物或原型曾是科学家、工程师科学探究（科学考察、科学实验）的对象、工具或成果。科学家、工程师正是在基于这些实物或原型的科学探究中，完成了科学发现或技术发明。这些展品、藏品不仅包含科学原理和更上位的科学知识层面“核心概念”信息，还记录了当初科学家、工程师在基于这些实物或原型的科学探究过程中运用科学方法、科学思想的信息，即科学文化层面的“核心概念”。

作为教育资源的科技博物馆展品和藏品，不仅承载了“核心概念”的信息，还具有其独特性。这些实物性展品和藏品，自身并未标有说明其原理、知识的“符号”（文字、数字等），其教育信息是以某种“现象”（形态、成分、反应、运动状态等）的形式呈现给观众，而且是尚处于科学探究“进行时”的信息。观众在观赏、操作这些实物时，“体验”（视觉、听觉、嗅觉、触觉）感知的是“现象”和“进行时”信息，需要比阅读教科书更多的观察、体验、分析、思考乃至进一步的探究过程，才能发现和理解这些信息，通过获得“直接经验”实现科学认知。这与学校中学生以阅读、聆听教科书或黑板上以“符号”记录的“完成时”信息获得“间接经验”存在明显差异（见图1）。二者的认知方式有很大不同，并为科技博物馆的“核心概念”教学方式、教学效果带来了机遇和挑战，并可能形成重要的优势。

既然“核心概念”如此重要，如果要将它贯彻于教育活动之中，就要了解如何提炼“核心概念”，从哪里找到对于具体教育活动适用的“核心概念”。

（一）根据教育活动的内容、方法和教学对象，从《科学课标》中选取核心概念

上海自然博物馆教案《鸟类是如何适应飞行的？》，针对鸟类展品和初中课程中的生命科学内容，以“鸟类适应飞行的形态结构、生理构造”为主题，对比不同鸟类躯体、翅膀、羽毛的不同形态、结构，探究其不同的飞行性能。其中的学科核心概念是“生物体结构与功能的统一”。

山西科技馆教案《“科学有曰”之激情世界杯》，通过探究球星精湛球技背后的伯努利原理和马格努斯效应，传递的学科核心概念是“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”。

山西科技馆教案《“科学有曰”之再现经典——比萨斜塔实验》，围绕驱动性问题“不同质量的小球谁先落地”，通过多轮分析、讨论、争辩和反复实验的环节，学生们经历思维探究与实验探究过程。其中的学科核心概念是“力作用于物体，可以改变物体的形态和运动状态”；科学方法的核心概念是有依据、有逻辑的分析推理，通过实验收集证据，基于证据和推理作出判断，控制变量实验法；科学思想的核心概念是求真、质疑、理性思辨、实证。

上述教案的核心概念，均可在《科学课标》中找到。开发教育活动时，设计者不宜先入为主地锁定某个“核心概念”，而应根据教育活动的具体内容和方法，结合教学对象已学知识、生活经验、认知能力的具体情况，从《科学课标》中选取合适的核心概念。否则，一是“核心概念”可能成为“穿靴戴帽”的“空头概念”，难以在教育活动中落实；二是超越了教学对象的知识水平和认知能力，使“核心概念”难以被真正理解。

（二）从科技探索故事中提炼“核心概念”

辽宁科技馆教案《牛顿“说”：末日下的奇迹年》，所采用的三件展品均是以牛顿1666年三项重要科学成果为原型，并挖掘出了展品背后牛顿科学探究的过程：棱镜分光——牛顿用实验颠覆前人“七色光由棱镜赋予”的假说，发现日光七色光谱；惯性定律——牛顿通过实验发展和完善了伽利略的理论；万有引力定律——牛顿提出理论，被后人的天文观测所验证。其传播的核心概念是以“实证”为核心的科学认识论、方法论、价值观。

合肥科技馆教案《趣味科学课之“科学有道”》中，在介绍汤姆逊发现电子、卢瑟福发现原子核、玻尔运用量子论解释原子结构、海森堡创立量子力学矩阵力学方程的知识和故事的同时，讲述了这四位荣获诺贝尔奖的科学家既是四代师生、又都是学生改进甚至颠覆了老师的理论或假说的故事，生动诠释了“吾爱吾师，吾更爱真理”这一科学精神，其核心概念是“求真”。

《牛顿“说”：末日下的奇迹年》和《趣味科学课之“科学有道”》之所以能够鲜活地表现科学思想，在于研发者深入研究了科技史中和展品背后的科学家科学探索过程的素材，从中挖掘出了深刻的科学思想内涵，提炼出了鲜明的“核心概念”和主题。

许多科学知识（包括学科核心概念、跨学科概念）可以通过具体、具象的实物和科学现象让观众观察、体验，从而获得认知。但科学方法、科学思想这些科学文化层面的核心概念比较抽象，没有具体的实物形象和科学现象，如何让观众体验和认知？如果仅是通过语言和文字的说教，固然可能让学习者从字面上理解甚至背诵这些名词和概念，但他们是否能够真正将其领悟并“内化”，则不得而知。根据近年来各地科技博物馆的实践经验，证明科学探究实践与“讲故事”是传播“核心概念”的有效策略。

（一）科学探究实践的策略

如前文所述，《鸟类是如何适应飞行的？》教案依据展览中的鸟类展品和初中课程中的生命科学内容，引导观众对比不同鸟类身体的不同形态、结构，探究其飞行性能，从中发现学科核心概念“生物体结构与功能的统一”。而《“科学有曰”之激情世界杯》教案则引导观众通过多项实验的科学探究过程，发现其中的科学原理，理解其中力学的学科核心概念“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”。 这两个教案有一个共同特点：让学生像科学家一样进行科学考察和科学实验。

《科学课标》提出科学课程的目标之一就是让学生“掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力”，包括基本的思维方法及其在科学领域的具体应用，初步的模型理解和模型建构能力、推理与论证能力、创新思维能力等，让学生能够像科学家一样思考。科学课程的目标还包括让学生“掌握基本的科学方法，具有初步的探究实践能力”，在掌握观察、实验、测量、推理、解释等基本的科学方法基础上，形成科学探究的意识，具有初步的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力，让学生能够像科学家一样实践。这些目标循序渐进地体现在每个学段的具体目标中，并在不同的学段有不同的标准与要求。

如前所述，科技博物馆中的展品、藏品及其原型，曾是科学家、工程师科学探究的对象、工具或成果，科学家、工程师通过观察这些实物或原型的现象获得了科学发现，这种从实践中得来的知识被称为“直接经验”。 而且，科学家、工程师在科学探究的过程中运用了科学方法、体现了科学思想。 科技博物馆通过展品设计、教学设计，将上述“科学家以科研为目的的科学探究实践”转化为“观众以学习为目的的科学探究实践”，就可以引导观众观察、体验和探究其中的“现象”，像科学家一样获得“直接经验”，实现科学认知。 这不就是“像科学家探究科学一样学习科学”吗？ 而且观众不仅可以学到“科学家科学探究的结果”，还可以在这一过程中感悟和掌握“科学家科学探究的方法、态度和世界观”。 由此可见，“像科学家探究科学一样学习科学”不仅是探究式学习的灵魂，而且是学习掌握“核心概念”（特别是科学文化层面核心概念）的有效途径。 《“科学有曰”之再现经典——比萨斜塔实验》教案的教学重点是求真、质疑、思辨、归纳、实证等科学思想，有依据有逻辑的理性思辨、收集证据、记录与分析实验数据、控制变量等科学方法。 该教案引导学生进行多轮分析讨论、设计和实施实验，根据实验结果再分析讨论、再设计和实施实验，并将抽象概念融入具体的事物、过程、现象之中。 学生们在科学思维、探究实践的过程中获得了直接经验，感悟科学思想，掌握科学方法。 值得注意的是，该教案充分考虑了教学对象的已学知识、生活经验和认知能力的具体情况，进行了非常有针对性的特殊教学设计，引导学生通过“质疑→思辨→实证”的探究实践过程，完成了对抽象概念的认知。

东南大学叶兆宁教授设计的STEM教案《我的小船》中，也巧妙地设计了探究实践过程：

1. 要求学生通过对图片、视频、模型的观察，发表自己对于船的认识，并倾听其他同学的发表（“问题→判断”）；

2. 组织学生到江河湖海去看真实的船，再次发表和讨论船的基本特征、用途、造船材料特性等的认识（“验证→再判断”）；