作者：叶兆宁（东南大学生物科学与医学工程学院副教授）；杨冠楠（山东省科学技术宣传馆副馆长）；周建中（中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心副主任）
欢迎转载，须注明作者与来源（《自然科学博物馆研究》2019年第5期）
【摘要】
近年来，以科技博物馆自身资源为依托开展的科学教育活动备受关注，其中以
STEM
教育为主题的馆校结合活动与日俱增，但其活动质量也出现良莠不齐的状态。笔者认为馆校结合的
STEM
主题活动在设计和实施上都需要符合当前科学教育领域中提倡的围绕“大概念”开展教学的教育理念。本文讨论了如何对
STEM
主题活动中的“大概念”进行解析，活动教学设计中的“大概念”体现在哪里，以及如何将科技博物馆资源融入活动设计中三个核心问题，并以山东科技馆馆校结合
STEM
主题活动的设计为例进行案例分析。
【关键词】
科技博物馆；馆校结合；
STEM
；大概念；活动设计
“教育、研究、收藏”是科技博物馆所承载的三大功能，且科技博物馆是常见的非正式学习环境，因此其“教育”功能在这三大功能中具有核心位置。近年来，以科技博物馆自身资源为依托开展的各种科学教育活动在科技博物馆行业越来越多地涌现出来，成为令人关注的动向。而随着
STEM
教育与创客教育的盛行，结合科技博物馆教育资源，将
STEM
主题活动运用于馆校结合的科技博物馆教育活动也与日俱增。
在科技博物馆馆校结合项目中开展
STEM
主题活动有着得天独厚的优势，不仅可以有效弥补学校内实践活动缺乏、班容量大、科学探究机会少等不足；还能充分利用科技博物馆的特色资源，结合科技博物馆的展品，为青少年搭建起有效的与学校课堂完全不同的科学学习平台，激发学生的学习兴趣，并达成提高学生综合素质的教育目标。但由于
STEM
教育兴起时间不长，其教育理念、教学模式与方法尚未得到充分认识，使得如何在非正式学习环境下设计和实施
STEM
主题活动、并能使之与学校教育紧密相连这一难题成为新的研究热点。
重新审视科学教育领域的发展，近年来也有较大突破。国际科学院联盟的科学教育项目组（
IAP SEP
）在其
2010
年和
2015
年出版的《科学教育的原则与大概念》及《以大概念理念进行科学教育》中均指出：科学教育不应给学生传授零碎、不连贯的知识片段或是堆砌的科学定律，而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。再者，随着美国《新一代科学教育标准》（
2013
）、中国《小学科学课程标准》（
2017
）的颁布和实施，围绕“大概念”开展科学教育以及将工程教育与科学教育结合逐步演变为目前科学教育的前沿和新理念。本文将结合笔者与山东科技馆共同开展的馆校结合
STEM
主题活动设计项目中的实例，分析在“大概念”理念下设计科技博物馆
STEM
主题活动的策略与方法。
一、“大概念”下STEM主题活动的内涵与特征
（一）
何为“大概念”？
“大概念”即
Big ideas
，国际科学院联盟科学教育项目发布的《科学教育的原则与大概念》（
2010
）中指出能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念被定义为大概念，这些大概念是有组织、有结构的科学知识和模型。大概念对于学生理解所观察到的自然界以及依据科学知识参与哪些影响自己和他人生活质量的决策都是十分必要的。近
10
年来，概念学习对儿童发展的重要性已经得到了神经科学、认知科学、学习科学等各方研究的证实。就学习方法而言，以大概念进行科学教育还强调整个基础教育阶段的科学学习过程是不可分割的，是趋向于整体目标不断上升的建构过程。学生从小开始就应该学习如何从周围的现象中抓住体现现象本质的问题进行探索，学习如何提出问题，如何寻找解决问题的思路和方法，由易到难，由浅入深。
（二）
基于“大概念”的
STEM
主题活动的内涵与特征
从字面上理解的
STEM
教育看似是科学、技术、工程与数学教育的统称，但实则
STEM
教育并非简单的学科组合或整合，而是强调以解决实际问题为目标的四个领域或更多领域之间有目的、有方法、有系统的整合与集成，达成在
STEM
素养、
21
世纪技能、
STEM
的工作愿景、兴趣和参与性、链接
STEM
学科的能力等多维度的教育目标。由此，不难理解“大概念”下的
STEM
主题活动包括以下的内涵与特征：
1.
“大概念”是
STEM
主题活动的教育目标之一
综合发展学生的科学、技术、工程与数学各个领域的素养是
STEM
教育的首要目标。对于每个领域而言，其素养均包含多个维度。如我国《全民科学素质行动计划纲要》中对科学素养的定义是：公民具备基本科学素质一般指了解必要的科学技术知识，掌握基本的科学方法，树立科学思想，崇尚科学精神，并具有一定的应用它们处理实际问题、参与公共事务的能力。在这些维度中科学技术知识、科学方法、科学思想、科学精神均表征着科学领域中的重要科学概念，同时每个学科领域的核心素养都会涉及该领域中重要的学科核心概念。所以“大概念”是
STEM
主题活动的教育目标之一。
2.
在解决真实问题的过程中理解和运用“大概念”是
STEM
主题活动的必然要求
STEM
主题活动往往会从生活中的真实问题出发，在探究和实践中给学生提供发现问题和解决问题的机会。这时学生会发现解决生活问题常常要用到技术与工程的方法，但在技术与工程背后是科学概念与数学原理的运用。要想更快更好的解决问题，就需要理解各个领域中的概念与知识，再将其合理地运用和迁移到实际问题中。因而在解决真实问题的过程中理解和运用“大概念”成为
STEM
主题活动的必然要求。
3.
“大概念”是促进学生思维发展的有效载体之一
STEM
主题活动的本质是学生学习的一个历程，是一个教育过程，它不同于真实的科学研究或工程实践。学生的发展与进步是衡量这一教育过程成效的唯一指标。因而
STEM
主题活动不是游戏，也不是让学生自由经历的过程，而是要达成促进学生思维和能力发展的过程。关注学生对概念的理解和运用，尤其是在运用概念的过程中能有效的促进学生的思考，达成教育的目的。
（三）
将“大概念”理念作为
STEM
教育的根本
综上所述，无论是科学教育还是
STEM
教育，围绕“大概念”理念开展教学都非常必要。“大概念”理念明确了各领域的核心概念、有关科学的概念和跨学科概念，这些概念帮助教师超越教材、超越活动的表象，直达教育的根本，了解教育的深远目标；更好地防止在教学中由于对“碎片知识”的关注而导致的“只见树木不见森林”（不能形成对事物的整体认识、不能达成认知的迁移和运用）和“有形无神”（只看到对知识的认知，而忽视和缺乏对科学精神、科学思想和科学方法的理解与培育）。可以说，遵循“大概念”理念是
STEM
教育的根本，是
STEM
教育不可缺少的基础与前提。
二、基于“大概念”的馆校结合STEM主题活动的设计方法与实例分析
“基于‘大概念’的馆校结合
STEM
主题活动”中包含三个关键词：大概念、馆校结合和
STEM
主题活动。在理清了“大概念”与
STEM
主题活动的关系之后，接下来需要思考的是馆校结合在其中所处的位置和作用是什么。馆校结合是在科技博物馆发展过程中，随着社会和学校教育的需求而衍生出的教育途径。它需要满足来自教师、学生和科技博物馆各方实现教育目标及自身发展上的需求。朱幼文对馆校结合项目的需求与特征进行了分析，总结出这三方需求的三个契合点，分别是：
1.
把提高学生的科学素质与学习成绩结合起来，以满足教师“辅助课堂教学”的需求。
2.
把课程标准与科技博物馆教育资源结合起来，既吻合学校教学内容，又提供学校稀缺的教育资源，解决教师为何要组织学生来科技博物馆学习的问题。
3.
科技博物馆的学习方式要明显区别于课堂教学。
以上三点形成馆校结合项目在教学目标、教学内容和教学形式上的“合而不同”（既有吻合，又有差异）的基本原则
[9]
。从这些原则中不难看出，教学目标和教学内容二者可与“大概念”相联系，而教学内容与教学形式二者又都可与“
STEM
主题活动”相挂钩。可以说，基于“大概念”的馆校结合
STEM
主题活动符合馆校结合项目的需求与特征。
那么，基于“大概念”的馆校结合
STEM
主题活动该如何设计呢？首先需要解决的就是明确有哪些具体的“大概念”。我国现行的义务教育课程标准，尤其是《小学科学课程标准》阐述了各领域的“主要概念”，以及构建这些“主要概念”必须掌握的学习内容，这些都是“大概念”理念的细化和明晰体现，也是进行活动设计的重要依据。以下以山东科技馆馆校结合项目“云霄飞车”为例（见图
1
），解析在基于“大概念”的馆校结合
STEM
活动设计中需要解决的三大核心问题，以及可采取的策略。
（一）
问题一：如何对
STEM
主题活动中的“大概念”进行解析？
对“大概念”进行解析，是在
STEM
主题活动选题初期就需要解决的问题。再结合对学生学情的分析，就可以分清针对特定对象时该主题所涉及的概念内容以及概念间的关联，以及这些概念所指向的“大概念”。
“云霄飞车”是山东科技馆馆校结合
STEM
主题活动中面向初中生的一个主题。之所以选择该主题，不仅因为过山车是学生常见且感兴趣的话题，更重要的是因为云霄飞车的运动包含了许多与学校教育相关的科学原理，尤其是初中物理课程中的重要概念与原理。因此，解析该主题活动中的概念最恰当的方式是将主题中涉及的学习内容与初中物理的课程标准相对应，找出其中相关联之处（见表
1
）。
表
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反应出该主题活动在过山车的运行原理部分涉及的一级主题包括“运动与相互作用”和“能量”，以及相关的二级主题的学习内容要求。这些内容正是初中物理的重点与难点。可见，通过对课程标准与主题活动内容的对照和解析，可以找到主题活动的重点指向该是什么，同时也能说明主题活动选题的必要性。
由于
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主题面对的是实际生活中的问题，其复杂性决定了
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活动所包含的内容都不单一，且能进行多角度的延伸和拓展。那么在众多角度中找到合理的、能切实帮助学生发展的学习内容尤为重要。此时，对所涉及到的“大概念”以及课程标准进行分析和比对，能帮助开发者选择出对该年段学生最为重要的学习内容，以确定主题活动的教学目标。
