专栏名称: 自然科学博物馆研究

《自然科学博物馆研究》是由中国科学技术协会主管，中国自然科学博物馆协会、科学普及出版社与中国科学技术馆联合主办的学术期刊，旨在促进自然科学博物馆行业的学术交流。

专题｜神经教育学视角下的科技馆儿童科普展览设计

自然科学博物馆研究 · 公众号 · · 2021-06-02 15:59

正文

【摘要】 本文简述神经教育学这一新兴交叉学科的发展和成果，着重介绍其对儿童发展阶段、科学概念形成、社会情绪能力发展等方面的实证研究成果，并借鉴神经教育学的视角，对中国科技馆“儿童科学乐园”展厅策划设计进行总结，结合教育学理论、科学教育实践、场馆运营经验等方面对比思考，从教育目标、受众分析、设计原则、内容规划、展品设计等环节梳理儿童科普展览设计的工作方法，提出设置合理教育目标、围绕科学大概念规划展示内容、鼓励尝试探索和及时反馈的互动形式、将家长作为重要受众群体等设计方法。

【关键词】 科技馆；展览设计；神经教育学；儿童科学乐园

儿童是科学普及工作的主要对象之一，也是科技馆的主要观众群体。以互动展品、活动为主的儿童科普展厅，创设符合儿童特色的展示环境，发挥科技馆的科学性、互动性、趣味性等特长来设计展品；着力为儿童打下科学启蒙的基础，又为儿童的全面成长创造条件；既吸收儿童教育和儿童心理研究成果，也同步于国内科学课程改革的政策指引。中国科技馆新馆“儿童科学乐园”展厅总面积 3900 ㎡，自 2009 年开馆至 2018 年封闭改造的 9 年中接待观众超过 745 万人，可见观众对儿童展厅的喜爱。近年来，随着社会生活水平提高和家长对儿童社会活动的重视，商业机构开办的大型儿童早教中心、游乐场所、职业体验馆等蓬勃发展，其中有些机构也借鉴了一些科技馆儿童展览的互动体验形式；各类综合或专业博物馆开始转变单一的静态陈列方式，陆续开辟了适合学龄前儿童的专门活动区；老牛基金会等社会公益组织也引进美国儿童博物馆教育理念和运作模式，建成了老牛儿童探索馆等综合性儿童博物馆。各类儿童活动场所的快速发展，既给科技馆带来了压力和挑战，更带来了新的启发。

中国科技馆“儿童科学乐园”展厅 2019 年 6 月完成更新改造后全新亮相，在新展厅设计过程中，项目组参考教育部发布的相关规范指导文件，充分吸纳神经教育学等先进的科学教育研究成果，遵从儿童身心发展规律，鼓励儿童进行探究式学习，力求让儿童在快乐参与过程中获得直接经验，实现动手、动脑和动情，发展和保持对周围世界的好奇心和对科学活动的热爱，促进儿童科学素养的形成，提高儿童的创造能力和实践能力，培养使儿童终生受益的决策能力。

一、来自神经教育学的启示

传统的教育学领域主要对学习进行思辨性的讨论，较少用科学的方法来收集数据，而目前人类学习科学的研究在整合认知心理学、教学设计、计算机信息技术与智能系统的研究方面取得了一些进展，将脑功能、脑结构与行为的研究相结合，因此神经学与教育学的结合构成了当前国际教育研究的重要议题之一。 1986 年出版的《脑、认知与教育》一书（ Friedman ， Klivington ， and Peterson ， 1986 ），第一次将脑科学、认知科学与教育学这三个领域整合在一起，体现出“心智、脑与教育”这个新兴研究领域的核心思想。从因“材”施教的教育实践逐步向因“脑”施教的方向发展，不只考虑受教育者的个体差异，更进一步精确到个体当前阶段的认识能力、情绪水平、行为模式等特征的量化评价，并以之为指导提供与受教育者的个性特征和发展阶段相适应的教育服务产品。

2017 年 4 月，中国认知科学学会神经教育学分会在南京成立，代表了我国神经教育学发展的新阶段。 2017 年 6 月召开的“教育研究：目标、对象、方法及其特殊性”国际会议上，多位专家探讨了国际教育研究和本国教育实践的进展。韦钰认为，信息时代的到来导致了知识与社会各个方面的关系日益密切，也催生了以应用为目的和效果的“转化学科”的产生，神经教育学就是这样的新兴学科。神经教育学以神经科学、心理科学和认知科学为理论基础，运用生物医学工程和神经信息工程的手段，进入教学实践，从而达到教学目的；研究方法以实证为基础，采用统一的科学概念和模型体系；研究的问题来源于教育实践，其研究目的在于推进教育实践，接受教育实践成效的检验，从而对教育政策的制定、教学改革和教师培养、人的智能发展与评测等产生深远影响。周加仙认为，教育神经科学已经成为了教育研究的新前沿话题，它将神经科学、心理学和教育学整合起来，将学习者的外在行为表现、内在心理过程和内在生理机制统一起来，实现对完整人的研究和培养。

（一）教育促进儿童脑的建构

儿童在出生时脑的体积大致为成人脑的 50% ，到 5 岁左右已经增加到成人脑的 90% 。婴儿出生之后，大脑每分钟会产生近 200 万个突触，这些突触的连接最初是杂乱的；在以后的发育过程中，不同区域的突触会在不同的时间里被剪除，这个剪除的过程是神经元连接优化的过程。

按照皮亚杰对儿童认知发展过程的划分， 2~7 岁为前运算阶段，然后进入具体运算阶段，这个阶段正处在由近及远、由表及里、由片面到全面、由浅入深、由绝对到相对的认知发展过程中。这个过程建构的过程即神经突触联结和剪除的过程，并不是像皮亚杰最初所认为的自发、自主、不可干预的，而是受先天基因和后天环境的共同影响，如果外部的环境不提供合适的刺激，他们就会失去发展的机遇。

（二）科学概念形成的神经基础

学习的基础是长期记忆的形成，科学家已经发现了长期记忆形成的分子机理。脑在受到刺激后会发生一系列蛋白溢出弥散、加固突触的复杂过程，脑中的记忆是在不断建构的，神经回路和功能系统也在不断重构。这个建构过程和外界的刺激以及获得的经验有关，同时又是连续的，学习新的知识是在原有记忆的基础上进行的，因此在儿童科学教育中强调要从儿童原有的初始概念出发。

Dunbar 用脑科学的实验证明了早期学习的重要性，让电脑的屏幕依次显示不同物体的自由下落过程，要求受试者按下按钮判断两个球下落的速度是否一样，同时用功能核磁共振脑成像仪对受试者的脑部进行实时成像，根据受试者不同脑区的激活状态，判断是否发生了认知冲突。实验结果显示，成年人在没有接受严谨的科学教育时，仍然持有伽利略以前的关于自由落体运动的错误概念。物理系大学生虽然已经接受了有关自由落体的正确概念，但他们在看到错误的图像时，内侧前额皮层也是被激活的，说明认知冲突仍然存在。根据实验结果， Dunbar 提出了一种新的观点，认为物理系的学生虽然建立了新的正确的科学概念，但实验显示他们的知识并没有重构，而是在接受了新的知识、激活正确的概念以后，抑制了他们原来的前概念。这和目前在教育界流行的维果斯基社会建构主义的结论并不完全一致。建构主义的教学理论认为，在接受了新的教育以后，学生的科学概念是被重新建构了。

这些结果对教育有什么意义呢？首先我们知道了，在学生学习新的科学概念的过程中，有脑中发生的生物过程相伴。而脑中存在的抑制机制造成了学生接受新概念的困难。其次，学生在某些方面具有的前概念始终不会完全消失，即使在他们接受了良好的教育，了解了新的正确概念以后，这些旧的错误概念只是被抑制了，而不是被消灭了，原有的知识并没有被重构。因此，应该在儿童具备认知能力的阶段，尽早对儿童进行科学教育，帮助他们建立正确的科学概念。

（三）社会情绪能力的培养

脑科学研究揭示，人的心智至少包括认知、情绪和决策，它们之间是相互联系、相互影响、密不可分的。良好的情感、社会能力和认知能力共同组成人才发展基础，当前社会比以往更强调沟通协作，儿童社会性发展的重要性丝毫不亚于思维的发展。“社会性和情绪能力养成（ Social and Emotional Aspects of Learning ， SEAL ）”，是由国际机构“促进社会情绪能力学习合作组织（ the Collaborating to Advance Social and Emotional Learning, 简称 CASEL ）”于 1994 年正式定义。社会情绪能力主要包括：正确地评估自己、调节自己的情感、激励自己、能了解别人的情感、善于处理人际关系等方面。对儿童成长过程的脑核磁影像研究表明，最先发展的脑区是负责感知、语言和情感的脑区，负责逻辑推理的脑区是最后才发展成熟的，因此早期语言、感知和社会情绪能力的发展奠定了儿童以后发展的基础。而且，早期对儿童的虐待、忽视以及长期的慢性压力 , 会改变海马区皮质肾上腺素受体表达的外显基因调控 , 在脑中留下痕迹，通过 HPA 轴影响儿童的激素系统以及他们对应激的反应，并导致许多问题的产生，如肥胖、心血管疾病、记忆减退、精神疾病、自杀等，这些影响会一直持续到成年。因此不仅对儿童，更应该向家长警示早期教育和关爱的重要性。

儿童的社会情绪能力只能通过社会实践活动来培养，对儿童来说，科学实验活动是最适宜引入课程并系统地进行学习和体验的社会实践活动。“做中学”科学课程的内容标准率先引入社会情绪能力培养的内容，并在实践中取得了良好的效果，这也同样应在场馆科学教育中体现。

“儿童科学乐园”展厅入口

二、儿童展厅目标观众分析

中国科技馆原“科学乐园”设计目标观众为 3~10 岁儿童，相当于幼儿园到小学四年级阶段。这一设计主要延续了二期儿童展厅（ 2000 年建成）的设置，当时国内还没有科技馆设置独立的儿童展区，只能借鉴一些国外儿童科技馆、儿童博物馆的经验，这些场馆很多是作为青少年活动场所运行，并不是综合性科技馆中的一部分，适应观众的年龄段设置范围较大，有的甚至达到 2~12 岁的跨度，由此确定了当时 3~10 岁儿童的年龄定位。

随着全社会早期教育意识的提高和各种儿童活动场所的建立，家长越来越愿意带低龄儿童到科技馆、博物馆等公共场所活动，因此到访的低龄观众明显增加。但是由于目前服务对象年龄跨度过大，适应 9~10 岁儿童的展品太少，使这部分儿童观众参观收获较少。

项目组于 2017 年随机统计了到“儿童科学乐园”展厅参观的 2225 名儿童观众的年龄情况，得到以下数据： 3~8 岁占 79.5% ， 3 岁以下和 8 岁以上的分别只占 10.3% 和 10.2% （见图 1 ）。 9 岁以上儿童通常是陪同弟弟妹妹来，而且停留时间也很短；访谈中普遍反映适应他们的项目太少、内容过于简单，认为自己更适合到主展厅参观。

图1 原“儿童科学乐园”展厅观众年龄调查统计

(2017年)

学校课程设置方面，我国 2003 年发布的《全日制义务教育科学（ 3-6 年级）课程标准》（实验稿）即只针对 3~6 年级内容，没有对 1~2 年级提出要求。 2017 年 2 月发布的新版《义务教育小学科学课程标准》将 1~2 年级作为第一阶段，其内容和形式都与 3 年级以上有所区别。美国从“ 2061 计划”到《新一代科学教育标准》一直将幼儿园至 12 年级儿童课程划分为 4 个阶段制订学习目标，其中第一阶段即为幼儿园至小学 2 年级，第二阶段为 3~5 年级。学校科学教育的这种设置充分考虑了儿童认知和发展的阶段不同，更有针对性地制定目标。

在早期儿童教育领域，在联合国儿基会的项目中包含 0~8 岁的儿童，美国早期儿童教育学会 NAEYC 也将 0~8 岁列入范围。根据教育专家的建议， 0~3 岁儿童的早期教育主要是家庭的责任，没有人能替代父母的作用，不建议作为科技馆的主要目标受众。

根据以上分析，结合观众调查数据，将新“儿童科学乐园”展厅的观众定位调整为： 3~8 岁儿童及陪同前来的家长。

三、神经教育学视角下“儿童科学乐园”设计

（一）教育目标设置

自 1961 年弗兰克 · 奥本海默（ Frank Oppenheimer ）创建探索馆以来，各国对科技馆的重视与日俱增。科技馆的设计理念大多将激发公众对科学的好奇心或兴趣作为目标愿景，如探索馆将“通过创造一系列充满活力的展品去点燃观众的好奇心”作为目标，加拿大安大略科学中心的宗旨是“激发公众终身学习的好奇心和探索欲，启迪大众智慧、创新与挑战、思想交流与碰撞”，韩国国立儿童科学馆则将满足“对科学知识的渴求以及启发青少年科学兴趣”视为己任。面对科技进步和生活所需的技能快速转变，我们无法预知现在的孩子将来需要利用什么知识去解决什么问题。科学教育的目标不能仅满足于传达具体的知识，而应围绕科学核心概念，为儿童建构自己的认知体系和社会情绪能力打下基础，直至形成初步的科学思维和决策能力。以达到激发科学兴趣和好奇心、培养创造能力和实践能力、启迪思考和想象的总体目标。

1. 兴趣角度

要通过生动有趣的互动过程和环境设施激发儿童好奇心，进而培养科学兴趣，促进对科学活动的热情。从教育促进儿童脑的建构可以认识到，儿童的阶段发展不是自发的，而是需要适当的外界环境刺激。因此，场馆的展览设计中要根据儿童行为习惯和兴趣喜好合理设置刺激元素，激发儿童的好奇心和探索欲，使他们主动参与到设定的活动中。

2. 认知角度

应通过自由操作、自主探索，并及时给予正确的反馈，帮助儿童建构起基本科学概念，从认知和思维的角度设立目标。从神经教育学对脑中记忆和科学概念形成的基础研究可以知道，科学概念形成不仅是必要的，而且要在适当的时期 —— 既要与脑发育阶段相适应，使其能接受和理解相应的科学概念；又要及时准确，抢先在错误概念形成之前形成并巩固正确概念，为以后的创新发展打下思维基础，形成科学思维方法和决策能力。

3. 交往角度

要重视社会情绪能力的培养，通过团队合作、协同配合等多人交互活动，培养沟通交流、同感共情的社会情绪能力，提高社会适应性。同时，引导家长认识到儿童成长过程中脑发育与陪伴质量、情感体验的重要关系，向家长传达社会情绪能力和知识技能同等重要的教育理念，共同呵护儿童成长。

（二）展示内容规划

科技馆作为亲身实践为主的教育场所，儿童在这里通过自主探究获得的直接经验有其不可替代的优势，可以利用展品设置、环境氛围、活动设计使儿童更直观生动地学习科学的概念，同时也要注意概念的明确、正确，避免形成模糊不清的概念，这样才能实现真正的科学启蒙。国家教育部颁布的《义务教育小学科学课程标准》，以及国际科学院联盟科学教育项目组编写的《以大概念理念进行科学教育》等文献中，都归纳列举了不同年龄 / 学段的教学内容和教学目标，体现了当前教育研究领域的最新成果，应作为儿童展览设计和活动开发的内容概要和难度设置的基本依据。

“儿童科学乐园”以“热爱科学、快乐成长”为主题，根据儿童认知发展由近及远、由表及里的规律，从儿童自身开始，逐级扩展到身边的自然世界、社会生活中的科技应用，延伸到体验前沿科技和探索神秘的宇宙空间，形成按照“认识自己、亲近自然、了解社会、触摸科技”逐级展开的主题脉络，共设置人体探秘、健康成长、山林王国、戏水港湾、热闹城市、角色体验、机器伙伴、神奇宇宙 8 个主题展区和科学秀场表演活动区。从物质特性和能量转化、自然世界的丰富多彩和生物的适应进化、宇宙的浩瀚与神奇、技术应用和社会发展等方面，选择适合儿童学习、能发挥科技馆展示特点的科学概念，规划各展区的展示内容，设定展示目标，搭建展览框架（见图 2 和表 1 ）。

图2 “儿童科学乐园”展览框架

（三）展品交互设计

为实现帮助儿童建立正确科学概念的认知目标，展品设计需要从儿童兴趣、互动操作、反馈评价等多个环节进行思考。

观众在场馆内的学习行为，是一种非正式环境下的学习，大多由好奇心、兴趣等内在因素驱动，设计此类场所的重要挑战是将情绪的和感官的反应与具体的科学现象联系起来。将科学思维与具有魅力和令人愉悦的活动以及真实世界的结果联系起来，在个体水平上创建重要的联络，增加更多人与科学现象建立联结的可能性，并鼓励他们成为学习者。展品能否激发出观众好奇心，是观众在科技馆中进行一次成功的场馆学习的重要基础，也是科技馆吸引观众的立身之本。

儿童展览的环境设施与展品首先要安全可靠，做好安全冗余设计，考虑到各种可能的操作方式；其次要符合儿童生理需求，根据目标观众的身体发展指标设置展品尺寸、操作位置、互动机构力量要求等；此外，还应考虑儿童心理需求，从造型设计和交互触发方式吸引儿童的关注，通过开放而自然的互动过程鼓励自主尝试探索；最后，作为自由尝试的结果，在互动完成时必须给出及时反馈和评价，以帮助儿童形成正确的科学概念，避免似是而非的、甚至是混淆错误的概念占据儿童认知中的重要一环，这种结果的深化可被称为展品互动的“点睛之笔”。当然这种结果并不是认知的结束，而是对互动过程的回顾和总结，完成从亲身体验到构建知识、从环境刺激到形成概念的一种沉淀和固化。这种阶段性的巩固与以往展品设计中让观众“带着问题”离开的目标并不冲突，只是让观众进一步扩展思考之前应先确定他的脑中已经掌握了这方面的基础概念，否则其思考和扩展也会成为无源之水。

展品“进化树”（见图 3 ）让观众尝试将带有不同生物图案的拼块放到进化树上的空白位置，如果错误会提示换个位置，如果位置正确，会有一条灯带亮起沿着树干和树枝从共同的祖先到所选择的物种，全部完成后介绍这类生物进化的整体脉络。展品并不要求观众事先记忆复杂的进化关系，而是通过自由探索尝试找到每种生物在进化历程中的足迹，每次尝试都会有反馈判断，最后成功的结果也会有具体的评价。通过不断尝试和揭秘验证的游戏过程，观众认识到地球上的生物会经过漫长演变逐步进化的整体概念，加深对地球家园的过去和现在的认识。

图3 展品“进化树”

展品“自来水的旅行”（见图 4 ）展示城市供排水过程。儿童可以拿起每根水管自由搭接，连接城市自来水供、排系统，完成城市供水、用水、排水系统管路。每次尝试后，系统识别是否正确后会亮出不同颜色灯光：蓝色代表净水，黄色代表污水，红光闪烁代表搭接错误；同时在相应区域展示水管连通后的效果。观众的搭接操作都会触发相应结果，有时是搭建正确解决了用水问题，也允许搭接到错误位置，但看到的就是由此引发的不良后果。观众通过这个过程了解城市自来水从哪里来又流向哪里，进一步感悟自来水来之不易，在引导下养成节约用水的习惯，形成根据条件和目标进行科学决策的思考方法。

图4 展品“自来水的旅行”

（四）社会情绪能力培养

良好的情感、社会能力和认知能力共同组成人类发展基础，与工业化社会相比，在知识社会里，人的综合解决问题的能力和社会情绪能力更显重要。交流、合作、分享等是科学探究活动中不可或缺的内容，科技馆参观活动也是发展儿童社会情绪能力的有效手段，这需要设计者从展品互动形式、活动组织等各方面促进儿童观众的交流合作，创造多人互动的机会。

展品“合作装货”（见图 5 ）使儿童学习制定计划、协商一致、合作实施的集体决策过程，培养合作精神和交流合作能力。

专题｜神经教育学视角下的科技馆儿童科普展览设计

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