基于STEAM理念的國外博物館課程案例分析及啟示*張一鳴白欣董貝貝任一鳴苗一迪韓明哲

1.首都師范大學教育學院

2.首都師范大學初等教育學院

3.美國俄亥俄州立大學計算機科學與工程系

0引言

2022年12月，教育部、中國科協聯合發布《關于利用科普資源助推“雙減”工作的通知》，提出各地學校“走出去”，有計劃地組織學生就近分期分批到科技館和各類科普場館教育基地，加強場景式、體驗式、互動式、探究式科普教育實踐活動[1]。近年來，我國投入了大量資金興建科技場館，表明我國政府對提高全民科學素質的重視以及對科技場館所發揮的重要教育功能的認識。2022年我國科技館數量達到1000個，總建筑面積達526.5萬m2[2]。硬件水平迅速提升的同時，也對科技場館課程開發與實施等軟件水平提出更高的要求。科技場館教育人員的專業素養會影響到其開發和實施教育活動的效果，目前我國科技場館教育人員的專業化水平普遍不高，對科學知識體系、科學課程標準等缺乏了解，導致科技場館的教育活動水平參差不齊、缺乏標準化[3]。

以科技場館為代表的非正式教育場所有利于開展情境式、體驗式學習，促進STEAM教育中各個學科之間的融合，實現核心素養導向的深度學習。本文選取的四個國外博物館課程案例都是以科學課程標準為依據，具有標準化、規范化的特點，例如美國疾控中心博物館基于新一代科學教育標準（NextGenerationScienceStandards,NGSS）設計的以公共衛生為主題的STEAM課程在新冠疫情的背景下具有很強的現實意義，澳大利亞昆士蘭博物館讓學生在游覽的基礎上開展基于科學課程標準的活動課程，激發學生進行科學與工程實踐的興趣。從課程目標、課程知識、課程活動和課程評估四個維度對國外優秀博物館STEAM課程案例進行分析，對于我國科技場館提升STEAM教育活動水平，助推“雙減”工作具有啟示意義。

1案例一：國家二戰博物館制作天氣工具教育項目

1.1案例介紹

美國國家二戰博物館（TheNationalWorldWarIIMuseum）于2000年6月6日諾曼底登陸紀念日成立。在博物館網站上，可以瀏覽博物館系列課程，搜索相關教案和多媒體資源。網站的“真實世界科學”模塊是二戰博物館重要的組成部分，該模塊以二戰為背景，教導社會大眾學習科學、技術、工程和數學等相關知識。來自全國各地的教師和不同背景的學生將學習科學、歷史和文化相融合的課程，以確保下一代更好地迎接未來面臨的挑戰。“真實世界科學”課程根據NGSS把科學知識與二戰背后的故事和歷史聯系起來，讓學生置身于二戰的真實情景中，融合跨學科知識與實踐，提升學生解決實際問題的能力。

例如制作天氣工具一課，首先通過情景導入：戰爭時機的選擇需考慮天氣、月光和潮汐。潮汐和月相可以提前知道，但天氣狀況卻很難提前數周預測。幾百年來，人們一直在收集天氣數據，而過去使用的許多工具與今天使用的工具相似。當然，這些工具已經被現代技術所補充，計算機現在是分析天氣數據最重要的工具。

課程以制作溫度計、氣壓計、濕度表為目標，以NGSS中的“構建基于證據的解釋，用證據來解釋對象的速度與該對象的能量有關”“建立模型，通過模型表達‘物質由小到不可見的微粒組成’”為指向。教師首先向學生講解溫度計的工作原理，當酒精受熱膨脹，吸管里的酒精會高于瓶子里的水平，因為密封瓶中的空氣會阻止瓶中的酒精水平上升。在這個活動中使用酒精是因為在溫度升高時，它比水更容易膨脹。氣壓計工作的原理則與溫度計不同，因為氣壓的變化，瓶子里的液體表面會受到壓力的影響，并將管中的液面推高。讓學生理解當我們知道材料的物理性質時，可以據此制作工具，用于測量天氣。最后指導學生利用礦泉水瓶、金屬罐，用食用色素著色的水、酒精、冰塊等簡易材料分別制作溫度計、氣壓計和濕度表。

1.2案例分析

1.2.1課程案例分析

課程目標圍繞研究和制作，為開展以學生為中心的探究型課堂、發揮學生的主動性確定了基調。課程知識以二戰為背景，鋪墊真實情境，使學生身臨其境。融合物理、化學的跨學科知識，促使學生認識科學并不是單一學科而是綜合的，它和我們的生活息息相關。課程活動所需的材料和工具較易獲得，學生們可以在活動中鍛煉自己的觀察、測量和記錄的習慣，更重要的是學生可以在親身經歷、動手實踐的過程中探究物質的變化，而不再是以教師為中心、學生作為觀眾的傳統課堂。課程評估以實物制作為手段，有助于讓學生獲得不一樣的成就感，并且通過小組互動促進學生之間相互學習、共同進步。

1.2.2課程標準分析

課程目標對應NGSS中物質科學的學科核心概念。盡管主題是天氣，但該活動中的概念是關于原子的行為。溫度是原子的速度，氣壓是這些原子的密度和它們施加的力，而濕度是空氣中水的濃度。所有的工具均使用原子的運動來測量天氣數據。課程知識涉及到NGSS中提到的跨學科概念“系統與系統模型”“系統中的能量與物質”。此外，還有影響系統的穩定和變化的因素。課程活動方面，在整個研究和制作的過程中，NGSS中的科學與工程實踐貫穿其中，比如定義問題和設計解決方案，并通過動手操作、觀察思考，形成可使用的產品，體驗完整的科學與工程實踐過程。課程評估方面，以真實情境和相應具體產品為主導的科學課程，使得課程更加符合NGSS所提出的對于學生的預期表現進行評測，而不是課程本身[4]。

2案例二：奧蘭多科學中心科學挑戰賽項目

2.1案例介紹

美國奧蘭多科學中心（OrlandoScienceCenter）主辦的柯蒂斯新星科學挑戰賽（TheCurtisRisingStarsScienceChallenge）是一項面向K-5年級學生的科技競賽，通過90min的在線挑戰，學生需要開展工程實踐，幫助他們培養團隊合作能力。學生們首先在班級和學校中通過預先活動和提示進行準備，然后只需要通過互聯網和一臺帶有網絡攝像頭的電腦就可以參與挑戰賽。

2022年比賽的主題是建立一個具有多種能量轉換的動能系統。該系統可以是獨立的，也可以設計放置于桌面。所有采購部件不得超過100美元，任何一件物品不得超過20美元。該系統不應超過76cm深、183cm寬和274cm高（從地面測量）。團隊的每個成員都要參加答辯，向評委進行匯報。參賽作品將在以下方面進行評判：使用的動力學原理；演示技巧和對其創作背后的科學解釋；能夠在5min內重置系統并再次運行；可靠性，即在3次嘗試中初步成功運行系統；創新性，即創造一個新的系統或以革新性的方式改變一個現有系統；帶有采購證明和預算文件的項目材料合集。

例如，制作起重機模型，通過簡單機械提升重物。在平衡式起重機中，起重機的橫梁在一個點上達到平衡，稱為支點。起重機的橫梁就像一個簡單的杠桿，這使得它可以用一個相對較小的力來提升重物。起重機還利用另一種簡單機械——滑輪。塔式起重機通常有一個以上的滑輪，這有助于它倍增其力量來提升重物。利用簡單機械背后的科學原理，如杠桿和滑輪，起重機可以用較小的力量將重物提升到很高的高度。學生可以使用紙杯、鉛筆、吸管、回形針、繩子、尺子、膠帶、大理石彈珠、紙板、橡皮筋、冰棒棍等材料制作起重機模型，在不斷嘗試舉起各種質量的物體的過程中理解物體之間倍數的數學關系，了解杠桿、滑輪的原理和操作。

2.2案例分析

2.2.1課程案例分析

該活動課程以制作起重機為目標，要求學生觀察起重機的高度、測試其能夠舉起最重物體的質量。這一活動與生產生活密切相關，學生會很容易被吸引，積極主動地參與制作活動。學生在制作過程中不斷地思考、改進起重機的設計，培養學生的工程思維。課程知識方面，利用生活中常見的舉起重物的現象，促使學生將課程知識同生活緊密地聯系起來。活動中涉及到數學中的倍數、物理的杠桿和滑輪等學科知識，有利于引導學生進行跨學科思考。課程活動方面，學生能比較容易找到制作起重機的材料和工具，有助于活動順利開展。在制作起重機的過程中，學生通過實際的動手操作，可以深入理解杠桿和滑輪的原理和應用。課程評估是通過觀察學生的實踐操作能力，檢測學生是否能夠成功制作起重機，在其舉起物體時是否可以保持平衡，并且明確要求起始物體至少是兩個大理石彈珠的重量，最后匯報分享有利于培養學生的表達能力和團隊精神。

2.2.2課程標準分析

課程目標中包含了NGSS中的“力和相互作用”“能量”等學科核心概念，通過起重機的制作使學生將這些學科核心概念付諸實踐，又在實踐中加深對其本質的理解。課程知識涉及到了NGSS中的“系統中的能量與物質”“結構和功能”等跨學科概念。在制作起重機的過程中涉及到杠桿、滑輪的原理，在起重機舉起物體的時候會有能量的變化，為了使起重機保持穩定以執行不同功能則需要不斷調整起重機的結構。課程活動圍繞制作起重機這一工程項目，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，達到NGSS對于學生進行科學與工程實踐的要求。課程評估以產品為導向，兼具過程真實性評價，通過起重機的設計和制作以及最后的分享，實現對學生實踐能力的評價。

3案例三：美國疾控中心博物館凈化水教育項目

3.1案例介紹

公共供水系統已經存在上千年，為人類的生存和發展帶來了極大的助力。但同時，由于水缺乏足夠的消毒和凈化，在給人們帶來便利的同時也可能傳播很多種疾病。自從1908年美國第一次對用水進行消毒之后，各地紛紛效仿，使得介水傳染病大幅減少。美國疾病控制與預防中心（CenterforDiseaseControlandPrevention,CDC）鼓勵世界各地提供優秀的安全用水實踐方案，比如設計水過濾裝置。

本案例由美國疾控中心博物館（CDCMuseum）設計，以幫助學生理解過濾水的原理，并從物理層面上解決或減少水的污染，讓學生更加關注水資源保護并積極對環境保護作出貢獻。此次活動以凈化水為主題，以NGSS中的“使用繪圖及物理模型來說明如何根據需要發揮作用，以解決給定的問題”“使用特定材料完成指定目標”為指向，幫助學生了解物質的質量、體積差別，融合計量、科學、技術、工程等知識及實踐，提升學生解決實際問題的能力。

水凈化簡易裝置的工作原理是采用多次過濾層的過濾器（碎石、沙子、濾紙等），去除原水中含有的大體積雜質。通過物質間隙從大到小，由于水的滲透及重力，水會由上至下，從間隙大的材料滲透至縫隙小的材料，最終得到無大顆粒雜質的凈化水。該項目的亮點在于，通過三個過濾器活動的進階設計，對不同材料進行對比，幫助學生理解凈化水背后的科學本質，實現從知識到思維的躍升。在活動一中教師帶領學生用塑料瓶、咖啡過濾網、碎石、沙子、棉球等材料制作凈化水簡易裝置。活動二中教師引領學生思考身邊是否有其他的物質可以代替濾網、碎石及沙子，例如將碎石替換成活性炭，將濾網換為細紗布，并帶領學生觀察水質及水流通過不同物質的差別。活動三中教師使用飲水機等過濾設備過濾有雜質的水，并將過濾設備拆開，把里面的每一步展示給學生，幫助他們了解真正的凈水器的精密程度，以及水在通過每個過濾層時會留下什么雜質。最后使用pH試紙測量過濾前后水的酸堿程度，進行對比，幫助學生思考活動的意義。

3.2案例分析

3.2.1課程案例分析

課程目標圍繞水的凈化，帶領學生使用物理模型及相應的材料解決遇到的真實問題，提高學生自主動手能力，培養工程思維。課程知識以水資源的重要性以及不健康的水給人類帶來的傷害為背景，幫助學生理解水資源凈化的必要性。利用科學技術提高水資源的利用率以及減少水的污染，在新冠疫情的背景下顯得尤為重要。課程活動的材料選取非常靈活，可以幫助學生思考，選取自己認為合適的日常材料以達成活動目標，并且通過對比不同的材料形成設置對照的思維。課程評估方面，通過實物制作將形成性評價和終結性評價相結合，在促使學生完成最終任務的同時，引領學生的思考過程，讓學生了解自己的每一個選擇都會帶來或好或壞的結果。

3.2.2課程標準分析

凈化水教育項目近年來在國內科技場館也有開展，但是在基于科學課程標準的設計方面仍有所欠缺。該課程以NGSS為依據，課程目標對應NGSS中的工程、技術和科學的應用（Engineering,TechnologyandtheApplicationsofScience,ETS），以凈化水為主題，學生可以通過課程了解凈化水的模型，使用特定材料完成對水的過濾及凈化。課程知識涉及跨學科概念中的“工程、技術和科學共同對社會和自然界產生影響”，改進現有技術或開發新技術會為個人以及社會帶來更好的利益，而了解已有的技術是基本。該課程需要學生掌握水的物理化學性質、不同材料的性質方面的知識，并將這些知識應用于解決公共衛生問題。課程活動圍繞NGSS中的科學與工程實踐，學生首先要將現實問題轉化為能夠通過給定的材料、工具解決的問題，通過繪圖等方式設計水過濾器模型，然后制作實施，培養學生的工程實踐能力。課程評估方面，通過能否解決凈化水這一工程問題進行課程評估，ETS中提及定義和界定工程問題，其包含材料的限制與解決方案標準的問題，活動可使學生選擇易于獲取的材料去達成目標。通過討論不同的凈化水項目方案，達成ETS中提及的形成可能的方案。

4案例四：昆士蘭博物館火花實驗室項目

4.1案例介紹

澳大利亞昆士蘭博物館（QueenslandMuseum）的火花實驗室（SparkLab）面向小學至初中的學生，圍繞三個主題為學生提供探索機會，分別為“我們的世界及其運作方式”“我們如何感知我們的世界？我們是否都以同樣的方式看待它？”以及“我們怎樣才能改變我們的世界？這種變化有什么作用？”，涉及物理及地球科學等方面的內容，幫助學生拓展對世界的認知，培養學生對于世界的好奇心。

學生在三個不同區域內進行探索，可以了解從原子到行星，再到宇宙的運行和變化。從探索身邊的聲、光、電，到力、能量和結構，世界的變化及地球在廣闊宇宙中的位置，并通過設計和建造完成挑戰。學生在全方面了解知識的同時，可以自主選擇感興趣的方面進行更深入的研究。活動由“做、想、說”貫穿，鼓勵孩子自主行動、自主思考以及自我表達，幫助孩子在探索未知時以自己的方式去了解問題、思考問題、解決問題。

活動中，教師帶領學生游覽博物館，從生活中息息相關的光至人類生存所離不開的電。例如，向學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，使得人們可以觀察到事物，或電的媒介，什么東西可以導電、什么東西可以運輸更多的電、什么東西可以絕緣。在知識普及的過程中，幫助孩子提升對用電的安全教育和自我防護。或者教師帶領學生參與實驗，給予目標，讓學生利用現有物品及所學知識完成任務。例如通過制造發聲器，幫助學生理解物體發聲的原理，探究共振與聲音高低、大小的關系。通過對物理現象的探究，培養學生對科學的興趣。同時，在探究過程中引導學生思考，并將想法與學到的知識結合，以目標為導向，設計并制作相應設備以完成任務。例如讓學生思考制作發聲器的工具和材料，對原型進行初步設計與構思，學生根據自己的設計制作發聲器，使其盡可能發出多種類型的聲音，并加以測試（如使用ChromeMusicLab的頻譜圖），讓學生總結、反思設計的優缺點，不斷改進自己的設計。

4.2案例分析

4.2.1課程案例分析

課程目標包括物質科學、地球與宇宙等方面的內容，教師引導學生參與各項活動，在科技場館進行觀察、實踐。課程知識從基本的力改變物體運動狀態，到萬有引力保持地球在太陽系中的位置、月亮圍繞地球做環形運動等。從聲音的產生，到音調高低和聲音大小與共振腔的關系，再到ChromeMusicLab工具的使用，涉及到學生日常生活中所能見到的各種科學現象。課程活動通過讓學生在開放的環境中去想象、設計并解決問題，幫助學生在真實情境中進行探究，綜合提升他們的信息汲取、思考、設計及應用能力。最后通過設計制作進行課程評估，幫助學生了解任何現象背后所包含的科學道理，同時鼓勵學生表達感想以及理解看待不同事物的不同觀點。

4.2.2課程標準分析

該案例以澳大利亞科學課程標準為依據，圍繞科學是人類的事業、科學理解、科學探究技能三個方面進行設計[5]。課程目標包含澳大利亞科學課程標準中多個核心概念，比如系統、規模與測量、物質與能量等。學生不僅可以獲取知識、拓寬視野，還可以對評估設計理念、過程和解決方案等內容進行拓展學習。這將有利于學生的思維結構化、好奇心發展以及未來的學科選取和職業規劃。課程知識涉及澳大利亞科學課程標準中的“自然科學”“設計與技術”，例如“通過不同介質的能量傳遞可以用波動和粒子模型來解釋”，能夠幫助學生掌握電和磁等物質科學方面的知識。課程活動能夠達到澳大利亞科學課程標準中“設計與技術”所要求的“通過選擇和組合材料、系統、組件、工具和設備的特性，思考設計解決方案的方法”。課程通過形成性和終結性評價，幫助學生了解到與他們生活息息相關的現象背后的科學知識的同時，培養學生的反思和創造能力，與澳大利亞科學課程標準注重評估的導向相一致。

5國外優秀博物館STEAM課程案例對我國的啟示

5.1創設綜合真實情境

本文所介紹的博物館課程案例，從天氣測量工具的制作、起重機的制造、水過濾器的設計到火花實驗室的探索與互動，都與學生的日常生活和所見到、聽到的生產實踐緊密相關。以這樣的背景和主題為切入點，不僅可以吸引學生的注意力，而且可以使學生主動地與實際生活相聯系，將知識運用于實踐中，體會到最真實的成就感，而不是紙上談兵，造成教育內容與現實生活相脫節。

5.2突出學科核心概念

本文所介紹的案例都是以美國和澳大利亞科學課程標準中的“物質及其相互作用”“能量”“規模與測量”等學科核心概念為基礎進行開發設