以跨学科、探究、实践为核心的博物馆STEM教育
——以“未来航海家”STEM系列课程设计为例

刘丹丹

2020年10月，教育部、国家文物局联合印发《关于利用博物馆资源开展中小学教育教学的意见》(文物博发[2020]30号)，其中明确指出：“结合中小学生认知规律和学校教育教学需要，充分挖掘博物馆资源，研究开发自然类、历史类、科技类等系列活动课程，丰富学生知识，拓展学生视野。”[1]博物馆作为青少年校外教育的重要场所，具有典藏资源丰富、情境式体验、活动形式多样、寓教于乐等诸多优势。近年来，国内外备受推崇的STEM教育理念因其项目式学习、跨学科思想等特点被广泛应用于博物馆科普教育活动中。国内的博物馆教育工作者在将STEM教育理念融入博物馆课程设计方面做了许多的研究和实践，冯子娇以“小球旅程知多少”课程为例探讨了STEM教育理念下科技馆依托展品开展教育活动的意义、特点及其一般规律[2]；左什等以“铁路背后的科学”展教活动为例研究了STEM教育理念对于科技博物馆展品教育活动设计与实践的积极意义[3]。研究成果中大多是针对单个课程的设计研究，系列化、主题性课程设计的案例较少。

上海中国航海博物馆(以下简称“中海博”)作为我国首个国家级航海类一级博物馆，肩负着“弘扬航海文化、传播华夏文明”的重要使命。青少年是博物馆传播航海文化和科技的重要群体，设计开发基于STEM理念的航海主题博物馆系列课程是面向青少年开展航海教育的一种有效途径。本文将从STEM教育理念融入博物馆教育的必要性、航海主题系列博物馆课程开发思路、课程案例解析、课程实施的难点反思等四个方面探讨如何将STEM教育理念应用于博物馆课程设计实践中。

一、STEM理念融入博物馆教育的必要性

(一) STEM教育与博物馆教育的共性

1. 跨学科内容

STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)与数学(Mathematics)英文首字母的简称[4]，是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，它将科学、技术、工程、数学等学科有机地融为一体，强调学生创新能力的培养。中海博是一家专题性的博物馆，其主题“航海”是一个交叉性、综合性、应用性的学科，涉及船舶工程、海洋科学、深海科考、水下考古、航海历史、航海技术、船舶导航等多个领域，本身就融合了历史、工程、地理、数学、物理、化学、自然、科学等多个学科，与STEM教育理念的跨学科特点不谋而合。

2. 探究性学习

STEM教育强调协作探究式的学习方法，注重复杂性学习过程中深度学习的发生，旨在培养青少年深度思考能力和科学探究精神。而博物馆里的藏品、科技展品都与科学探究密切相关，不论是文史类博物馆中的青铜器、瓷器，还是科技类博物馆中的标本、化石、机械、工具，它们或是科学考察、科学研究(包括考古)的对象，或是科技发明的产物，都记录了科学探究的过程与信息。将“科学家们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”，是博物馆践行当前“像科学家探究科学一样学习科学”和“基于实践的探究式学习”先进教育理念的重要方式[5]。2015年，诞生于中国科协青少年科技中心“科技馆活动进校园”项目调研计划的《科技场馆基于展品的教育活动项目调研报告》也指出：“科技博物馆基于展品教育活动的特征定位是：基于展品的体验式、探究式、多样化学习”[6]。中海博内既有展示古今航海历史演变的“航海历史馆”，也有展示现代船舶科技成就的“船舶馆”，是一家兼具“文史”和“科技”双重属性的博物馆，应用STEM教育理念开展探究性教育活动是顺应当前科学教育发展趋势和响应社会教育需求的必要之举。

3. 实践性学习

朱幼文提出：“如果没有‘实践’，‘探究’就缺乏根基；如果没有‘探究’，‘实践’就丧失了意义；如果没有‘基于实践的探究式学习’，STEM教育就失去了灵魂。”[7]可见，实践性是STEM教育的核心要素之一。笔者充分认同这一观点，实践力作为个人最基本的行为能力，在任何情况下都不可或缺。实践性学习过程中，学生对知识点的接受和内化过程是一种体验的过程。从教材中获得的书本知识是间接经验，从实践中得来的直接经验是实现间接经验的“内化”并构建知识体系的最有效方式[8]。中海博中所收藏和展示的航海仪器、设备、船舶等，都曾用于航海探索和实践，而博物馆应用这些航海器具所开展的教育活动，都是让观众真实模拟、体验航海，观众使用这些器具所进行的实验探究、工程制作，也都是在解决航海实践中所遇到的问题。因此，观众在这些教育活动中所进行的探究式学习，不是“从书本到书本”的“伪探究”，而是“基于实践的探究”。

“跨学科”“探究”“实践”不仅是STEM教育与博物馆教育的共通之处，还反映了当前社会、国家对于科技人才和公众科学素养的需求，是当代科学教育改革的着力点。教育已成为当代博物馆的首要目的和首要职能，科技类博物馆更是如此。科技类博物馆的科学教育必然要吻合社会、国家的需求，也要融入整个科学教育发展的潮流。因此，开展以“跨学科”“探究”“实践”为特征的STEM教育，是博物馆响应上述需求、融入上述潮流、履行自身职能、实现自身价值的重要举措之一[7]。

(二) 博物馆教育活动现状

近年来，随着馆校合作、研学旅行等面向青少年的教育项目陆续开展，博物馆与中小学的联系日趋增强，博物馆资源惠及青少年的覆盖面日益增大，但馆校双方深度合作，共同开发并实施拓展型、研究型教育产品的能力和力度还有待进一步提升。以中海博为例，面向青少年的教育活动大多为“参观讲解+手工制作”。其中，参观讲解以讲解员单向灌输式为主，偏向旅游式参观，特别是在大客流(春秋游)情况下，呈现出粗线条、碎片化、浅层次的特点，深度学习的发生几乎为零。加之博物馆展陈的局限性，展品信息往往只有较为简单浅显的铭牌说明，青少年能获取并吸收的知识信息极为有限和零散，对航海相关科学原理的过程、环境及其应用方式都未能很好地理解，对于船舶工程领域的知识也未能较好掌握，进一步深入学习的兴趣未能有效激发，博物馆的教育功能未能充分发挥。这种“走马观花、蜻蜓点水”式的博物馆学习已不适应新时代学生对校外拓展教育的需求，特别是新中考改革后，更加重视培养全面复合型人才，注重学生的独立思考、深入探究、创新创造、问题解决的能力。

因此，博物馆“大学校”教育功能的充分发挥亟需系列化探究性课程的加码助力，而将STEM教育理念应用于博物馆课程或教育活动的设计开发则是弥补展陈局限性、拓展博物馆学习方式、提升当前博物馆教育的一种有效途径。

二、航海主题系列博物馆课程开发思路

中海博立足于STEM教育理念，以“跨学科”“探究”“实践”为核心，结合馆藏文物和科技展项资源，设计开发了“未来航海家STEM系列课程”。该系列课程聚焦航海科学和技术，紧密结合青少年校内教育，致力于青少年创新能力的培养和科学素养的提升。

(一) 开发原则

1. 跨学科内容原则

课程开发应立足STEM教育理念，筛选馆内融合多学科知识的展品或主题线路，设计STEM学习过程，鼓励学生应用多学科的知识分析问题、解决问题。

2. 探究性学习原则

课程设计应以学生自主探究为主、教师引导为辅，通过问题、任务设计鼓励学生主动参与科学探究的一般过程，培养学生的提问能力、合作意识和创新意识，亲身感受真实的探究活动以获得直接经验。

3. 实践性学习原则

课程学习过程应避免灌输填鸭式，侧重“做中学”，通过博物馆实地参观、科技互动展项模拟、实验探究、工程制作等环节设置，充分调动学生的眼、耳、手、口、鼻，使学生在不实践的过程中认识问题、解决问题。

4. 情境式学习原则

课程应运用“情境教学法”，通过讲故事、做游戏、猜谜语、角色扮演、观看影视或戏剧等方法，引发好奇、疑问、惊异等情感，激发学生学习或探究的欲望，营造一个为学生进行探究式学习的“实践场”，使所学的知识或技能“在哪里用，就在哪里学”[5]。

5. 围绕馆藏原则

馆藏是博物馆的基础，是设计开发课程、教育活动、文创产品的第一“原料”。课程开发须以馆藏为第一教学资源，为青少年探究性学习创建实物情境，这也是博物馆教育有别于校内教育的独特优势。

6. 结合校内教育原则

课程内容设计应充分考虑目标群体的特点，根据教学对象作学情分析，对接校内《课程标准》进行“知识与技能”“过程与方法”“情感、态度、价值观”等教学目标的设定，以及教学策略、评估方法的制定[9]。通过在课程中链接校内相关知识内容调动学生的基础认知，激发其学习兴趣，普及航海文化和科技的同时，实现对校内教育的补充、拓展和延伸。

(二) “未来航海家STEM系列课程”开发思路

1. 课程定位

该系列课程主要面向小学四年级至初中学龄段青少年，以博物馆的特色“航海”为主题，使学生整合科学、技术、工程、数学等多学科的知识解决问题，体验与真实生活相符合的情境；课程以项目为引领，学生以自主、合作、探究的方式开展学习，培养团队合作能力和实践能力；课程设计鼓励项目解决方案的多样化，充分激发学生的兴趣及创新能力，满足他们的个性化发展需求。

2. 课程开发路径

笔者通过对“未来航海家”STEM系列课程开发全过程的梳理，总结了该课程设计开发的具体路径(见图1)。

图1 “未来航海家STEM系列课程”开发路径

具体说明如下：

(1) 博物馆STEM学习主题筛选：以“跨学科”“探究”“实践”三大核心思想为准则，对馆内航海历史馆、船舶馆、海员馆、航海与港口馆、军事航海馆、海事与海上安全馆六大常设展厅进行内容梳理，筛选符合STEM学习特点的主题。其中，古船的建造、船舶的结构、船员的技能、船舶导航和船的航行五大主题融合多学科知识，涉及海洋科学、航海技术、船舶工程、数学测量计算等多个学科领域，可通过实验探究、工程制作等带领学生真实认识体验航海科技，解锁航海技能。

(2) 梳理知识点：中海博在馆校合作项目实施初期，曾对上海市中小学课本中有关航海的内容进行了梳理查找，共有1000多处，已形成清单目录，供分众化课程或教育活动设计时参考。研发团队根据该课程学龄段定位，参考校内航海知识点清单，对筛选的五大主题进一步明确、分解每个主题涉及的知识点。最终将每个主题细分为4个子课程，共20个子课程。

(3) 链接相关展品：根据每个子课程的知识点链接馆内相关展品，形成每个子课程的“博物馆探秘”参观学习路线，并组织人员对涉及的展品逐一进行图像采集、基础资料研究分析，以形成重要的课程教学图片、基础资源。

(4) 确定教学目标：课程编写团队包括馆内教育专员和校内中小学一线教师，双方通力合作、互为补充、相互融合，充分结合博物馆教育和校内教育的诉求，共同确定每个子课程的知识、方法、情感等多个教学目标。因此，课程的教学目标不仅适配目标人群的基础认知，同时涵盖博物馆宣传航海文化、传播航海科技的目的，也包含博物馆和学校共同的爱国主义教育、文化自信教育等目的。

(5) 制定教学方法：根据STEM学习特点，课程采用“PBL教学法”和“5E教学法”相结合的方法，设计9个教学环节：情境引入、博物馆探秘、思考与讨论、分工与合作、设计与创造、选材与制作、测试与改进、交流与评价、知识加油站。

(6) 编写课程内容：组织博物馆教育专员和中小学教师联合编写课程教案、学习单，设计配套材料包，制作课件、音视频等教学资源。其中，课程教案初稿完成后组织了航海史、海洋科学、船舶工程等多个相关学科领域的高校专家学者对该课程进行了多方位的审核，以确保知识点表述准确无误；每个子课程的配套材料包设计也经历了多次样品设计、测试、改进过程，以保证质量和安全。

(7) 课程实施与评估：该课程在正式对外实施前进行了多次测试，首先借用馆校合作平台中面向教师的子项目“博老师研习会”对中小学教师进行为期3天的STEM课程专题培训，让中小学一线教师率先体验课程，并就课程如何实施推广进行研讨。后期还组织学生来馆体验课程，并采用观察法、问卷法、访谈法等多种评价方法对学生的学习效果、喜好度、满意度进行评价，以进一步科学地完善并提升课程。

3. 课程内容

该系列课程设置5大主题，每个主题包含4个子课程，共计20个子课程。每个子课程配套专属材料包，单个课程时长为2小时。各子课程相互独立又相互关联，可作为单个课程面向公众招募实施，可按主题进行子课程组合开展STEM夏令营活动，也可将整个系列课程作为拓展课程纳入校内计划，按学期实施，该系列课程具有较高的灵活性和可操作性。具体课程内容框架如下(见表1)。

表1 “未来航海家STEM系列课程”内容框架

三、航海主题STEM课程设计解析——以“渡河的工具”子课程为例

下文以“建造古船”主题中的“渡河的工具”子课程为例，探讨“跨学科”“探究”“实践”三个STEM教育核心理念在课程设计与实施中的具体应用。

(一) 课程概述

“渡河的工具”子课程对接小学自然课中“制作小帆船”的教学内容，综合利用博物馆中航海历史馆展区的相关展品、场景、视频等教学资源，以展区探究、设计制作、实验探究等形式为主，让学生探究物体沉浮的原因以及影响浮力的因素，并进行工程设计，动手制作一个可以渡河的工具。课程实现了跨学科的整合，强调学生在课程中的深度参与、科学探究的主体地位，注重学生创新能力和科学精神的培养。

(二) 课程资源

1. 课程实施地点：航海梦工坊(一个集教室、多媒体、手工制作、实验探究等功能于一体的活动室)、博物馆航海历史馆展区。

2. 参与人数：采用小班制，每班20人，分为5组，每组4人。

3. 课程资源包：课程PPT、博物馆探秘学习单、STEM学习材料包、常用辅助工具包、测试水槽、知识加油站线上科普文章等。其中，STEM学习材料包内含气球、小木棒、皮筋、方糖、珍珠棉、KT板、200ml矿泉水瓶等；常用辅助工具包内含剪刀、胶水、风扇、美工刀、尺子等。

(三) 课程设计

1. 情境引入(10分钟)。通过PPT展示一个插画故事进行课程的导入，故事主要内容为：“暑假，江小宇跟着爷爷回到乡村老家。连日暴雨，村口小河的河水不断上涨，河上唯一的一座浮桥被冲走了。村民们新鲜采摘的水果无法运输出去售卖，大家都非常着急。请你们和江小宇一起想想办法，帮助村民利用现有的工具渡河，将水果运到镇上售卖。”课程一开始，通过“讲故事”的形式创设“问题+任务”情境，为学生营造了一个从实践中探究和学习航海知识与技能的“实践场”，引导学生在真实情境中学习、体验、探究和运用航海知识与技能[5]。

2. 博物馆探秘(20分钟)。学生带着学习单进入博物馆“航海历史馆”展区开展探究学习，通过对羊皮筏子、竹筏、独木舟、木板船、徐福石碑等展品的观察和学习，认识古人是如何利用自然界的各种具有浮力的物体或材料横渡江河的，思考古代各种航渡工具的特点，了解中国古代著名的航海人物和航海事件。

3. 思考与讨论(10分钟)。教师简要介绍STEM学习材料包的构成，通过链接学生校内知识(浮力的定义、自然课上制作的小帆船)引导学生怎样利用配套材料制作渡河工具，启发学生思考什么样的设计能让渡河工具又稳又快。学生开展思考与讨论，思考材料包中哪些材料能浮在水面上并且防水，渡河工具的各个部件如何相互连接和固定，渡河工具又如何在水中前进等问题。

4. 分工与合作(5分钟)。学生以小组为单位自行进行任务分工，明确每位成员在后续STEM学习中的任务和职责，该环节注重培养学生的团队合作能力。

5. 设计与创造(15分钟)。小组协作，利用材料包里的材料设计渡河工具，画出渡河工具的设计图，写出制作的具体步骤。

6. 选材与制作(30分钟)。根据小组的设计，选择材料包中合适的材料制作渡河工具，并记录遇到的问题和解决方法。

7. 测试与改进(20分钟)。学生按照测试要求对制作的渡河工具进行测试。测试要求包括：渡河工具的大小不能超过限定大小；用电风扇模拟自然风；渡河工具能够运载6块方糖(模拟水果)顺利渡河，同时方糖不被水浸湿。记录测试结果，如需改进，分析并记录存在的问题、改进设计的方案和改进后测试的结果。

8. 交流与评价(10分钟)。该环节重在鼓励学生大胆交流分享，提出课程参与过程中的困难和疑惑。各小组分别介绍各自设计的渡河工具是否成功渡河。在创造的过程中，经历了哪些困难，遇到了哪些困惑。其他小组是否也遇到了同样的问题？等等。

课程的评价为形成性评价，采用小组自评和互评相结合的方式进行，侧重评价学生在整个学习过程中的表现，考察学生课程参与过程中的专注度、参与度、团队合作、创意设计、实践操作、语言表达等多方面的综合能力，具体评价量表如下(见表2)。

表2 “渡河的工具”子课程评价量表

9. 知识加油站。该环节是对本课程知识内容的巩固、拓展和延伸，采用线上推送科普文章的形式进行，旨在进一步激发学生兴趣，引发学生课程参与后更深层次的思考，提升学生对古人智慧、科学探究精神等情感性的认知和感悟。

(四) 课程STEM学习特点解析

该课程以学生自主探究为主、教师引导为辅，学习过程涉及数学测量、科学探究、工程制作、船舶技术、航海历史等多个学科，注重学生综合实践能力和创新能力的培育，鼓励设计制作方案的多样性和独创性，可以说是深度融合STEM教育理念的一种有效实践。“跨学科”“探究”“实践”三大核心理念在课程设计中的体现具体如下：

1. 跨学科内容

课程中的跨学科内容(见表3)分布于课程全过程，其中既有浮力、材料特性相关的科学知识，也包含如何使渡河工具防水和前进的技术知识，还需要学生应用工程学、数学知识动手制作出一个渡河工具。而且，多学科的知识并非独立组合在课程实践中，而是深度融合于课程的学习过程中，例如在“选材与制作”环节中，学生需要调动多学科的知识进行设计制作，既要考虑哪些材料能浮在水面上，材料是否防水，如果不防水，可以采用何种方法使其疏水，也要思考优选的材料如何组合连接牢固并且不能超过限定的尺寸大小等等，跨学科特点深入其中。

表3 课程中的跨学科内容

2. 探究性学习

该课程中博物馆探秘、思考与讨论、选材与制作、测试与改进等环节都融合了“发现问题—提出假设—实验验证—解决问题”的思想和过程。例如在“测试与改进”环节中，学生制作的渡河工具可能会出现不防水、倾斜、在风力作用下容易侧翻、不稳定、无法成功渡河等各种各样的问题，学生不断地遇到问题、思考问题、提出假设、做出改进、实验测试，如此循环往复，最后制作出可以成功渡河的工具。其实这就是科学探究的过程，也是学生不断拓展认知，提升问题解决能力，塑造科学精神、探究精神、创新精神的过程。

3. 实践性学习

从博物馆探秘到设计与创造，到选材与制作，再到测试与改进，课程全过程都是学生自主合作探究、亲身实践体验的过程。学生在博物馆的真实情境中，通过观察、动手实操认识浮力，了解中国古代航渡工具的发展和演变，并与同伴合作制作出成功渡河的工具。学习过程不同于以往校内教育中从书本到书本的灌输式传输，而是学生通过自主实践获得直接经验，在“做中学”，即在动手做的过程中将书本上的“间接经验”“直接经验化”[10]。学生在实践中运用所学知识发现问题，掌握探究问题和解决问题的方法，才有可能掌握新方法、新理论。通过实践，学生与实际生活的距离越来越近，在实践操作中体验生活，品味生活[11]，科学素养和创新精神也在实践探索中不断建立和完善。

四、课程实施的难点反思

(一) STEM师资力量薄弱

STEM课程教学不同于以往传统校内教育的单科、单向传输式教学模式，强调多学科的融合和学生自主探究学习，课堂中师生的主体地位和职能发生转变，教师不再是课程的唯一主体，而是以引导、指导的角色辅助学生的学习过程。由于STEM教育对跨学科思想的高要求，教师对学生的引导、关键时刻指导作用的发挥与教师自身的积累关系密切。而国内的教师大多没有STEM学习和教学的经历，在课程实施中往往难以突破原有教学习惯和思维，学生STEM学习的效果与理想程度存在一定差距。后续应加强STEM教师的培育和培训力度，可通过馆校合作子项目“博老师研习会”开展实施，采用联合教研、双师授课等多种形式培养校内外STEM教师，为STEM教育的长期发展积累人才基础。

(二) 课程的推广与实施

该课程实施以小班化为主，惠及学生有限，推广效率较低。加上中海博位于上海市东海之滨——临港，距离市区70余千米，地理位置的劣势对青少年多次走入博物馆参与课程产生了较大影响, 因此该课程的大范围推广和开展受到一定限制。后续可将课程以“科普服务包”形式输送至学校，将每个课程相关的博物馆资源录制成视频或制作成图文版，并配备完善的教材、教案、教具资源，提供校内STEM教师培训，由校内教师组织实施；也可以录制课程视频，以空中课堂形式在更大范围内传播实施。

五、结论

STEM教育与博物馆教育具有跨学科、探究性和实践性的共性特点，将STEM教育融入博物馆课程设计是打破当前博物馆教育瓶颈的一种有效途径。文中通过对“未来航海家STEM系列课程”开发原则和路径的剖析，以及对“渡河的工具”子课程案例解析，探讨了将“跨学科”“探究”“实践”三大核心理念融入博物馆STEM课程设计的具体思路和过程。经过对课程实施难点的反思，笔者认为：STEM师资薄弱，课程大范围宣传推广难，两大问题最为突出，建议通过馆校合作渠道大力培养STEM教师，将课程以“文化服务包”形式输送到校，或视频化后以空中课堂形式广泛传播。

STEM教育理念引入我国博物馆教育已有一段时日，但其本土化和高质量发展还需不断努力。期望广大博物馆教育工作者，在深刻领悟STEM教育核心思想的基础之上，深挖本馆具有STEM学习特点的藏品资源和科技展品，进而设计开发具有本馆特色的系列STEM课程，并通过多次反复的教学实践不断完善，避免STEM 教育“有其形而无其神”，真正做到与博物馆资源、校内教育的深度融合，不断培育青少年的科学素养和创新精神。