从中美科学课程的差异谈科技博物馆科学教育的对策与思路

张祖兴

从中美科学课程的差异谈科技博物馆科学教育的对策与思路

张祖兴①

自2011年美国颁布《K－12科学教育框架》提出STEM教育以来，越来越多的科技博物馆尝试探索基于本馆资源开展STEM教育。随着2017年1月《小学科学课程标准》的公布，我国在小学阶段对于STEM教育有了自己的标准与参考。但应该清楚地认识到，我国科学课程标准与美国科学教育标准从定位到内容都存在现实差异。本文试图从比较中美课程的差异中解读出不同的理念与方向，以寻求更适合在我国科技博物馆开展科学教育的新模式。

科学课程；差异；科技博物馆；对策

一、中美科学课程的对比

自美国2013年公布《新一代科学教育标准》以来，STEM教育理念在中国越来越多地被提及，日渐成为讨论科学教育发展的主流方向。随着2017年1月中国《义务教育小学科学课程标准》(以下简称《小学科学课标》)的公布，我国如何开展STEM教育有了一个纲领性的方向。我们知道，新科学课标的修改也借鉴了美国的科学教育标准，我们通过解读中国《小学科学课标》与美国《新一代科学教育标准》来比对中美科学教育的差异。

(一)中国科学课标的重要变化与解读

2017年1月公布的《小学科学课标》相较上一个版本(2001年颁布的《全日制义务教育科学(3～6年级)课程标准(实验稿)》，以下简称《3～6科学课标》)的标准，在框架与内容编排上都有很大的变化，可以归纳为:三个增加，二个变化，一个明确。

三个增加:(1)把一、二年级学生列入科学教育的对象的范围；(2)新增了技术与工程的内容；(3)增加学生对社会与环境的责任，强调了科学技术对伦理、环境、生活影响的思考。

二个变化:(1)科学课性质的变化，由启蒙课程转变为基础课程；(2)评价方式的多元化，从传统的结果式考核转变为素质教育的过程式考核。

一个明确:强调了科学学习是以探究式学习为主的多样化学习方式。

我们注意到:美国1996年颁布的第一个《国家科学教育标准》中首次提出了“以探究为核心的科学教育”理念；中国2001年《3～6科学课标》提出“科学学习要以探究为核心”的教育理念；中国2011年的《义务教育初中科学课程标准》延续了上述理念；美国2013年推出的《新一代科学教育标准》教育理念转变为“基于科学与工程实践的跨学科探究式学习”；[1]中国2017年《小学科学课标》的核心词汇依然是探究，“小学科学课程倡导以探究式学习为主的多样化学习方式”，“探究式学习是学生学习科学的重要方式”①中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].北京:北京师范大学出版社，2017:3.。

我们还注意到:美国《新一代科学教育标准》强调“科学与工程实践”“跨学科概念”“学科核心概念”是支撑科学教育的“三个维度”并居于核心的地位，而首次纳入教育标准的STEM教育则是“三个维度”的载体。在中国的《小学科学课标》中虽然也增加了“技术与工程”领域的内容，但其中对STEM教育的描述是“一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，将科学、技术、工程、数学有机地融为一体，有利于学生创新能力的培养”。②中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].北京:北京师范大学出版社，2017:63.它作为一种“跨学科内容”的“课程组织方式”，其表述层次被置于第四部分“实施建议”中“教学建议”下的“学科关联建议”的第4项，相当于四级子标题的内容。

综上所述，我国的科学课标在跟进美国科学教育改革步伐的同时又没有亦步亦趋，特别在对科学与工程实践(STEM)与科学探究问题的理解与定位上。也许有人会提出这样的疑问，为什么《小学科学课标》在表述和要求上不直接与美国《新一代科学教育标准》中的“科学与工程实践(STEM)”相对接?要解答这个问题，首先要了解科学与工程实践(STEM)[2]和科学探究[3]的内容标准(见表1)之间有何关联:

从对比中我们可以看出，科学与工程实践(STEM)是在科学探究的基础上做出的实践性的要求与设计，是科学探究的升级。我们不能说在美国《新一代科学教育标准》中强调了STEM就是弱化了科学探究；相反，我们须认识到只有通过科学与工程的实践才可真正培养起学生的科学探究技能与思维。科学教育在美国实施的基础与条件远优于中国，中国科学教育的水平与现状提示我们:既要引进最新教育理念，又不能盲目跟风跃进，更应脚踏实地地把“探究”的基础做好。所以，在中国《小学科学课标》中强调探究式学习以主，倡导跨学科学习的模式，笔者认为是对实现科学与工程实践的“分步走”。

(二)中美科学课程框架的异同

继中美科学教育/课程标准公布之后，可以从科学课教材上具体感受到对不同标准的不同解读的差异。本文选取了得克萨斯州科学教材《Science Fusion》和加利福尼亚州科学教材《Science A Closer Look》两套美国主流科学教材为比较蓝本，与中国小学《科学》(2017年人民教育出版社的科学课教材)进行比较。

1. 美国科学教材课程体系概述

在《Science A Closer Look》中可以看出，加州这套科学课程是按照《K－12科学教育框架》中核心概念的细化标准在每个年级段按生命科学、地球科学和物理科学三个部分进行设计，而工程设计融入每个章节的内容中，同时还突出数字模拟模型的在线资源辅助。

《Science Fusion》在课程设计结构上更加突出了STEM课程的设计，其在生命科学、地球科学和物理科学三个部分之前独立列出“科学本质与STEM”(The Nature of Science and STEM)的单元，同时在生命科学、地球科学和物理科学三大部分中通过“探究挂图”(Inquiry Flipchart)的形式把每个单元探究实验与STEM实验有机地串联起来。

2. 中国科学教材课程体系概述

从2017年人教版的《科学》教材(1－6年级)的目录可以看出，新版的《科学》教程已按新科学课标的科学知识分段目标要求对课程进行生命科学、地球科学、物理科学技术与工程四部分来划分，但是课程的框架体系是按照整个小学阶段来划分的，如三年级上册主要学习动物，下册主要学植物；四年级上册是自然地理的综合，下册集中学习物理科学中的声光电。

在新增设的一、二年级《科学》课本强调了“科技与生活”，围绕着此主题让学生对科学与社会、环境、生活的影响进行思考。同时在六年级的教材中《系统组成的世界》和《相互联系的世界》两大主题则体现了对跨学科的综合运用。

个人认为，在内容框架的编排上，美国教材在每个年级段按三个学科维度的课程体系会更合理一些，符合青少年学生在不同年龄段对三个学科知识由浅至深的认知与理解。而中国教材的框架中的学科划分，在一定程度上易形成在某个年级段某类型知识的堆积。由于《小学科学课标》发布不到半年，能得到的新版本教材有限，希望能看到编排更加合理的教材版本。

3. 案例:中美教材中一堂科学课的差异比较

如果说在中美教材课程框架分析对比中，看到对于专题课程单元的编排是整体划分与分阶段划分上的不同，那么选取一节具体科学课程来比较的话，会发现在探究培养形式与表达上有明显的差距。课程案例选择了《Science A Closer Look》二年级的“Where can snails live(蜗牛在哪里生活?)”与2017年人教版《科技与生活》二年级中“蜗牛天地”，从探索培养方面对二者进行以下比较。

在《Science A Closer Look》的“Where can snails live(蜗牛在哪里生活?)”课程中(见图1)，可见课程通过让学生观察花园与池塘两种不同环境下的蜗牛的习性来完成一个“寻找蜗牛最爱吃什么”的探究任务，一步一步地来引导学生进行关于蜗牛生活在哪里、吃什么的探究。学生在每一步探究过程中要使用什么样的探究技能，如何使用图表进行分类记录，都有明确示例，如同数学课本中的例题，最后为学生总结出了一套科学探究方法(见图2)。

图1 蜗牛在哪里生活?

图2 科学探究方法

《科技与生活》的“蜗牛天地”课程，通过抓一只蜗牛、为蜗牛布置一个“家”为任务引入，通过饲养蜗牛来观察和记录蜗牛的生活习性(见图3)，以蜗牛的秘密为引导，引导学生列出研究的内容与发现(见图4)。在这一过程中，没有给学生具体的方向和例子，也没有明确一个探究的流程和对探究技能的运用，仅强调了人文关怀和爱护小动物。

图3 给蜗牛安一个家

图4 蜗牛的秘密

两相比较，从美国教材中我们可以看出，对于二年级小学生的科学探究过程已经明确了方法与技能培养，同时试图通过科学探究流程化来培养学生独立探究的意识。但在中国的科学教材中，探究还是一个笼统的过程，学生没有得到明确方向与流程的指导，这可能需要教师大量的指导与帮助，弱化了探究模型化的培养，给并不谙熟探究式教学的中国教师提出了更大挑战。

二、科技博物馆科学教育活动的定位与对策

科技博物馆科学教育活动的定位是直接影响到如何有效开展馆校之间合作的关键，因此可从对比中美的课程差异并结合科技博物馆的资源特点，来寻求新的思路与切入点。

(一)从中美科学课程差异中找到科技博物馆的课程定位

美国《新一代科学教育标准》和课程所提出的先进理念反映了科学教育的发展方向，从中美科学教育标准的差异以及中美科学课程的侧重中，可见我国科学教育的局限与不足。在中外科学教育理念的交融和差异化中，科技博物馆可以起到相互衔接的作用:既可学习美国科学教育改革中的先进理念，也须遵循《小学科学课标》来设计教育活动，以有利于科技博物馆与校内科学课程相结合。具体来说就是，科技博物馆的科学教育可以美国《新一代科学教育标准》中的“三个维度”(科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念)为框架来衔接中国《小学科学课标》中的具体内容要求，突出实践性探究和跨学科拓展，这符合科技博物馆的自身特点和展教要求。

1. 科技博物馆基于科学探究实践的展品是科学与工程实践的完美结合

科技博物馆那些以科学实验、科学考察、技术发明的实验装置或对象为原型的科技展品，可以为STEM教育课程提供了实践条件与信息载体。[1]同时，许多科技博物馆与企业合作的特色展区或技术展品都为科学与工程实践的学习提供了优质的条件，有着科技博物馆与生俱来的资源优势。

2. 科技博物馆的主题式展览设计模式适合开展跨学科概念的学习

在综合性科技博物馆(如科技馆)的常设展览中常以“生命科学”“环境与资源”“信息技术”“数学”等来划分展厅，临时展览也是如此；2016年全国自然科学博物馆举办的临时展览中与科学相关的主题占了七类中的五类①中国自然科学博物馆协会.中国科普场馆年鉴(2016卷)[M].北京:中国科学技术出版社，2017:63－71.，如“海洋与水生物”“天文、地球、地质与矿产”“科学技术”等，这恰恰提供了跨学科学习的内容。

3. 科技博物馆科学工作室邻近展厅的地利优势，有利于开展STEM教育

开设于展厅的科学工作室是面向观众进行科学教育的主要平台，在便于利用展厅资源的同时，也很容易于让学生有真实情境的代入感。同时，科学工作室原有的科学教育课程体系也便于向STEM教育转化。

科技博物馆应该作为最新科学技术与先进科学教育理念的传播者与倡导者，我们通过先进理念与优势资源的整合，来为科学教育服务，取他山之石，为科技博物馆的科学教育取长补短。

(二)科技博物馆如何进行课程资源的开发与建设

从中美科学教育的差异化给科技博物馆带来的机会与变化，将成为科技博物馆提升科学教育层次与水平的突破点，但如何开发适合于科技博物馆的STEM教育，许多科技博物馆可能都会遇到两个问题:一是课程资源如何开发与运用；二是专业人才队伍的培养与建设。

1. 科学教育课程的STEM化

随着《小学科学课标》的公布，许多在《3～6科学课标》体系上设计出来的科学课程都要面临重新修订与调整。当然我们不需要全盘否定原有的探究模式，而是应把“三个维度”的理念与内容融入其中，这种修订与调整的过程我们称之“STEM化”。STEM化就是为了实施“基于科学与工程实践的跨学科探究式学习”，科技博物馆可以更好地发挥自身教育的特征与资源优势。同时，由于我国学校在资源、理念、方法等方面的制约，目前的科学课一时难以完成STEM化。相信对原有科学课程进行STEM化，在一定时间内会与STEM课程共存，这也成为科技博物馆与学校的科学教育资源互补的结合点。同时，科技博物馆可以根据展品、展区的特点，对不同类型的科学课程进行区别对待。

(1)选择与STEM契合度高的展品，开发完整的STEM课程。在科技博物馆中挑选出对“跨学科概念”和“科学与工程实践”有天然“亲和度”的展品，按照“三个维度”的框架与思路去设计，不仅有真实情境还原和原理展示，还可以有具体操作体验的实践，如污水处理厂的污水处理模型展品，可以从“节约用水”或“水的净化”方面进行STEM课程的设计。

(2)对于科学工作室或工作坊中原有的科学课程，可以通过引入“跨学科概念”和“科学与工程实践”，设计出循序渐进的主题系列化课程，进行STEM化的改良。如《叶问》系列课程(在后面的案例中将分析和剖释)，笔者认为这是中美科学课程差异化过程中的一个过渡产品，是科学教育新旧框架、理念转变中的一种尝试。

(3)以STEM教育课程为基础开发符合STEM理念的展览、展品。我国的许多科技博物馆都是先有展览的规划建设和展品设计，再围绕着展览、展品来开发设计相应的教育活动，这样的流程大大地制约了科学教育开发设计的空间。随着新一轮科技博物馆展览、展品更新改造的展开和STEM教育的兴起，转变展览、展品的设计模式，以“展教同步设计”的方式，以具体的STEM教育课程为导向，设计研发符合STEM理念的展览、展品，将成为科技博物馆与展览展品企业共同努力的方向。

2. 建立“校－馆－校”新模式与机制的尝试

从美国《新一代科学教育标准》的公布及实施情况来看，STEM教育对教师与硬件的要求之高，各学校教育资源的不均衡，特别是对科学教师知识储备与跨学科设计能力的要求，使优质的STEM课程难以获得。[5]在中国，《小学科学课标》要求从一年级开始开设科学课程，对学校最直接的影响恐怕就是科学课教师的不足，同时现在师范院校对科学课师资培养短缺，可以预见到未来科学教育专业人才的缺口将是STEM教育发展的一个瓶颈，科技博物馆应该利用自身的资源条件与实际需求积极参与到其中。

在科技博物馆的馆校结合资源建设中，国内许多科技博物馆进行了有益尝试。如辽宁科技馆、上海自然博物馆、重庆科技馆、北京自然博物馆、绍兴科技馆等均以馆方自主开发“馆校结合”课程为主，并由馆方教育人员和志愿者为学校团体提供授课服务。这种“馆－校”模式，无论是在《小学科学课标》的影响下，还是在科技博物馆科学教育重新定位的情况下，可能都面临对场馆教育人员和志愿者教师进行重新定位与培训的问题。为了培养能适应STEM教育活动的人才，需要从机制和资源上进行一些全新的探索。

广西科技馆同样也遇到了中小学教师开发馆校结合项目能力不足的问题，于是尝试转变。2015年，广西科技馆的合作对象从中小学校转向高校，与广西教育学院合作，在其小学教育、地理教育等专业下开设了《科学教育与实践》课程，教授基于科技博物馆资源开展科学教育实践活动的案例与思路，用于培养相关专业师范生开发科技博物馆科学教育活动的能力。这一尝试最早是用来解决专业人员不足的问题，却逐渐形成了以“高校培养师资－科技博物馆培训与资源支持－学校科学实践”一个三位一体的“校－馆－校”资源合作相通、共享发展的新模式，提供了一种新的拓展方向和转型的可能。

科技博物馆的STEM教育对专业人才的高要求，需要从培养人才机制上进行创新与改变，有条件的科技博物馆可能需要更早地布局人才培养与成长的机制。

3. 案例:广西科技馆科学工作室《叶问》系列课程探究与设计思路

《叶问》系列课程是基于青少年科学工作室平台开发的STEM化课程，课程以叶为题材细化出叶子的色、形、脉、序等切入点，结合《小学科学课标》中生命科学分阶段对植物的不同认识，试图设计出从探究到STEM的主题式系列化课程(见表2)。

表2 《叶问》课程结构表

课程首先结合课标从教材中找到切入点。以2017年人教版的《科学》教材为例，从一年级的“周围的植物”、三年级的“植物和我们”到四年级的“认识更多的植物”三节关于叶子的课程来归纳出共同点，作为选定主题的依据。在单纯生物学中的叶子探究课程基础上加入了跨学科的元素。其次，参考了《Science Fusion》中相关植物课程中对叶子的探究方法的模型[6]，为学生认识叶子细化关于探究过程的每个步骤。

《叶问》课程不能算是完全意义的STEM课程，而是在原有的科学工作室课程基础上进行STEM化的尝试。对原有的科学课程进行改良与调整，符合许多科技博物馆课程的现状，同时也为我们开发与设计这一类课程提供思路与启示:

(1)寻找课程的切入点。在科学工作室原有课程与科学教材课程之中寻找共同点、衔接点，使课程内容符合课标的要求，有利于拓展出有别于学校教材的新课程。

(2)明确探究过程，强调探究技能。在中美教材的科学课案例对比中我们知道，探究流程化模型不仅有利于培养学生的探究意识、明确探究过程，也利于学生进行工程技术实践中指令化和程序化的培养。科学探究作为新《科学课标》的核心，是衔接STEM的基础，也是现阶段科学课堂上的薄弱环节，这是我们课程设计重点打造的突出部分。

(3)按照“三个维度”来拓展课程。“三个维度”理念运用到课程设计中的直接效果就是把课程跨学科化与工程化。跨学科化结合《小学科学课标》中“学科关联建议”的内容，数学是最容易相关联的学科，如探究中需要量化的结果通过数学来表达，同时从记录数据中找出规律，比如在叶序与叶形的课程中涉及到了黄金分割系数与正态分布函数。其实，不是每节科学课程都一定要和跨学科或者和工程技术扯上关系，我们在挖掘与主题相关的内涵与外延时，应该“顺其自然”。

(4)需要构建情境。STEM教育强调真实的学习情境，这既可以是真实的任务情境和问题情境，也可以是真实的生活情境。在《叶问》课程中运用最多的是通过提出问题引导学生联想生活中的环境和现象，进而去重新观察身边的植物叶子。营造情境的核心，是引导学生进入探究的实践。

(5)STEM课程的系列化与独立性。目前所了解到的STEM课程，大都是就一个主题开发的系列课程，如东南大学汉博教育本土化的《桥世界》作为STEM课程的典型案例，但其课程结构更有利于在学校开展。这是因为系列化课程周期长而且课程之间关联性强，这恰是科技博物馆教育活动的短板。如何把系列化、关联性强的课程转化成相对独立性的课程，以满足科技博物馆教育活动的实际情况，是科技博物馆STEM课程面临的问题，也是努力的方向。

[1]朱幼文.基于科学与工程实践的跨学科探究式学习[J].自然科学博物馆研究，2017(1):6－13. [2]叶兆宁.美国新一代科学教育标准概要[EB/ OL].[2013.09.23]http://blog.sina.com.cn/s/ blog＿538c514e0101co1h.html.

[3]罗星凯.科学探究与国家科学教育标准[M].北京:科学普及出版社，2006:17－30.

[4]李秀菊.美国落实《新一代科学教育标准》的理念与实践[J].中国科技教育，2017(3):6－7.

[5]安妮塔·克里施纳穆希.加强合作，在课外活动提供高质量STEM教育[J].《维度》中文版，2016(4):18－22.

[6]Michael A.DiSpezio Marjorie Frank.Science Fusion [M].Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company 2012:135－173.

Some Thoughts and Countermeasures on Science Education in Science and Technology Museums Based on Differences between China and the United States towards Science Curriculum Standards

Zhang Zuxing

Since the United States enacted the“K－12 science education framework”and proposed the STEM education in 2011，more and more museums have focused and tried to explore the STEM education based on their own resources.As China announced the“primary school science curriculum standards”in January 2017，the primary schools of China have their own standards and references on the STEM education.However，we should be aware that the role and content of science curriculum standards are different between China and US due to their unique education system.This paper tried to compare the different concepts and orientation from the science curriculums of China and US to seek new patterns of science education which are suitable in science and technology museums.

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①张祖兴:广西壮族自治区科学技术馆讲师；研究方向:青少年科学教育；通讯地址:广西南宁市民族大道20号；邮编:530022；邮箱:47621323＠qq.com。

①摘选2015年12月张逸中博士《STEM教育与创客教育》PPT中的STEM教育部分内容。