利用移动媒体技术引导基于静态展品的探究式学习——以展品“神舟载人飞船返回舱”为例

崔胜玉 辛尤隆 郭 鑫 黄 践

静态展示类展品是科技馆或博物馆展览的重要组成部分，是不可缺少的科普传播媒介和科普资源，该类展品往往蕴含着丰富的历史知识、科学概念、科学精神和人文情怀等科学、文化的信息，由于互动体验不多，如果缺少主动讲解，参观者很容易错过展品背后蕴含的丰富信息内容。

进入物联网时代，以大数据、云计算、移动、社交为主的创新技术正在颠覆传统的生活和工作模式，而移动互联网的迅速发展、智能手机逐步普及、各种智能设备的发明也为科技馆或博物馆展教形式的改革与创新带来了更多的可能。目前，包括iBeacon在内的移动媒体技术，已在许多学校和科技馆中应用，利用其辅助学校和科技馆开展教育，是发展的大趋势，也是学习者的需要。不过，当前利用移动媒体技术设计的学习内容存在变相说教，向用户灌输知识的现象，缺乏探究性、引导性，内容表达形式大多是图片或文字，不易于用户理解，也让用户阅读了解的兴趣不高，这显然不符合当代科学教育倡导探究式学习的教育理念，也与科技馆基于互动展品的探究式学习的特点背道而驰，不易体现科技馆的教育资源和教育特征优势。2022年，教育部印发《义务教育科学课程标准(2022年版)》，其中明确指出，倡导以探究和实践为主的多样化学习方式，让学生主动参与、动手动脑、积极体验，经历科学探究以及技术与工程实践的过程；引导学生对所学知识和方法进行总结、反思、应用和迁移，促进学生自主学习和合作学习，探究式学习因其重视学生主体性、能动性和独立性的提升而备受关注。科技馆展品用户大多为中小学生与家长以及愿意深度学习展品的参观者，应选取探究式学习理论指导内容设计。因此，利用移动媒体技术，引导参观者运用手持移动设备(如智能手机)实现对展品的探究式学习，不仅可以充分体现科技馆的教育资源和教育特征优势，同时对于激发学习者的好奇心也有积极意义。

一、5E教学法

5E教学法又称5E学习环，是一种以问题为导向的探究式教学法，近年来我国科技馆的实践已表明它也适用于科技馆的教育活动。5E教学法的特点体现在它的教学流程(或称教学模式)，即导入(Engagement)→探究(Exploration) →解释(Explanation) →迁移(Elaboration) →评价(Evaluation)的五个教学环节，这一流程及其内容与科学家科学研究的过程及内容很相似，实际上是通过教学流程将“科学家们以科研为目的的科学探究实践”转化为“参观者以学习为目的的科学探究实践”。这体现了美国20世纪80年代末90年代初《2061计划》提出的“像科学家探究科学一样学习科学”、1996年美国《国家科学教育标准》提出的“科学探究是科学与科学学习的核心”、2013年美国《新一代科学教育标准》提出的“基于科学与工程实践的跨学科探究式学习”等引领国际科学教育改革潮流的先进教育理念。

图1 5E教学法示意图

5E教学法中“导入”是通过某种方式引出包含将要学习内容的问题、悬念、认知冲突等，以激发学习和探究的兴趣，并且这一兴趣要直指即将学习的内容，有时甚至引出将要采用的探究方法。“探究”是参观者自己动手体验，利用展品进行研究，收集数据和证据，回答之前提出的问题。“解释”是在参观者探究的基础上，给予一些词汇、概念和原理的正式解释。参观者在和展品的互动体验中，体验过程，构建新的知识和科学的解释，回答最初提出的问题。“迁移”是参观者应用新的理解解决新的问题及现象。“评价”是参观者用正式或者非正式的方法评价新的知识、理解和能力。

二、iBeacon技术及微信的配置

iBeacon技术是一种精确微定位技术，可自动推送相关信息至智能设备，支持IOS系统和安卓系统的开发。iBeacon基站利用低功耗蓝牙技术，创建一个信号区域，当用户手持设备靠近一个iBeacon基站时，设备能够感应到iBeacon信号，相应的应用程序便会提示用户是否需要接入这个信号网络，自动推送相应的文字、图片、视频等多媒体信息。

图2 iBeacon技术示意图

iBeacon最主要的优势就是精准定位，通过周边多个iBeacon收发器，用户的位置可以被精确定位至几米的范围内，这一定位技术被业内统称为“微定位”(microlocation)。目前适用广泛的定位技术有GPS和NFC。相对于GPS的定位不够精准和NFC要求定位距离太近的劣势，iBeacon表现出强大的优势：让地理定位能够更加精确——从几百米的精度提高到了一米甚至半米。可以让很多的实际物体都有条件进行地理定位，例如一张桌子、一把椅子，都可以有自己的地理坐标。

表1 iBeacon与其他移动媒体技术的比较

通过对比可以看出，多媒体显示屏成本太高，设备和开发成本成为了一大障碍；“二维码”和微信平台只能由用户主动扫码和搜索。而iBeacon技术可以直接将相关信息自动推送到用户的智能手机或平板电脑上，这样用户可以有效利用自己的智能设备进行参观学习，成本低廉。同时，iBeacon自动推送信息可以大大提高用户的使用率，由于iBeacon的技术特点是在后台实时对用户进行定位和数据传输，因此用户甚至只需要从口袋中拿出手机就能够看到自己感兴趣的内容，而这也恰恰是iBeacon相较此前NFC或者二维码技术的最大优势所在。另外，国外曾针对大量APP做过统计，发现每个APP平均6个月的用户留存率只有15%，但做了自动推送后，留存率即达到30%，提高一倍。

经前期调研发现，2014年“五一”期间，北京某购物中心部署300个水滴iBeacon基站，将商场重点公共区域都覆盖了iBeacon信号，进而推出“春夏新品疯狂BUY、下载水滴抢免单”的活动，利用手机应用、iBeacon基站让消费者可以实时互动并获取到位置信息，享受到更好的购物体验。在国内一些课堂教学中，将iBeacon 设备放置于教室中，学生打开手机蓝牙，启动“微信—发现—摇一摇”，摇动手机，微信将接收到iBeacon 设备发射的信号，微信服务端根据接收到的UUID、Major、Minor 等信息为用户推送绑定的H5互动教学页面，学生可点击登入线上教学系统，与教师一起完成互动内容。

本研究基于微信平台“周边”功能，搭建“中科馆展品助手”微信小程序，实现iBeacon基站与“微信摇一摇”绑定，可通过摇一摇推送辅导内容。用户在iBeacon设备信号范围内打开微信“摇一摇”参与互动，只需点击摇一摇结果，在微信内嵌的浏览器中就可直接跳转到辅导页面。展品辅导资源界面进行了特殊设计，界面采用H5网页的形式呈现，这样能兼容文字、图片、音视频。H5网页主要包括6部分内容，并与5E教学法做了对应(见图3)。

图3 展品辅导资源一级界面示意图

三、展品介绍

展品“神舟载人飞船返回舱”位于中国科技馆四层“太空探索”展厅，展品由神舟一号飞船返回舱实物、操作台、围栏组成。参观者通过操作台上的2个平板电脑，借助增强现实技术实现3D透视效果，了解神舟系列载人飞船返回舱内部结构及航天员活动。另外平板电脑可演示降落和软着陆过程动画，让参观者了解返回舱降落过程(见封三)。

四、展品辅导资源开发

(一) 激发兴趣，导入问题

本环节对应5E教学法中的第一个“E”，即导入(Engagement)。导入的目的是为了引发用户的兴趣。为了解用户操作误区及用户针对展品关心的问题，在展厅对20组用户进行访谈，收集用户对于此展品关心的问题。经梳理汇总，包含以下内容：“神舟一号飞船返回舱造型为什么都是这个形状？”“神舟一号飞船返回舱里面什么样？”等。为吸引用户的注意力和激发学习兴趣，本案例采用了“挑战+角色扮演”的教学设计。

挑战：用户进入微信小程序查看展品照片，可看到“神舟一号返回舱”外观，但却不了解其内部结构，会产生疑问。本文将该环节命名为“如何玩转这个展品，返回舱内部都有什么？”，通过问题导向的方式，直观引导公众参与探究展品，从给定的三张图片中选择 “神舟一号返回舱” 3D透视效果图，选好之后，查验答案。通过营造悬念、设置挑战，激发探究兴趣。

角色扮演：“你是设计师，如何来设计飞船返回舱？”在载人航天史上，曾出现过几种飞船返回舱造型：球型(苏联“东方”号飞船返回舱)、锥型(美国“水星”号和“双子星”号飞船返回舱)、钟型(苏联“联盟”号和中国“神舟”号飞船返回舱)等。“如果你是飞船返回舱设计师，你会如何设计呢”？通过“角色引入”形式，从而激发了用户对“神舟一号返回舱”构造的学习和探究欲望。

(二) 引导探究，寻找答案

本环节对应5E教学法中的第二个和第三个“E”，即探究(Exploration)与解释(Explanation)。本案例将通过问题或建议的形式给予用户恰当引导，带领用户探究神舟一号飞船返回舱造型及内部构造的相关答案(见图4)。在此过程中，展品辅导界面将对用户的设计提出明确的要求，例如：节省空间，便于安装在运载火箭的顶部；减少飞行阻力；方便航天员在火箭发射后发生故障时离开；防止返回地面的降落过程中发生翻滚等。用户进入微信小程序，可以针对上述问题及建议进行探究。在微信小程序“全景看返回舱”界面中，通过模拟返回舱设计和试验的过程，引导用户进行分析思考，从中悟出科学原理。用户可以在锥型、钟型、球型、圆柱型等返回舱外形中进行选择，设计成某种造型后，演示其在安装、发射、飞行、返回地面的过程中产生的不同结果；用户还可以换一种造型，查看又会产生什么样的结果？如果没有配重，或未将配重设置在返回舱的底部，又会产生什么结果？引导用户思考：为什么会产生上述结果？为什么除了第一代“东方”号飞船之外，后来美国、苏联、中国的返回舱都要设计成底大头小的“不倒翁”形状？

图4 展品辅导资源探究环节互动界面

最后，通过一段辅导视频，解读其中的奥秘。视频内容如下：①引入情景，两个外形相同的飞碟，一个底部增加配重，一个没有配重，从高处落下，抓拍飞碟下落的过程，一个平稳下落，另一个在空中下落过程中不断翻滚。②问题导入，返回舱采用一头大一头小的“钟”形外形，是为了避免返回舱下落过程中翻滚？③原理解释，返回舱在进入大气层后，作用在返回舱上的空气对返回舱产生压力，这些压力可以合成一个对返回舱任何一点的力和力矩，但是在返回舱上有这样一个点，对该点求合力时只有力而没有力矩，这个点就叫气动力中心。通过合理设计仪器设备的布局位置以及增加适当的配重，可以将返回舱质心配置在返回舱气动力中心之前的一定位置，可保证返回舱至少存在一个稳定点，不会一直翻滚，从而形成一个稳定的再入姿态。

(三) 拓展探究

“拓展探究”对应5E教学法中的第四个“E”，即迁移(Elaboration)。对展品展示内容更加全面的了解，同时鼓励公众将概念应用到新的情境中，获得更多信息和技能。

在本案例的“全景看返回舱”部分，设置返回舱仿真模型，用户可以随意点选模型上的按钮，了解返回舱模型相关文字内容，全面认识神舟一号返回舱。可以了解返回舱防热层的材质，降落伞的数量及面积等相关内容。针对其他用户关心的问题则采用原理图、模型、动图等形式，并配上尽可能精简且突出重点的文字，进行解释。

在“拓展探究”部分，推荐展厅中的关联展品“三轴旋转滚环”，用户可以通过亲身体验，让用户了解如何训练航天员在太空失重环境中的眩晕控制能力，同时也能更加深刻地感悟返回舱稳定飞行的意义。

(四) 评价反馈

评价反馈对应5E教学法中的第五个“E”，即评价(Evaluation)。此项内容可促进展品之间相互联系，同时也可考察参观者是否真正理解这个展品的原理，可以举一反三。本环节设置“热点大讨论”，引导用户利用自己在这一活动中学到的新概念和技能来思考问题，主题是“如果让你担任载人登月、登陆火星的设计师，你会如何运用本次所收获的知识、方法、思路来进行设计？”引导用户在微信小程序留言，引导用户从着陆器造型、返回舱主体结构、气动外形、生命维持系统、再入热防护材料、回收、可重复使用等多个角度进行研讨，深入思考载人航天科技发展。

五、结语与展望

本文以科技馆中静态陈列型展品为研究对象，基于iBeacon技术及微信平台，开发信息化辅导资源平台，根据5E学习教育理论，设计探究式学习辅导资源内容，将原本隐含于静态展品之中的科学技术内容形象化、感知化、趣味化，使用户通过微信“摇一摇”，实现探究式学习，提高展教过程的互动性和用户的学习积极性，实现深度学习展品展示内容，这是利用物联网技术优化科技馆、博物馆展览教育的一种实践。

移动互联网时代，人们的学习方式逐渐移动化、碎片化、定制化，由于信息量的激增、学习渠道的多样化等原因，导致碎片化学习的效率低下。因此，展品探究式学习辅导资源内容须简洁，主要目标为实现展品教育目标的延伸和扩展，不宜面面俱到，否则容易引导公众思维不集中。要实现静态展示的展品数字化，利用增强现实等新技术，让静态展品活起来、动起来，吸引用户关注。要注重对展品细节科学知识的展示，可以录制简单的科学实验视频，或者拍摄辅导视频等方法来诠释晦涩难懂的科技内容、科学概念、科学精神和历史人文等信息。要做好调查研究，利用微信小程序平台的优势，可以对使用资源包的用户发放调查问卷，收集用户对辅导资源满意度评价信息。经分析可看出，用户对采用微信“摇一摇”的方式获得展品辅导资料的意愿度更高，用户喜欢形式为更多生动的视频辅导方式，此类意见对于后期展品探究式学习辅导资源内容开发提供了很好的借鉴。