孫偉強(qiáng)①
科學(xué),尤其是現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展,大大拓寬了人類(lèi)對(duì)于世界認(rèn)知的邊界和深度??茖W(xué)的發(fā)展與進(jìn)步,展現(xiàn)出人類(lèi)思維邊界的延伸和擴(kuò)展[1]?,F(xiàn)代科學(xué)的高速發(fā)展造成了其與觀眾的實(shí)際生活越來(lái)越遠(yuǎn),概念越來(lái)越抽象、模型越來(lái)越復(fù)雜。如何對(duì)科學(xué)概念進(jìn)行普及,尤其是對(duì)當(dāng)代前沿科學(xué)與高新技術(shù)的普及是科普工作面臨的普遍問(wèn)題。承擔(dān)著全民科普使命的科技館,其本身又具有獨(dú)特性,當(dāng)面對(duì)這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候,科技館究竟應(yīng)當(dāng)做些什么?
對(duì)于科技館在科學(xué)技術(shù)朝向“超宏觀”“超微觀”“超長(zhǎng)期”“極短期”等方面發(fā)展時(shí)所遇到的困難,中國(guó)科技館新館建設(shè)顧問(wèn)張開(kāi)遜曾在2006年的一次研討會(huì)上有過(guò)如下論述(1)以下兩段論述的引用來(lái)自于朱幼文老師在審稿過(guò)程中的指導(dǎo),特在此致謝。:
科技館擅長(zhǎng)表現(xiàn)的是截至19世紀(jì)末的經(jīng)典物理學(xué)及與其相關(guān)的部分?jǐn)?shù)學(xué)、能源、機(jī)械、材料、交通等領(lǐng)域的科技原理,所以世界各國(guó)科技館的經(jīng)典展品主要集中在這些領(lǐng)域。這些展品有一個(gè)共同的特點(diǎn),它們所顯示的是“常觀狀態(tài)”下人類(lèi)肉眼可觀察的科學(xué)現(xiàn)象,而且是可重復(fù)操作、可在數(shù)秒鐘之內(nèi)即顯示的科學(xué)現(xiàn)象。
到了20世紀(jì),特別是20世紀(jì)中期以后,科學(xué)技術(shù)(包括物理學(xué))向微觀、宏觀(包括超宏觀)兩個(gè)方向發(fā)展,如微觀的核物理學(xué)、粒子物理學(xué)、量子力學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、細(xì)胞學(xué)、分子生物學(xué)和宏觀、超宏觀的天文學(xué)、相對(duì)論等,其原理所呈現(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)象已超出了人類(lèi)肉眼可觀察的“常觀狀態(tài)”。因此,在科技館的展廳中很難呈現(xiàn)其真實(shí)的科學(xué)現(xiàn)象,往往是通過(guò)多媒體、動(dòng)畫(huà)、視頻來(lái)演示其模擬的科學(xué)現(xiàn)象,這也使表現(xiàn)這些內(nèi)容的展品不能像經(jīng)典展品那樣讓觀眾有真實(shí)的體驗(yàn)。
既然科技館本身擅長(zhǎng)的是經(jīng)典物理學(xué)以及相關(guān)的科學(xué)現(xiàn)象,且科技館自身也有著展示面積的限制,因此科技館在選擇展示內(nèi)容的過(guò)程中必定會(huì)有所側(cè)重,有所取舍,沒(méi)必要也不可能面面俱到。如此說(shuō)來(lái),科技館是否只展示經(jīng)典展品就可以了?是否沒(méi)有必要展示不適合常觀狀態(tài)下演示的科技現(xiàn)象及原理,特別是當(dāng)代前沿科學(xué)與高新技術(shù)?當(dāng)遇到前沿科學(xué)熱點(diǎn)事件時(shí)回避相關(guān)展示與教育內(nèi)容即可了呢?
首先從科學(xué)教育、科學(xué)普及的角度來(lái)看,這些重要的科技內(nèi)容是不能舍棄的,特別是當(dāng)代前沿科學(xué)與高新技術(shù)。例如基因編輯技術(shù)現(xiàn)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展,利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)可以在“超微觀”的基因組特定位置中編輯基因,其涉及到的基因治療、科技倫理問(wèn)題在社會(huì)上產(chǎn)生了很大的影響和爭(zhēng)議。對(duì)于這些重要科技內(nèi)容的傳播是觀眾所需要的、也是他們希望了解和掌握的。觀眾對(duì)科學(xué)教育、科學(xué)普及的“需求”是實(shí)實(shí)在在存在的??萍拣^承擔(dān)著全民科普的使命,向觀眾“供給”相應(yīng)的科學(xué)教育、科學(xué)普及活動(dòng)是其應(yīng)有之義,若以科技館的教育特點(diǎn)不適合、不易開(kāi)展相應(yīng)活動(dòng)為由而不作為,就背離了科技館科普的初衷。這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)是科學(xué)教育、科學(xué)普及的“需求”與科技館的“供給能力”之間的矛盾,即“供需矛盾”。
其次,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科技館不可避免地會(huì)涉及到前沿科學(xué)概念。即便是科技館經(jīng)典展品、活動(dòng)已經(jīng)涉及的科學(xué)概念也是如此。以科技館的經(jīng)典展品“神秘的黑洞”為例,可以展示黑洞引力強(qiáng)大,連光都逃脫不了。但在2019年全球公布了首張黑洞照片,其“超宏觀”——拍攝的黑洞本身距離地球5300萬(wàn)光年,質(zhì)量相當(dāng)于65億顆太陽(yáng);“超長(zhǎng)期”——經(jīng)過(guò)2年的數(shù)據(jù)分析才一睹黑洞的真容。經(jīng)典展項(xiàng)背后的科學(xué)概念、科學(xué)原理本身也在不斷地進(jìn)步、完善。發(fā)揮科技館的教育功能,也離不開(kāi)前沿科學(xué)。
一些教育活動(dòng)會(huì)采取對(duì)觀眾進(jìn)行相關(guān)概念的講解,但這樣的教育活動(dòng)往往變?yōu)橐话阈缘闹R(shí)講解。不了解相關(guān)內(nèi)容的觀眾會(huì)覺(jué)得這些內(nèi)容艱深晦澀,而對(duì)于那些已經(jīng)了解相關(guān)內(nèi)容的觀眾來(lái)說(shuō),這樣的講解則顯得淡而無(wú)味。若以這樣的方式在科技館開(kāi)展教育活動(dòng),整個(gè)活動(dòng)過(guò)程中觀眾就失去了自主操作和體驗(yàn)的環(huán)節(jié),也與科技館的特點(diǎn)相違背。與此同時(shí),觀眾缺乏主動(dòng)探索帶來(lái)的收獲和樂(lè)趣,從而無(wú)法獲得直接經(jīng)驗(yàn)。這樣的教育活動(dòng)與學(xué)校授課差異不大,只是環(huán)境從教室換成了科技館。沒(méi)有觀眾的參與體驗(yàn),在科技館中開(kāi)展的這些教育活動(dòng)的功能和價(jià)值就將大打折扣,教育效果也不盡如人意[2]。
如何圍繞抽象科學(xué)概念相關(guān)的模型、思維方式等內(nèi)容開(kāi)展科普,是對(duì)科技館科普能力的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代科學(xué)研究對(duì)象的“超宏觀”“超微觀”,演化模型與過(guò)程的“超長(zhǎng)期”“極短期”,使得科技館難以直接利用這些資源。其它類(lèi)型科技博物館尚且可以通過(guò)模型、多媒體、動(dòng)畫(huà)、視頻向觀眾灌輸這些科技知識(shí)的“間接經(jīng)驗(yàn)”,但科技館所秉持的通過(guò)“基于實(shí)物的體驗(yàn)”“基于實(shí)踐的探究”使觀眾獲得“直接經(jīng)驗(yàn)”的教育理念,如何在這些領(lǐng)域的科技傳播中得以貫徹實(shí)現(xiàn)?更為重要的問(wèn)題是,這些抽象概念如何能夠轉(zhuǎn)化為觀眾的認(rèn)知,將“間接經(jīng)驗(yàn)”與現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系,以完成知識(shí)的“內(nèi)化”與“建構(gòu)”。
抽象科學(xué)概念是科學(xué)家們從許多具體科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)問(wèn)題中歸納、總結(jié)、抽象出來(lái)具有一定普遍規(guī)律的科學(xué)概念。達(dá)爾文通過(guò)觀察一個(gè)個(gè)具體的生命進(jìn)化現(xiàn)象探索、歸納、總結(jié)并提出進(jìn)化論。他在加拉帕戈斯群島上所觀察到的鳥(niǎo)類(lèi)都是具象的存在。埃德溫·哈勃觀察到各個(gè)方向的遙遠(yuǎn)星系都在高速地遠(yuǎn)離我們而去。一個(gè)個(gè)具象的星系位置變化,使哈勃推斷出一個(gè)抽象的概念:宇宙并不是靜止的,正在不斷膨脹當(dāng)中。根據(jù)這一具體的現(xiàn)象,伽莫夫等科學(xué)家提出并完善“宇宙大爆炸”學(xué)說(shuō),進(jìn)而成為主流的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。
科學(xué)研究并不是閉門(mén)造車(chē)、無(wú)中生有,而是建立在一個(gè)個(gè)具體的問(wèn)題上。由此可以對(duì)相關(guān)科學(xué)概念的科普提出兩點(diǎn)啟示:一是需要“具象化”,將抽象科學(xué)概念的過(guò)程還原到具體研究或者關(guān)聯(lián)的具體事物中,這不僅有助于受眾認(rèn)知抽象概念,而且有可能是將“間接經(jīng)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為“直接經(jīng)驗(yàn)”的有效途徑;二是需要在“抽象概念具象化”與“基于實(shí)物的體驗(yàn)”“基于實(shí)踐的探究”“直接經(jīng)驗(yàn)”之間建立起聯(lián)系,“基于實(shí)物的體驗(yàn)”“基于實(shí)踐的探究”本身即“抽象概念具象化”的方法之一。
“具象→抽象”符合人類(lèi)由表及里、由淺入深、由個(gè)別到共性、由局部到普遍探索自然的認(rèn)識(shí)規(guī)律。脫離了具體的科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)問(wèn)題,普遍的、抽象的科學(xué)概念就無(wú)從產(chǎn)生,也無(wú)從談起。“具象→抽象”既是科學(xué)探索的規(guī)律,也是科學(xué)教育中的認(rèn)知規(guī)律。溫·哈倫在《科學(xué)教育的原則和大概念》一書(shū)中提出了科學(xué)中的14個(gè)大概念。這些大的概念都是抽象的,宏觀的,處于很高的認(rèn)識(shí)層次,是用于解釋和預(yù)測(cè)自然界現(xiàn)象的。例如《科學(xué)教育的原則和大概念》中的大概念6:宇宙中存在著數(shù)量極大的星系,太陽(yáng)系只是其中的一個(gè)星系。太陽(yáng)、八大行星以及其他一些按一定軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的較小的星體共同組成了我們的太陽(yáng)系[3]。而這個(gè)大概念的建立,也是在人類(lèi)具象的觀測(cè)當(dāng)中一次次迭代、升級(jí),從而逐漸形成了現(xiàn)在的大概念。例如冥王星從行星降級(jí)就是一個(gè)很好的例證,最初一直以來(lái)行星被簡(jiǎn)單地描述為太空中繞恒星運(yùn)動(dòng)的天體,1930年美國(guó)人最初觀測(cè)到這顆繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的天體,把它歸為行星。但隨著觀測(cè)的不斷深入,新的天文現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn),例如:冥王星有一顆和它自身差不多大小的衛(wèi)星;它的軌道有時(shí)候是在海王星的內(nèi)側(cè);在它的軌道附近發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與它相差不大的天體。這些現(xiàn)象不斷的挑戰(zhàn)著原本行星的定義,于是2006年在捷克首都布拉格召開(kāi)的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)閉幕大會(huì)上,2500位來(lái)自不同國(guó)家的天文學(xué)界代表對(duì)四個(gè)關(guān)于確定太陽(yáng)系行星身份的草案進(jìn)行投票表決后決定,冥王星失去“行星”地位,被劃為“矮行星”。天文學(xué)特別注重具象的觀測(cè),通過(guò)觀測(cè)具體現(xiàn)象,對(duì)抽象模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而推進(jìn)人類(lèi)對(duì)于宇宙的認(rèn)知。天文學(xué)中體現(xiàn)的眾多科學(xué)思想,也是觀眾在學(xué)習(xí)其他學(xué)科時(shí)不易接觸到的,但采用“具象→抽象”的展示方式,可以將模型建構(gòu)或者驗(yàn)證的過(guò)程通過(guò)觀眾的“親身體驗(yàn)”呈現(xiàn)出來(lái),將天文學(xué)蘊(yùn)含的科學(xué)方法轉(zhuǎn)化為觀眾的親身體驗(yàn)的直接的經(jīng)歷。這樣的方式在做到寓教于樂(lè)的同時(shí),可以幫助觀眾對(duì)天文學(xué)有新的認(rèn)知和了解。
當(dāng)然,在實(shí)際的教育活動(dòng)當(dāng)中,沒(méi)有必要都從最基本的現(xiàn)象開(kāi)始。因?yàn)椴煌挲g、受教育程度不同的觀眾有著不一樣的認(rèn)知基礎(chǔ)。目前很多科技館的展廳教育活動(dòng)會(huì)按照年齡層次區(qū)分設(shè)計(jì),從而匹配具備相符認(rèn)知能力的群體。同時(shí)科技館本身的環(huán)境布置、展品設(shè)置都構(gòu)成了具體的場(chǎng)景,建構(gòu)出具體的學(xué)習(xí)情境??萍拣^教育活動(dòng)的參與者和科技館輔導(dǎo)教師共同構(gòu)成了學(xué)習(xí)的共同體。在科技館中,具備參與者主動(dòng)構(gòu)建活動(dòng)的條件,當(dāng)科技輔導(dǎo)員通過(guò)適合的方式引導(dǎo)受眾,幫助其產(chǎn)生主動(dòng)建構(gòu),從而帶來(lái)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)變化。
以上分析了為什么“具象化”是“抽象科學(xué)概念”的解決之道,而科技館在“具象→抽象”的具體實(shí)踐中,還應(yīng)當(dāng)具備相應(yīng)的探究實(shí)踐的過(guò)程。當(dāng)初科學(xué)家的科學(xué)考察、科學(xué)實(shí)驗(yàn),都是通過(guò)觀察某種事物(動(dòng)植物標(biāo)本、星體的位置、天象的變化等)的現(xiàn)象獲得認(rèn)知的,這些過(guò)程都是科學(xué)探究的實(shí)踐?!巴ㄟ^(guò)親身實(shí)踐獲取直接經(jīng)驗(yàn)”是科技館教育的一個(gè)重要標(biāo)志,親身實(shí)踐代表著體驗(yàn),而此處的體驗(yàn)不是目前許多關(guān)于博物館、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)論文中局限于感官、氛圍、情感層面的虛泛“體驗(yàn)”,而是能夠?qū)е抡J(rèn)知的“體驗(yàn)”。體驗(yàn)中進(jìn)行探究也不是教育界某些人實(shí)施的“從書(shū)本到書(shū)本”“從概念到概念”的“偽探究”,而是基于實(shí)踐的探究,是“將科學(xué)家們以科研為目的的科學(xué)探究實(shí)踐,轉(zhuǎn)化為參與者以學(xué)習(xí)為目的的科學(xué)探究實(shí)踐”[4]。在科技館中開(kāi)展教育活動(dòng),既不能像學(xué)校教育一樣去灌輸知識(shí),這與科技館實(shí)際情況不符;也不能直白地向觀眾講述知識(shí)點(diǎn),這可能導(dǎo)致觀眾因缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而無(wú)法理解相關(guān)知識(shí)概念并對(duì)其產(chǎn)生畏懼。通過(guò)以上分析,科技館在開(kāi)展涉及抽象概念的科學(xué)教育活動(dòng)時(shí)應(yīng)當(dāng)具備如下特征。
直觀:可以直觀地進(jìn)行觀察、發(fā)現(xiàn)、探索。直觀不代表著直接看到,或者直接講述,而是讓觀眾通過(guò)一定的方式直觀地觀察到證據(jù)、過(guò)程、結(jié)果。
體驗(yàn):體驗(yàn)不是目的,而是方式。體驗(yàn)是科技館的一大特點(diǎn),通過(guò)體驗(yàn)獲得直接經(jīng)驗(yàn)將增加、啟發(fā)、驗(yàn)證或者改變參與者已掌握的證據(jù)或者事實(shí)。
探究:知道怎么回事和弄清楚怎么回事是兩個(gè)不同的概念。只知道太陽(yáng)的年齡大約50億年和通過(guò)理解得到這一結(jié)論的過(guò)程和方法是完全不同的。通過(guò)探究可以深入了解事物內(nèi)在的運(yùn)行邏輯。
但什么樣的“具象化”方式可以讓人們認(rèn)知和理解“抽象概念”呢?這個(gè)問(wèn)題可以換一個(gè)角度去考慮:什么樣的具象事物是受眾所熟知的、可以理解的。掌握這個(gè)原則之后,就可以順藤摸瓜,將抽象概念向熟悉的具象化事物轉(zhuǎn)化,找到解決辦法。當(dāng)然不同的主題有多種方式,比如電流、電壓這些概念,教師經(jīng)常會(huì)用“水流”“水壓”來(lái)比喻;大氣壓也通常用水銀柱的高度來(lái)進(jìn)行具象展示。面對(duì)不同對(duì)象,需要掌握的基本概念不同,具象化的方式也應(yīng)當(dāng)有所變化。歸納起來(lái)具象化有以下的方式:
類(lèi)比:如果抽象概念和實(shí)際的生活經(jīng)驗(yàn)可以類(lèi)比,可以直觀地展示生活經(jīng)驗(yàn),對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行遷移。例如質(zhì)子的直徑約 1.6~1.7×10-15m,只占到氫原子體積的很小部分。這個(gè)微觀尺度是實(shí)際生活接觸不到的。但換一個(gè)角度,如果將原子等比放大至中國(guó)科技館建筑一樣大,那么一個(gè)原子核就只有豌豆這么大了。
模擬:將抽象的概念通過(guò)模擬實(shí)際感觸到。模擬的方式有很多,比如實(shí)驗(yàn)演示、科學(xué)表演、科普劇等等。比如伯努利定律是流體力學(xué)當(dāng)中抽象的概念,用鼓風(fēng)機(jī)、泡沫塑料機(jī)翼模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、演示機(jī)翼結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力等特性。如將一些自然現(xiàn)象擬人化、戲劇化處理,讓學(xué)生參與演出模擬。由演員表演某些實(shí)物、狀態(tài)等,在傳播知識(shí)同時(shí)還會(huì)帶來(lái)意想不到的戲劇效果或收獲。
分解:抽象的科學(xué)概念有可能是建立在不同學(xué)科交叉基礎(chǔ)之上的,也有可能包含同一領(lǐng)域內(nèi)多種基本概念的集合??梢酝ㄟ^(guò)分解的方式,找到某一個(gè)重點(diǎn)進(jìn)行具象化的展示。也可以通過(guò)原理、過(guò)程、操作等進(jìn)行分解,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的操作、觀察、體驗(yàn)過(guò)程。在陳闖發(fā)表的《“分解-體驗(yàn)-認(rèn)知”——探究式展品輔導(dǎo)開(kāi)發(fā)思路》一文中,通過(guò)不同環(huán)節(jié)的分解,設(shè)計(jì)多種“體驗(yàn)”實(shí)現(xiàn)具體的“認(rèn)知”[5]。
在實(shí)際的展示或教學(xué)設(shè)計(jì)中為了增強(qiáng)教學(xué)和認(rèn)知效果,還可采取以下的措施并注意相關(guān)要點(diǎn)。
趣味性:趣味指的不僅僅是好玩、新奇、炫酷,更多是指某些元素能夠激發(fā)和保持學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)概念的好奇心,同時(shí)引起他們的興趣和關(guān)注。
自主性:整個(gè)過(guò)程建立在參與者或參與者構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)自主探索的基礎(chǔ)上??萍驾o導(dǎo)員不應(yīng)當(dāng)直接將結(jié)論告訴參與者。
適時(shí)反饋:如果沒(méi)有反饋,就無(wú)法驗(yàn)證之前的學(xué)習(xí)、探索等活動(dòng)是否達(dá)到目的。在整個(gè)教育過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)收集反饋。反饋可以是正向的,也可以是負(fù)向的。
迭代:新的認(rèn)知模塊建立起來(lái),并不代表一個(gè)完整過(guò)程的結(jié)束。新認(rèn)知的出現(xiàn)可能對(duì)現(xiàn)有的理論提出挑戰(zhàn),很多科學(xué)概念的建立都是如此,科學(xué)發(fā)展的實(shí)際過(guò)程也是不斷迭代的。
筆者通過(guò)分析“抽象概念”與“具象化”的關(guān)系以及如何轉(zhuǎn)化,得出了一些特征、方法和要點(diǎn)。下文將分析,如何把這些內(nèi)容應(yīng)用在具體的活動(dòng)設(shè)計(jì)中。具象化的特征、方法和要點(diǎn)其實(shí)分別對(duì)應(yīng)著活動(dòng)設(shè)計(jì)的“前”“中”“后”期。
在活動(dòng)設(shè)計(jì)前期,最重要的是進(jìn)行選題,即選擇活動(dòng)內(nèi)容,選題的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)符合“直觀”“體驗(yàn)”“探究”。在陳闖《“分解-體驗(yàn)-認(rèn)知”——探究式展品輔導(dǎo)開(kāi)發(fā)思路》一文中有清晰的論述:“選擇的主題要以學(xué)習(xí)者為主體,調(diào)動(dòng)多感官體驗(yàn)、原理要直觀”[5]。如電磁學(xué)相關(guān)內(nèi)容,電和磁本身都是看不見(jiàn)的,但我們可以通過(guò)明顯的現(xiàn)象直觀地看到電磁效應(yīng)(擺錘的擺動(dòng))、通過(guò)不同方式進(jìn)行探究(嘗試不同材料)、參與情景體驗(yàn)(角色扮演)。這種方式符合具象化的特征,是適合進(jìn)行展示的。并不是所有的科學(xué)概念或者說(shuō)抽象的科學(xué)概念都適合在科技館進(jìn)行展示。如前文所述,科技館本身擅長(zhǎng)的是經(jīng)典物理學(xué)以及相關(guān)的科學(xué)現(xiàn)象。那些超宏觀、超長(zhǎng)期、超微觀的科學(xué)現(xiàn)象并不是科技館所擅長(zhǎng)展示的?!熬呦蠡笨梢杂脕?lái)彌補(bǔ)和解決一部分科技館在這一方向上的欠缺,但仍有力所不及之處,如海森堡不確定性原理,這是只有在超微觀的量子尺度下才會(huì)顯現(xiàn)作用的物理學(xué)規(guī)律,很難通過(guò)具象化的方式進(jìn)行展示。如果勉強(qiáng)為之,那就是緣木求魚(yú)、方枘圓鑿了。
選定主題之后,需要將抽象科學(xué)概念進(jìn)行轉(zhuǎn)化,找到具體的解決辦法。依據(jù)上文分析,轉(zhuǎn)化可以通過(guò)“類(lèi)比”“模擬”和“分解”三種方式進(jìn)行。無(wú)論采取哪種方式,都需要對(duì)目標(biāo)受眾進(jìn)行分析,找到其熟悉的具體事物,還要根據(jù)相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)或調(diào)查研究掌握受眾認(rèn)知的水平,再開(kāi)始設(shè)計(jì)?!邦?lèi)比”“模擬”和“分解”也可以通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn),筆者根據(jù)自身開(kāi)發(fā)教育活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)梳理出以下幾點(diǎn),供參考。
1. 類(lèi)比
可視化:將一些不容易觀察到或者“超宏觀”“超微觀”的科學(xué)現(xiàn)象、抽象的科學(xué)概念在沒(méi)有曲解科學(xué)原意的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為肉眼可直接觀測(cè)到的模型或是其他類(lèi)比方式進(jìn)行展示。例如很多場(chǎng)館有萬(wàn)有引力的展項(xiàng),展項(xiàng)通過(guò)模型的方式,利用小球的運(yùn)動(dòng)模擬天體的運(yùn)動(dòng)。輔助性的多媒體、動(dòng)畫(huà)、視頻、圖像,也是“可視化”的常用手段。
遷移:將舊有的知識(shí)遷移到新的學(xué)習(xí)當(dāng)中,把抽象的科學(xué)概念與已掌握的知識(shí)進(jìn)行比較。例如在課堂或者科技館教學(xué)中,通常會(huì)將水流和電流進(jìn)行類(lèi)比。電流是一個(gè)抽象的概念,而水流是相對(duì)熟悉的概念。
2. 模擬
情景化:將抽象的科學(xué)概念包含在創(chuàng)設(shè)、改造的具象情景以及圍繞情景開(kāi)展的活動(dòng)當(dāng)中。參與者可以在情境中進(jìn)行觀察、探索、體驗(yàn),在情境中學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)概念。同時(shí)在情境中可以逐步地理解和認(rèn)識(shí)相關(guān)艱澀的內(nèi)容。在黃踐《中國(guó)科技館顏色屋展品情境式教學(xué)活動(dòng)開(kāi)發(fā)》一文中,將顏色屋展品本身的情景通過(guò)探案的形式呈現(xiàn)出來(lái),在整個(gè)過(guò)程中以形象性、啟發(fā)的特點(diǎn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并引導(dǎo)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力[6]。
建立模型:模型是科學(xué)探索中常用的手段。建立模型的具體做法有兩種。一是引導(dǎo)參與者,通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境或者自己動(dòng)手等方式了解科學(xué)家建立科學(xué)模型的過(guò)程,比如動(dòng)手制作一個(gè)DNA雙螺旋模型。二是自主構(gòu)建模型,通過(guò)一定的方式,如學(xué)生通過(guò)觀察、探索自主構(gòu)建模型。例如在美國(guó)航空航天局火星教育項(xiàng)目(NASA Mars Education Program)中的一個(gè)案例是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有火星數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行分析,建立火星沙盤(pán)。
3. 分解
以小見(jiàn)大:通過(guò)將含有多個(gè)抽象內(nèi)容的概念抽絲剝繭,選取其中一個(gè)核心點(diǎn),結(jié)合參與者現(xiàn)有認(rèn)知水平從一個(gè)具體小知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行突破。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)跨學(xué)科領(lǐng)域的交叉越來(lái)越多,這就決定了高新科學(xué)技術(shù)取得突破不僅僅是在本領(lǐng)域內(nèi),而是多領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果。但也正是由于這個(gè)特點(diǎn),容易導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)在實(shí)施過(guò)程中追求面面俱到,最后撿芝麻丟西瓜,不能準(zhǔn)確把握重點(diǎn)。例如美國(guó)1969年的登月行動(dòng),是一個(gè)超級(jí)復(fù)雜,涉及學(xué)科領(lǐng)域特別多的科技大事件。其中涉及很多高新技術(shù),如導(dǎo)航、測(cè)控、空間交會(huì)對(duì)接等等。但NASA以此為背景面向小學(xué)生的一個(gè)教育活動(dòng),卻沒(méi)有將重點(diǎn)放在這些方面,而是探討登月艙的支架設(shè)計(jì)方案。從壓力壓強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)出發(fā),通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)說(shuō)明科學(xué)目標(biāo)對(duì)技術(shù)進(jìn)步的影響[7]?;顒?dòng)從實(shí)際生活中的具體知識(shí)點(diǎn)——壓力壓強(qiáng)出發(fā),引入對(duì)自然規(guī)律的更高層次認(rèn)識(shí)。
簡(jiǎn)單化:簡(jiǎn)單化和以小見(jiàn)大有所不同。兩者都可以將高深復(fù)雜的科技知識(shí)(特別是前沿科學(xué)與高新技術(shù)知識(shí))轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單、淺顯、基本的科學(xué)問(wèn)題。以小見(jiàn)大并沒(méi)有簡(jiǎn)化知識(shí)點(diǎn),而是將復(fù)雜的多學(xué)科知識(shí)從參與者可以認(rèn)知的角度切入。簡(jiǎn)單化側(cè)重將不易理解的科學(xué)概念通過(guò)具體的方法簡(jiǎn)化為參與者可以理解的形式。例如張哲僑《深?yuàn)W原理淺顯化、抽象知識(shí)直觀化——“科學(xué)有曰之多普勒效應(yīng)”教育活動(dòng)設(shè)計(jì)》一文,通過(guò)關(guān)于“多普勒效應(yīng)”的展品及實(shí)驗(yàn),說(shuō)明“紅移”現(xiàn)象和“宇宙膨脹”學(xué)說(shuō)[8];2017年進(jìn)入全國(guó)科技館輔導(dǎo)員大賽決賽的合肥科技館“離心現(xiàn)象”展品輔導(dǎo),將影響離心現(xiàn)象的半徑、質(zhì)量、速度三個(gè)因素分解出來(lái)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,也是一種化繁為簡(jiǎn)的方法;再如,將高鐵動(dòng)車(chē)運(yùn)用的高新技術(shù),分解為最基本的力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)及能源、材料、機(jī)械等知識(shí),這些基本的知識(shí)點(diǎn)大多可以通過(guò)經(jīng)典展品和成熟的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示。
當(dāng)具象化的具體方式確定后,相當(dāng)于確定了整個(gè)活動(dòng)的內(nèi)容和骨架,在后期就需要對(duì)這個(gè)活動(dòng)進(jìn)行完善。在設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)上要盡可能有趣味、讓觀眾自主進(jìn)行探索、得到及時(shí)反饋并根據(jù)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行迭代。
每當(dāng)我們形容一個(gè)數(shù)字很大的時(shí)候,會(huì)提到一個(gè)詞“天文數(shù)字”。天文數(shù)字不僅形容這個(gè)數(shù)字很大,也說(shuō)明它超出了一般的理解范疇。不提宇宙尺度、銀河系,太陽(yáng)系中的很多數(shù)字都已超出日常生活經(jīng)驗(yàn),乍一聽(tīng)來(lái),令人難以理解和想象。在很多科普?qǐng)D示中,為呈現(xiàn)太陽(yáng)系的八大行星,行星排列軌道是等間距分布的。這樣展示只是為了方便說(shuō)明行星排列順序,實(shí)際上的軌道分布并不如此。比如木星和土星軌道之間的距離大約是土星和天王星之間軌道距離的1/2。為了保證展示內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn),可以將軌道與太陽(yáng)的具體距離直接告訴觀眾,如表1所示。但這些巨大數(shù)值已經(jīng)超出了大部分人的日常生活經(jīng)驗(yàn)。看到這些數(shù)字,多數(shù)觀眾只會(huì)想到:“哦,這些天體原來(lái)很遠(yuǎn)?。 钡唧w有多遠(yuǎn),每個(gè)天體之間相對(duì)距離的比例關(guān)系是什么樣子的,不通過(guò)實(shí)際計(jì)算很難弄清楚。即使經(jīng)過(guò)計(jì)算,得出的數(shù)字也是抽象的,不易進(jìn)行想象[9]。
表1 太陽(yáng)系行星與太陽(yáng)之間的距離[10]
圍繞對(duì)于天文學(xué)的巨大數(shù)值缺乏實(shí)際概念這一問(wèn)題,“太陽(yáng)系進(jìn)行曲”從具象化的角度去思考解決。具體方法如下:
可視化:將天體位置關(guān)系轉(zhuǎn)化為可以直接觀測(cè)到的方式。在科技館對(duì)八大行星的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)并不現(xiàn)實(shí)。在活動(dòng)中采用了在紙張上標(biāo)記天體位置的方法,使八大行星的位置關(guān)系一目了然。
簡(jiǎn)單化:八大行星之間距離的天文數(shù)字不易直接理解,因此對(duì)數(shù)字進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)太陽(yáng)系行星軌道經(jīng)驗(yàn)公式提丟斯-波得定則(Titius-Bode law):
a=(n+4)/10
其中a為行星到太陽(yáng)的平均距離;n=0,3,6,12,24,48……(后一個(gè)數(shù)字為前一個(gè)數(shù)字的2倍)。
利用通過(guò)對(duì)提丟斯-波得定則計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)實(shí)際多次驗(yàn)證,決定活動(dòng)使用紙帶的長(zhǎng)度。紙帶如果太短,例如15cm長(zhǎng),類(lèi)地行星間的排布就太密以致于挨在一起,無(wú)法展示。如果紙帶太長(zhǎng),對(duì)于實(shí)際操作就會(huì)產(chǎn)生很大的障礙。紙帶的尺寸最后確定為1.4m×0.4m。按照這個(gè)比例,天體之間的距離被大大地等比縮小了。很多天體之間的距離可以近似為2倍的關(guān)系,在紙帶上進(jìn)行對(duì)折就可以找到相應(yīng)天體的位置(見(jiàn)圖1)。
建立模型:八大行星有著自己的軌道。通過(guò)對(duì)折的方式找到位置并標(biāo)記出來(lái),這樣就形成了太陽(yáng)系的簡(jiǎn)單模型。為了方便觀察,我們?cè)O(shè)計(jì)了星體貼紙,在折痕處貼上對(duì)應(yīng)貼紙,就可以很直觀地觀測(cè)模型。通過(guò)觀察紙帶上星體的位置,就可以思考星球與太陽(yáng)系的位置關(guān)系。
情景化:每一個(gè)行星的探測(cè),都包含著很多科技史故事。在找尋行星位置的過(guò)程當(dāng)中,通過(guò)創(chuàng)設(shè)情景,將參與者代入到發(fā)現(xiàn)行星的過(guò)程當(dāng)中,加深他們對(duì)宇宙的認(rèn)知。
活動(dòng)所需教具(見(jiàn)圖1):一張1.4m×0.4m的紙帶和八大行星貼紙。
圖1 “太陽(yáng)系進(jìn)行曲”活動(dòng)教具
通過(guò)以上的分析,就可以將太陽(yáng)系主要天體距離的抽象數(shù)字和太陽(yáng)系不同天體間復(fù)雜的模型通過(guò)紙帶對(duì)折的方式具象化地呈現(xiàn)出來(lái)。
通過(guò)這種方式,帶領(lǐng)觀眾一起制作太陽(yáng)系八大行星位置關(guān)系模型。從中還會(huì)發(fā)現(xiàn),在太陽(yáng)和柯伊伯帶天體(以冥王星為代表)中間的位置并不是距離太陽(yáng)從近到遠(yuǎn)排在中間第四的火星或者第五的木星,而是排在第七的天王星,天王星與海王星之間的距離要比地球到木星還遠(yuǎn)。科技館展廳有很多相應(yīng)的展品,科技輔導(dǎo)員就可以根據(jù)自身所擅長(zhǎng)的知識(shí)點(diǎn),將活動(dòng)結(jié)合展品呈現(xiàn)出來(lái)。
在活動(dòng)過(guò)程中,采用《中國(guó)科技館展廳教育活動(dòng)評(píng)估——指導(dǎo)手冊(cè)》[11]對(duì)活動(dòng)做了整體評(píng)估,在評(píng)估中參與者在具像化所需的趣味性、體驗(yàn)性、探究性、直觀性、自主性、適時(shí)反饋和迭代性的特點(diǎn)方面都給予了不錯(cuò)的評(píng)價(jià)。