原文标題：評介｜科技(jì)館中抽象科學概念具象化對策的思考與實踐——以中國科技(jì)館“宇宙探索——太陽系進行(xíng)曲” 教育活動為(wèi)例

作(zuò)者：孫偉強（中國科學技(jì)術(shù)館講師(shī)）

【摘要】随着科學的發展，其相關概念抽象程度越來(lái)越高(gāo)且遠離觀衆的實際生(shēng)活，這對在科技(jì)館開(kāi)展相關教育活動造成了一定的困難。本文通(tōng)過對這些(xiē)困難問題進行(xíng)分析，提取相應特征并提出科技(jì)館采用具象化的教學思路将抽象概念進行(xíng)直觀化的呈現，并以中國科技(jì)館“宇宙探索——太陽系進行(xíng)曲”教育活動為(wèi)案例，對如何應用這一方法進行(xíng)說明(míng)。

01 面對現代科學的不斷發展，科技(jì)館所遇到的難題

科學，尤其是現代科學的發展，大(dà)大(dà)拓寬了人(rén)類對于世界認知的邊界和(hé)深度。科學的發展與進步，展現出人(rén)類思維邊界的延伸和(hé)擴展。現代科學的高(gāo)速發展造成了其與觀衆的實際生(shēng)活越來(lái)越遠，概念越來(lái)越抽象、模型越來(lái)越複雜。如何對科學概念進行(xíng)普及，尤其是對當代前沿科學與高(gāo)新技(jì)術(shù)的普及是科普工作(zuò)面臨的普遍問題。承擔着全民科普使命的科技(jì)館，其本身又具有(yǒu)獨特性，當面對這個(gè)問題的時(shí)候，科技(jì)館究竟應當做(zuò)些(xiē)什麽？

對于科技(jì)館在科學技(jì)術(shù)朝向“超宏觀”“超微觀”“超長期”“極短(duǎn)期”等方面發展時(shí)所遇到的困難，中國科技(jì)館新館建設顧問張開(kāi)遜曾在2006年的一次研討(tǎo)會(huì)上(shàng)有(yǒu)過如下論述：

科技(jì)館擅長表現的是截至19世紀末的經典物理(lǐ)學及與其相關的部分數(shù)學、能源、機械、材料、交通(tōng)等領域的科技(jì)原理(lǐ)，所以世界各國科技(jì)館的經典展品主要集中在這些(xiē)領域。這些(xiē)展品有(yǒu)一個(gè)共同的特點，它們所顯示的是“常觀狀态”下人(rén)類肉眼可(kě)觀察的科學現象，而且是可(kě)重複操作(zuò)、可(kě)在數(shù)秒(miǎo)鍾之內(nèi)即顯示的科學現象。

到了20世紀，特别是20世紀中期以後，科學技(jì)術(shù)（包括物理(lǐ)學）向微觀、宏觀（包括超宏觀）兩個(gè)方向發展，如微觀的核物理(lǐ)學、粒子物理(lǐ)學、量子力學、凝聚态物理(lǐ)學、細胞學、分子生(shēng)物學和(hé)宏觀、超宏觀的天文學、相對論等，其原理(lǐ)所呈現的科學現象已超出了人(rén)類肉眼可(kě)觀察的“常觀狀态”。因此，在科技(jì)館的展廳中很(hěn)難呈現其真實的科學現象，往往是通(tōng)過多(duō)媒體(tǐ)、動畫(huà)、視(shì)頻來(lái)演示其模拟的科學現象，這也使表現這些(xiē)內(nèi)容的展品不能像經典展品那(nà)樣讓觀衆有(yǒu)真實的體(tǐ)驗。

既然科技(jì)館本身擅長的是經典物理(lǐ)學以及相關的科學現象，且科技(jì)館自身也有(yǒu)着展示面積的限制(zhì)，因此科技(jì)館在選擇展示內(nèi)容的過程中必定會(huì)有(yǒu)所側重，有(yǒu)所取舍，沒必要也不可(kě)能面面俱到。如此說來(lái)，科技(jì)館是否隻展示經典展品就可(kě)以了？是否沒有(yǒu)必要展示不适合常觀狀态下演示的科技(jì)現象及原理(lǐ)，特别是當代前沿科學與高(gāo)新技(jì)術(shù)？當遇到前沿科學熱點事件時(shí)回避相關展示與教育內(nèi)容即可(kě)了呢？

首先從科學教育、科學普及的角度來(lái)看，這些(xiē)重要的科技(jì)內(nèi)容是不能舍棄的，特别是當代前沿科學與高(gāo)新技(jì)術(shù)。例如基因編輯技(jì)術(shù)現已取得(de)了長足的進步和(hé)發展，利用CRISPR-Cas9基因編輯技(jì)術(shù)可(kě)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(jì)倫理(lǐ)問題在社會(huì)上(shàng)産生(shēng)了很(hěn)大(dà)的影(yǐng)響和(hé)争議。對于這些(xiē)重要科技(jì)內(nèi)容的傳播是觀衆所需要的、也是他們希望了解和(hé)掌握的。觀衆對科學教育、科學普及的“需求”是實實在在存在的。科技(jì)館承擔着全民科普的使命，向觀衆“供給”相應的科學教育、科學普及活動是其應有(yǒu)之義，若以科技(jì)館的教育特點不适合、不易開(kāi)展相應活動為(wèi)由而不作(zuò)為(wèi)，就背離了科技(jì)館科普的初衷。這個(gè)問題的本質是科學教育、科學普及的“需求”與科技(jì)館的“供給能力”之間(jiān)的矛盾，即“供需矛盾”。

其次，随着科學技(jì)術(shù)的發展，科技(jì)館不可(kě)避免地會(huì)涉及到前沿科學概念。即便是科技(jì)館經典展品、活動已經涉及的科學概念也是如此。以科技(jì)館的經典展品“神秘的黑(hēi)洞”為(wèi)例，可(kě)以展示黑(hēi)洞引力強大(dà)，連光都逃脫不了。但(dàn)在2019年全球公布了首張黑(hēi)洞照片，其“超宏觀”——拍攝的黑(hēi)洞本身距離地球5300萬光年，質量相當于65億顆太陽；“超長期”——經過2年的數(shù)據分析才一睹黑(hēi)洞的真容。經典展項背後的科學概念、科學原理(lǐ)本身也在不斷地進步、完善。發揮科技(jì)館的教育功能，也離不開(kāi)前沿科學。

一些(xiē)教育活動會(huì)采取對觀衆進行(xíng)相關概念的講解，但(dàn)這樣的教育活動往往變為(wèi)一般性的知識講解。不了解相關內(nèi)容的觀衆會(huì)覺得(de)這些(xiē)內(nèi)容艱深晦澀，而對于那(nà)些(xiē)已經了解相關內(nèi)容的觀衆來(lái)說，這樣的講解則顯得(de)淡而無味。若以這樣的方式在科技(jì)館開(kāi)展教育活動，整個(gè)活動過程中觀衆就失去了自主操作(zuò)和(hé)體(tǐ)驗的環節，也與科技(jì)館的特點相違背。與此同時(shí)，觀衆缺乏主動探索帶來(lái)的收獲和(hé)樂趣，從而無法獲得(de)直接經驗。這樣的教育活動與學校(xiào)授課差異不大(dà)，隻是環境從教室換成了科技(jì)館。沒有(yǒu)觀衆的參與體(tǐ)驗，在科技(jì)館中開(kāi)展的這些(xiē)教育活動的功能和(hé)價值就将大(dà)打折扣，教育效果也不盡如人(rén)意。

如何圍繞抽象科學概念相關的模型、思維方式等內(nèi)容開(kāi)展科普，是對科技(jì)館科普能力的挑戰。現代科學研究對象的“超宏觀”“超微觀”，演化模型與過程的“超長期”“極短(duǎn)期”，使得(de)科技(jì)館難以直接利用這些(xiē)資源。其它類型科技(jì)博物館尚且可(kě)以通(tōng)過模型、多(duō)媒體(tǐ)、動畫(huà)、視(shì)頻向觀衆灌輸這些(xiē)科技(jì)知識的“間(jiān)接經驗”，但(dàn)科技(jì)館所秉持的通(tōng)過“基于實物的體(tǐ)驗”“基于實踐的探究”使觀衆獲得(de)“直接經驗”的教育理(lǐ)念，如何在這些(xiē)領域的科技(jì)傳播中得(de)以貫徹實現？更為(wèi)重要的問題是，這些(xiē)抽象概念如何能夠轉化為(wèi)觀衆的認知，将“間(jiān)接經驗”與現實生(shēng)活中的實踐經驗相聯系，以完成知識的“內(nèi)化”與“建構”。

 

02 關于“抽象概念”與“具象化”的關系及轉化

抽象科學概念是科學家(jiā)們從許多(duō)具體(tǐ)科學現象、科學問題中歸納、總結、抽象出來(lái)具有(yǒu)一定普遍規律的科學概念。達爾文通(tōng)過觀察一個(gè)個(gè)具體(tǐ)的生(shēng)命進化現象探索、歸納、總結并提出進化論。他在加拉帕戈斯群島上(shàng)所觀察到的鳥類都是具象的存在。埃德溫·哈勃觀察到各個(gè)方向的遙遠星系都在高(gāo)速地遠離我們而去。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，正在不斷膨脹當中。根據這一具體(tǐ)的現象，伽莫夫等科學家(jiā)提出并完善“宇宙大(dà)爆炸”學說，進而成為(wèi)主流的學術(shù)觀點。

科學研究并不是閉門(mén)造車(chē)、無中生(shēng)有(yǒu)，而是建立在一個(gè)個(gè)具體(tǐ)的問題上(shàng)。由此可(kě)以對相關科學概念的科普提出兩點啓示：一是需要“具象化”，将抽象科學概念的過程還(hái)原到具體(tǐ)研究或者關聯的具體(tǐ)事物中，這不僅有(yǒu)助于受衆認知抽象概念，而且有(yǒu)可(kě)能是将“間(jiān)接經驗”轉化為(wèi)“直接經驗”的有(yǒu)效途徑；二是需要在“抽象概念具象化”與“基于實物的體(tǐ)驗”“基于實踐的探究”“直接經驗”之間(jiān)建立起聯系，“基于實物的體(tǐ)驗”“基于實踐的探究”本身即“抽象概念具象化”的方法之一。

“具象→抽象”符合人(rén)類由表及裏、由淺入深、由個(gè)别到共性、由局部到普遍探索自然的認識規律。脫離了具體(tǐ)的科學現象、科學問題，普遍的、抽象的科學概念就無從産生(shēng)，也無從談起。“具象→抽象”既是科學探索的規律，也是科學教育中的認知規律。溫·哈倫在《科學教育的原則和(hé)大(dà)概念》一書(shū)中提出了科學中的14個(gè)大(dà)概念。這些(xiē)大(dà)的概念都是抽象的，宏觀的，處于很(hěn)高(gāo)的認識層次，是用于解釋和(hé)預測自然界現象的。例如《科學教育的原則和(hé)大(dà)概念》中的大(dà)概念6：宇宙中存在着數(shù)量極大(dà)的星系，太陽系隻是其中的一個(gè)星系。太陽、八大(dà)行(xíng)星以及其他一些(xiē)按一定軌道(dào)運轉的較小(xiǎo)的星體(tǐ)共同組成了我們的太陽系。而這個(gè)大(dà)概念的建立，也是在人(rén)類具象的觀測當中一次次叠代、升級，從而逐漸形成了現在的大(dà)概念。例如冥王星從行(xíng)星降級就是一個(gè)很(hěn)好的例證，最初一直以來(lái)行(xíng)星被簡單地描述為(wèi)太空(kōng)中繞恒星運動的天體(tǐ)，1930年美國人(rén)最初觀測到這顆繞着太陽轉的天體(tǐ)，把它歸為(wèi)行(xíng)星。但(dàn)随着觀測的不斷深入，新的天文現象不斷被發現，例如：冥王星有(yǒu)一顆和(hé)它自身差不多(duō)大(dà)小(xiǎo)的衛星；它的軌道(dào)有(yǒu)時(shí)候是在海王星的內(nèi)側；在它的軌道(dào)附近發現質量與它相差不大(dà)的天體(tǐ)。這些(xiē)現象不斷的挑戰着原本行(xíng)星的定義，于是2006年在捷克首都布拉格召開(kāi)的國際天文學聯合會(huì)閉幕大(dà)會(huì)上(shàng)，2500位來(lái)自不同國家(jiā)的天文學界代表對四個(gè)關于确定太陽系行(xíng)星身份的草案進行(xíng)投票(piào)表決後決定，冥王星失去“行(xíng)星”地位，被劃為(wèi)“矮行(xíng)星”。天文學特别注重具象的觀測，通(tōng)過觀測具體(tǐ)現象，對抽象模型進行(xíng)驗證，從而推進人(rén)類對于宇宙的認知。天文學中體(tǐ)現的衆多(duō)科學思想，也是觀衆在學習其他學科時(shí)不易接觸到的，但(dàn)采用“具象→抽象”的展示方式，可(kě)以将模型建構或者驗證的過程通(tōng)過觀衆的“親身體(tǐ)驗”呈現出來(lái)，将天文學蘊含的科學方法轉化為(wèi)觀衆的親身體(tǐ)驗的直接的經曆。這樣的方式在做(zuò)到寓教于樂的同時(shí)，可(kě)以幫助觀衆對天文學有(yǒu)新的認知和(hé)了解。

當然，在實際的教育活動當中，沒有(yǒu)必要都從最基本的現象開(kāi)始。因為(wèi)不同年齡、受教育程度不同的觀衆有(yǒu)着不一樣的認知基礎。目前很(hěn)多(duō)科技(jì)館的展廳教育活動會(huì)按照年齡層次區(qū)分設計(jì)，從而匹配具備相符認知能力的群體(tǐ)。同時(shí)科技(jì)館本身的環境布置、展品設置都構成了具體(tǐ)的場(chǎng)景，建構出具體(tǐ)的學習情境。科技(jì)館教育活動的參與者和(hé)科技(jì)館輔導教師(shī)共同構成了學習的共同體(tǐ)。在科技(jì)館中，具備參與者主動構建活動的條件，當科技(jì)輔導員通(tōng)過适合的方式引導受衆，幫助其産生(shēng)主動建構，從而帶來(lái)系統的經驗變化。

以上(shàng)分析了為(wèi)什麽“具象化”是“抽象科學概念”的解決之道(dào)，而科技(jì)館在“具象→抽象”的具體(tǐ)實踐中，還(hái)應當具備相應的探究實踐的過程。當初科學家(jiā)的科學考察、科學實驗，都是通(tōng)過觀察某種事物（動植物标本、星體(tǐ)的位置、天象的變化等）的現象獲得(de)認知的，這些(xiē)過程都是科學探究的實踐。“通(tōng)過親身實踐獲取直接經驗”是科技(jì)館教育的一個(gè)重要标志(zhì)，親身實踐代表着體(tǐ)驗，而此處的體(tǐ)驗不是目前許多(duō)關于博物館、虛拟現實技(jì)術(shù)論文中局限于感官、氛圍、情感層面的虛泛“體(tǐ)驗”，而是能夠導緻認知的“體(tǐ)驗”。體(tǐ)驗中進行(xíng)探究也不是教育界某些(xiē)人(rén)實施的“從書(shū)本到書(shū)本”“從概念到概念”的“僞探究”，而是基于實踐的探究，是“将科學家(jiā)們以科研為(wèi)目的的科學探究實踐，轉化為(wèi)參與者以學習為(wèi)目的的科學探究實踐”。在科技(jì)館中開(kāi)展教育活動，既不能像學校(xiào)教育一樣去灌輸知識，這與科技(jì)館實際情況不符；也不能直白地向觀衆講述知識點，這可(kě)能導緻觀衆因缺乏實際經驗而無法理(lǐ)解相關知識概念并對其産生(shēng)畏懼。通(tōng)過以上(shàng)分析，科技(jì)館在開(kāi)展涉及抽象概念的科學教育活動時(shí)應當具備如下特征。

直觀：可(kě)以直觀地進行(xíng)觀察、發現、探索。直觀不代表着直接看到，或者直接講述，而是讓觀衆通(tōng)過一定的方式直觀地觀察到證據、過程、結果。

體(tǐ)驗：體(tǐ)驗不是目的，而是方式。體(tǐ)驗是科技(jì)館的一大(dà)特點，通(tōng)過體(tǐ)驗獲得(de)直接經驗将增加、啓發、驗證或者改變參與者已掌握的證據或者事實。

探究：知道(dào)怎麽回事和(hé)弄清楚怎麽回事是兩個(gè)不同的概念。隻知道(dào)太陽的年齡大(dà)約50億年和(hé)通(tōng)過理(lǐ)解得(de)到這一結論的過程和(hé)方法是完全不同的。通(tōng)過探究可(kě)以深入了解事物內(nèi)在的運行(xíng)邏輯。

但(dàn)什麽樣的“具象化”方式可(kě)以讓人(rén)們認知和(hé)理(lǐ)解“抽象概念”呢？這個(gè)問題可(kě)以換一個(gè)角度去考慮：什麽樣的具象事物是受衆所熟知的、可(kě)以理(lǐ)解的。掌握這個(gè)原則之後，就可(kě)以順藤摸瓜，将抽象概念向熟悉的具象化事物轉化，找到解決辦法。當然不同的主題有(yǒu)多(duō)種方式，比如電(diàn)流、電(diàn)壓這些(xiē)概念，教師(shī)經常會(huì)用“水(shuǐ)流”“水(shuǐ)壓”來(lái)比喻；大(dà)氣壓也通(tōng)常用水(shuǐ)銀柱的高(gāo)度來(lái)進行(xíng)具象展示。面對不同對象，需要掌握的基本概念不同，具象化的方式也應當有(yǒu)所變化。歸納起來(lái)具象化有(yǒu)以下的方式：

類比：如果抽象概念和(hé)實際的生(shēng)活經驗可(kě)以類比，可(kě)以直觀地展示生(shēng)活經驗，對相關知識進行(xíng)遷移。例如質子的直徑約1.6~1.7×10−15m，隻占到氫原子體(tǐ)積的很(hěn)小(xiǎo)部分。這個(gè)微觀尺度是實際生(shēng)活接觸不到的。但(dàn)換一個(gè)角度，如果将原子等比放大(dà)至中國科技(jì)館建築一樣大(dà)，那(nà)麽一個(gè)原子核就隻有(yǒu)豌豆這麽大(dà)了。

模拟：将抽象的概念通(tōng)過模拟實際感觸到。模拟的方式有(yǒu)很(hěn)多(duō)，比如實驗演示、科學表演、科普劇(jù)等等。比如伯努利定律是流體(tǐ)力學當中抽象的概念，用鼓風機、泡沫塑料機翼模拟風洞實驗、演示機翼結構的空(kōng)氣動力等特性。如将一些(xiē)自然現象拟人(rén)化、戲劇(jù)化處理(lǐ)，讓學生(shēng)參與演出模拟。由演員表演某些(xiē)實物、狀态等，在傳播知識同時(shí)還(hái)會(huì)帶來(lái)意想不到的戲劇(jù)效果或收獲。

分解：抽象的科學概念有(yǒu)可(kě)能是建立在不同學科交叉基礎之上(shàng)的，也有(yǒu)可(kě)能包含同一領域內(nèi)多(duō)種基本概念的集合。可(kě)以通(tōng)過分解的方式，找到某一個(gè)重點進行(xíng)具象化的展示。也可(kě)以通(tōng)過原理(lǐ)、過程、操作(zuò)等進行(xíng)分解,并設計(jì)相應的操作(zuò)、觀察、體(tǐ)驗過程。在陳闖發表的《“分解-體(tǐ)驗-認知”——探究式展品輔導開(kāi)發思路》一文中，通(tōng)過不同環節的分解，設計(jì)多(duō)種“體(tǐ)驗”實現具體(tǐ)的“認知”。

在實際的展示或教學設計(jì)中為(wèi)了增強教學和(hé)認知效果，還(hái)可(kě)采取以下的措施并注意相關要點。

趣味性：趣味指的不僅僅是好玩、新奇、炫酷，更多(duō)是指某些(xiē)元素能夠激發和(hé)保持學習者對科學概念的好奇心,同時(shí)引起他們的興趣和(hé)關注。

自主性：整個(gè)過程建立在參與者或參與者構成的團隊自主探索的基礎上(shàng)。科技(jì)輔導員不應當直接将結論告訴參與者。

适時(shí)反饋：如果沒有(yǒu)反饋，就無法驗證之前的學習、探索等活動是否達到目的。在整個(gè)教育過程中應當根據實際情況适時(shí)收集反饋。反饋可(kě)以是正向的，也可(kě)以是負向的。

叠代：新的認知模塊建立起來(lái)，并不代表一個(gè)完整過程的結束。新認知的出現可(kě)能對現有(yǒu)的理(lǐ)論提出挑戰，很(hěn)多(duō)科學概念的建立都是如此，科學發展的實際過程也是不斷叠代的。

 

03 科技(jì)館中抽象科學概念具象化的設計(jì)思路

筆者通(tōng)過分析“抽象概念”與“具象化”的關系以及如何轉化，得(de)出了一些(xiē)特征、方法和(hé)要點。下文将分析，如何把這些(xiē)內(nèi)容應用在具體(tǐ)的活動設計(jì)中。具象化的特征、方法和(hé)要點其實分别對應着活動設計(jì)的“前”“中”“後”期。

（一）活動設計(jì)前期

在活動設計(jì)前期，最重要的是進行(xíng)選題，即選擇活動內(nèi)容，選題的內(nèi)容應當符合“直觀”“體(tǐ)驗”“探究”。在陳闖《“分解-體(tǐ)驗-認知”——探究式展品輔導開(kāi)發思路》一文中有(yǒu)清晰的論述：“選擇的主題要以學習者為(wèi)主體(tǐ)，調動多(duō)感官體(tǐ)驗、原理(lǐ)要直觀”。如電(diàn)磁學相關內(nèi)容，電(diàn)和(hé)磁本身都是看不見的，但(dàn)我們可(kě)以通(tōng)過明(míng)顯的現象直觀地看到電(diàn)磁效應（擺錘的擺動）、通(tōng)過不同方式進行(xíng)探究（嘗試不同材料）、參與情景體(tǐ)驗（角色扮演）。這種方式符合具象化的特征，是适合進行(xíng)展示的。并不是所有(yǒu)的科學概念或者說抽象的科學概念都适合在科技(jì)館進行(xíng)展示。如前文所述，科技(jì)館本身擅長的是經典物理(lǐ)學以及相關的科學現象。那(nà)些(xiē)超宏觀、超長期、超微觀的科學現象并不是科技(jì)館所擅長展示的。“具象化”可(kě)以用來(lái)彌補和(hé)解決一部分科技(jì)館在這一方向上(shàng)的欠缺，但(dàn)仍有(yǒu)力所不及之處，如海森(sēn)堡不确定性原理(lǐ)，這是隻有(yǒu)在超微觀的量子尺度下才會(huì)顯現作(zuò)用的物理(lǐ)學規律，很(hěn)難通(tōng)過具象化的方式進行(xíng)展示。如果勉強為(wèi)之，那(nà)就是緣木求魚、方枘圓鑿了。

（二）活動設計(jì)中期

選定主題之後，需要将抽象科學概念進行(xíng)轉化，找到具體(tǐ)的解決辦法。依據上(shàng)文分析，轉化可(kě)以通(tōng)過“類比”“模拟”和(hé)“分解”三種方式進行(xíng)。無論采取哪種方式，都需要對目标受衆進行(xíng)分析，找到其熟悉的具體(tǐ)事物，還(hái)要根據相關課程标準或調查研究掌握受衆認知的水(shuǐ)平，再開(kāi)始設計(jì)。“類比”“模拟”和(hé)“分解”也可(kě)以通(tōng)過不同的方法實現，筆者根據自身開(kāi)發教育活動的經驗梳理(lǐ)出以下幾點，供參考。

1. 類比

可(kě)視(shì)化：将一些(xiē)不容易觀察到或者“超宏觀”“超微觀”的科學現象、抽象的科學概念在沒有(yǒu)曲解科學原意的基礎上(shàng)轉化為(wèi)肉眼可(kě)直接觀測到的模型或是其他類比方式進行(xíng)展示。例如很(hěn)多(duō)場(chǎng)館有(yǒu)萬有(yǒu)引力的展項，展項通(tōng)過模型的方式，利用小(xiǎo)球的運動模拟天體(tǐ)的運動。輔助性的多(duō)媒體(tǐ)、動畫(huà)、視(shì)頻、圖像，也是“可(kě)視(shì)化”的常用手段。

遷移：将舊(jiù)有(yǒu)的知識遷移到新的學習當中，把抽象的科學概念與已掌握的知識進行(xíng)比較。例如在課堂或者科技(jì)館教學中，通(tōng)常會(huì)将水(shuǐ)流和(hé)電(diàn)流進行(xíng)類比。電(diàn)流是一個(gè)抽象的概念，而水(shuǐ)流是相對熟悉的概念。

2. 模拟

情景化：将抽象的科學概念包含在創設、改造的具象情景以及圍繞情景開(kāi)展的活動當中。參與者可(kě)以在情境中進行(xíng)觀察、探索、體(tǐ)驗，在情境中學習相關科學概念。同時(shí)在情境中可(kě)以逐步地理(lǐ)解和(hé)認識相關艱澀的內(nèi)容。在黃踐《中國科技(jì)館顔色屋展品情境式教學活動開(kāi)發》一文中，将顔色屋展品本身的情景通(tōng)過探案的形式呈現出來(lái)，在整個(gè)過程中以形象性、啓發的特點激發學生(shēng)的學習興趣并引導其學習動機，進而培養學生(shēng)的認知能力。

建立模型：模型是科學探索中常用的手段。建立模型的具體(tǐ)做(zuò)法有(yǒu)兩種。一是引導參與者，通(tōng)過創設情境或者自己動手等方式了解科學家(jiā)建立科學模型的過程，比如動手制(zhì)作(zuò)一個(gè)DNA雙螺旋模型。二是自主構建模型，通(tōng)過一定的方式，如學生(shēng)通(tōng)過觀察、探索自主構建模型。例如在美國航空(kōng)航天局火(huǒ)星教育項目（NASA Mars Education Program）中的一個(gè)案例是通(tōng)過對現有(yǒu)火(huǒ)星數(shù)據圖像進行(xíng)分析，建立火(huǒ)星沙盤。

3. 分解

以小(xiǎo)見大(dà)：通(tōng)過将含有(yǒu)多(duō)個(gè)抽象內(nèi)容的概念抽絲剝繭，選取其中一個(gè)核心點，結合參與者現有(yǒu)認知水(shuǐ)平從一個(gè)具體(tǐ)小(xiǎo)知識點進行(xíng)突破。現代科學技(jì)術(shù)跨學科領域的交叉越來(lái)越多(duō)，這就決定了高(gāo)新科學技(jì)術(shù)取得(de)突破不僅僅是在本領域內(nèi)，而是多(duō)領域團隊合作(zuò)的結果。但(dàn)也正是由于這個(gè)特點,容易導緻教學活動在實施過程中追求面面俱到，最後撿芝麻丢西瓜，不能準确把握重點。例如美國1969年的登月行(xíng)動，是一個(gè)超級複雜，涉及學科領域特别多(duō)的科技(jì)大(dà)事件。其中涉及很(hěn)多(duō)高(gāo)新技(jì)術(shù)，如導航、測控、空(kōng)間(jiān)交會(huì)對接等等。但(dàn)NASA以此為(wèi)背景面向小(xiǎo)學生(shēng)的一個(gè)教育活動，卻沒有(yǒu)将重點放在這些(xiē)方面，而是探討(tǎo)登月艙的支架設計(jì)方案。從壓力壓強的知識點出發，通(tōng)過動手實驗的方式來(lái)說明(míng)科學目标對技(jì)術(shù)進步的影(yǐng)響。活動從實際生(shēng)活中的具體(tǐ)知識點——壓力壓強出發，引入對自然規律的更高(gāo)層次認識。

簡單化：簡單化和(hé)以小(xiǎo)見大(dà)有(yǒu)所不同。兩者都可(kě)以将高(gāo)深複雜的科技(jì)知識（特别是前沿科學與高(gāo)新技(jì)術(shù)知識）轉化為(wèi)相對簡單、淺顯、基本的科學問題。以小(xiǎo)見大(dà)并沒有(yǒu)簡化知識點，而是将複雜的多(duō)學科知識從參與者可(kě)以認知的角度切入。簡單化側重将不易理(lǐ)解的科學概念通(tōng)過具體(tǐ)的方法簡化為(wèi)參與者可(kě)以理(lǐ)解的形式。例如張哲僑《深奧原理(lǐ)淺顯化、抽象知識直觀化——“科學有(yǒu)曰之多(duō)普勒效應”教育活動設計(jì)》一文，通(tōng)過關于“多(duō)普勒效應”的展品及實驗，說明(míng)“紅移”現象和(hé)“宇宙膨脹”學說；2017年進入全國科技(jì)館輔導員大(dà)賽決賽的合肥科技(jì)館“離心現象”展品輔導，将影(yǐng)響離心現象的半徑、質量、速度三個(gè)因素分解出來(lái)分别進行(xíng)實驗演示，也是一種化繁為(wèi)簡的方法；再如，将高(gāo)鐵(tiě)動車(chē)運用的高(gāo)新技(jì)術(shù)，分解為(wèi)最基本的力學、熱力學、電(diàn)磁學及能源、材料、機械等知識，這些(xiē)基本的知識點大(dà)多(duō)可(kě)以通(tōng)過經典展品和(hé)成熟的科學實驗進行(xíng)展示。

（三）活動設計(jì)後期

當具象化的具體(tǐ)方式确定後，相當于确定了整個(gè)活動的內(nèi)容和(hé)骨架，在後期就需要對這個(gè)活動進行(xíng)完善。在設計(jì)的具體(tǐ)細節上(shàng)要盡可(kě)能有(yǒu)趣味、讓觀衆自主進行(xíng)探索、得(de)到及時(shí)反饋并根據觀測結果進行(xíng)叠代。

 

04  教學案例設計(jì)分析 “宇宙探索系列教育活動——太陽系進行(xíng)曲”

（一）活動設計(jì)前期

每當我們形容一個(gè)數(shù)字很(hěn)大(dà)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(hěn)大(dà)，也說明(míng)它超出了一般的理(lǐ)解範疇。不提宇宙尺度、銀河(hé)系，太陽系中的很(hěn)多(duō)數(shù)字都已超出日常生(shēng)活經驗，乍一聽(tīng)來(lái)，令人(rén)難以理(lǐ)解和(hé)想象。在很(hěn)多(duō)科普圖示中，為(wèi)呈現太陽系的八大(dà)行(xíng)星，行(xíng)星排列軌道(dào)是等間(jiān)距分布的。這樣展示隻是為(wèi)了方便說明(míng)行(xíng)星排列順序，實際上(shàng)的軌道(dào)分布并不如此。比如木星和(hé)土星軌道(dào)之間(jiān)的距離大(dà)約是土星和(hé)天王星之間(jiān)軌道(dào)距離的1/2。為(wèi)了保證展示內(nèi)容的嚴謹，可(kě)以将軌道(dào)與太陽的具體(tǐ)距離直接告訴觀衆，如表1所示。但(dàn)這些(xiē)巨大(dà)數(shù)值已經超出了大(dà)部分人(rén)的日常生(shēng)活經驗。看到這些(xiē)數(shù)字，多(duō)數(shù)觀衆隻會(huì)想到：“哦，這些(xiē)天體(tǐ)原來(lái)很(hěn)遠啊！”但(dàn)具體(tǐ)有(yǒu)多(duō)遠，每個(gè)天體(tǐ)之間(jiān)相對距離的比例關系是什麽樣子的，不通(tōng)過實際計(jì)算(suàn)很(hěn)難弄清楚。即使經過計(jì)算(suàn)，得(de)出的數(shù)字也是抽象的，不易進行(xíng)想象。

（二）活動設計(jì)中期

圍繞對于天文學的巨大(dà)數(shù)值缺乏實際概念這一問題，“太陽系進行(xíng)曲”從具象化的角度去思考解決。具體(tǐ)方法如下：

可(kě)視(shì)化：将天體(tǐ)位置關系轉化為(wèi)可(kě)以直接觀測到的方式。在科技(jì)館對八大(dà)行(xíng)星的位置進行(xíng)實時(shí)觀測并不現實。在活動中采用了在紙張上(shàng)标記天體(tǐ)位置的方法，使八大(dà)行(xíng)星的位置關系一目了然。

簡單化：八大(dà)行(xíng)星之間(jiān)距離的天文數(shù)字不易直接理(lǐ)解，因此對數(shù)字進行(xíng)簡化。根據太陽系行(xíng)星軌道(dào)經驗公式提丢斯-波得(de)定則（Titius-Bode law）：

a=(n+4)/10

其中a為(wèi)行(xíng)星到太陽的平均距離；n = 0, 3, 6, 12, 24, 48……(後一個(gè)數(shù)字為(wèi)前一個(gè)數(shù)字的2倍)。

利用通(tōng)過對提丢斯-波得(de)定則計(jì)算(suàn)結果經過實際多(duō)次驗證，決定活動使用紙帶的長度。紙帶如果太短(duǎn)，例如15cm長，類地行(xíng)星間(jiān)的排布就太密以緻于挨在一起，無法展示。如果紙帶太長，對于實際操作(zuò)就會(huì)産生(shēng)很(hěn)大(dà)的障礙。紙帶的尺寸最後确定為(wèi)1.4m×0.4m。按照這個(gè)比例，天體(tǐ)之間(jiān)的距離被大(dà)大(dà)地等比縮小(xiǎo)了。很(hěn)多(duō)天體(tǐ)之間(jiān)的距離可(kě)以近似為(wèi)2倍的關系，在紙帶上(shàng)進行(xíng)對折就可(kě)以找到相應天體(tǐ)的位置（見圖1）。

建立模型：八大(dà)行(xíng)星有(yǒu)着自己的軌道(dào)。通(tōng)過對折的方式找到位置并标記出來(lái)，這樣就形成了太陽系的簡單模型。為(wèi)了方便觀察，我們設計(jì)了星體(tǐ)貼紙，在折痕處貼上(shàng)對應貼紙，就可(kě)以很(hěn)直觀地觀測模型。通(tōng)過觀察紙帶上(shàng)星體(tǐ)的位置，就可(kě)以思考星球與太陽系的位置關系。

情景化：每一個(gè)行(xíng)星的探測，都包含着很(hěn)多(duō)科技(jì)史故事。在找尋行(xíng)星位置的過程當中，通(tōng)過創設情景，将參與者代入到發現行(xíng)星的過程當中，加深他們對宇宙的認知。

活動所需教具（見圖1）：一張1.4m×0.4m的紙帶和(hé)八大(dà)行(xíng)星貼紙。

圖1 “太陽系進行(xíng)曲”活動教具

通(tōng)過以上(shàng)的分析，就可(kě)以将太陽系主要天體(tǐ)距離的抽象數(shù)字和(hé)太陽系不同天體(tǐ)間(jiān)複雜的模型通(tōng)過紙帶對折的方式具象化地呈現出來(lái)。

（三）活動設計(jì)後期

通(tōng)過這種方式，帶領觀衆一起制(zhì)作(zuò)太陽系八大(dà)行(xíng)星位置關系模型。從中還(hái)會(huì)發現，在太陽和(hé)柯伊伯帶天體(tǐ)（以冥王星為(wèi)代表）中間(jiān)的位置并不是距離太陽從近到遠排在中間(jiān)第四的火(huǒ)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(jiān)的距離要比地球到木星還(hái)遠。科技(jì)館展廳有(yǒu)很(hěn)多(duō)相應的展品，科技(jì)輔導員就可(kě)以根據自身所擅長的知識點，将活動結合展品呈現出來(lái)。

在活動過程中，采用《中國科技(jì)館展廳教育活動評估——指導手冊》對活動做(zuò)了整體(tǐ)評估，在評估中參與者在具像化所需的趣味性、體(tǐ)驗性、探究性、直觀性、自主性、适時(shí)反饋和(hé)叠代性的特點方面都給予了不錯的評價。

本文轉載，須注明(míng)作(zuò)者與來(lái)源（《自然科學博物館研究》2021年第3期