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科技馆中抽象科学概念具象化对策的思考与实践

发稿时间:2021-11-12 来源:自然科学博物馆研究

原文标题:评介|科技馆中抽象科学概念具象化对策的思考与实践——以中国科技馆“宇宙探索——太阳系进行曲” 教育活动为例

作者:孙伟强(中国科学技术馆讲师)

【摘要】随着科学的发展,其相关概念抽象程度越来越高且远离观众的实际生活,这对在科技馆开展相关教育活动造成了一定的困难。本文通过对这些困难问题进行分析,提取相应特征并提出科技馆采用具象化的教学思路将抽象概念进行直观化的呈现,并以中国科技馆“宇宙探索——太阳系进行曲”教育活动为案例,对如何应用这一方法进行说明。

01 面对现代科学的不断发展,科技馆所遇到的难题

科学,尤其是现代科学的发展,大大拓宽了人类对于世界认知的边界和深度。科学的发展与进步,展现出人类思维边界的延伸和扩展。现代科学的高速发展造成了其与观众的实际生活越来越远,概念越来越抽象、模型越来越复杂。如何对科学概念进行普及,尤其是对当代前沿科学与高新技术的普及是科普工作面临的普遍问题。承担着全民科普使命的科技馆,其本身又具有独特性,当面对这个问题的时候,科技馆究竟应当做些什么?

对于科技馆在科学技术朝向“超宏观”“超微观”“超长期”“极短期”等方面发展时所遇到的困难,中国科技馆新馆建设顾问张开逊曾在2006年的一次研讨会上有过如下论述:

科技馆擅长表现的是截至19世纪末的经典物理学及与其相关的部分数学、能源、机械、材料、交通等领域的科技原理,所以世界各国科技馆的经典展品主要集中在这些领域。这些展品有一个共同的特点,它们所显示的是“常观状态”下人类肉眼可观察的科学现象,而且是可重复操作、可在数秒钟之内即显示的科学现象。

到了20世纪,特别是20世纪中期以后,科学技术(包括物理学)向微观、宏观(包括超宏观)两个方向发展,如微观的核物理学、粒子物理学、量子力学、凝聚态物理学、细胞学、分子生物学和宏观、超宏观的天文学、相对论等,其原理所呈现的科学现象已超出了人类肉眼可观察的“常观状态”。因此,在科技馆的展厅中很难呈现其真实的科学现象,往往是通过多媒体、动画、视频来演示其模拟的科学现象,这也使表现这些内容的展品不能像经典展品那样让观众有真实的体验。

既然科技馆本身擅长的是经典物理学以及相关的科学现象,且科技馆自身也有着展示面积的限制,因此科技馆在选择展示内容的过程中必定会有所侧重,有所取舍,没必要也不可能面面俱到。如此说来,科技馆是否只展示经典展品就可以了?是否没有必要展示不适合常观状态下演示的科技现象及原理,特别是当代前沿科学与高新技术?当遇到前沿科学热点事件时回避相关展示与教育内容即可了呢?

首先从科学教育、科学普及的角度来看,这些重要的科技内容是不能舍弃的,特别是当代前沿科学与高新技术。例如基因编辑技术现已取得了长足的进步和发展,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术可以在“超微观”的基因组特定位置中编辑基因,其涉及到的基因治疗、科技伦理问题在社会上产生了很大的影响和争议。对于这些重要科技内容的传播是观众所需要的、也是他们希望了解和掌握的。观众对科学教育、科学普及的“需求”是实实在在存在的。科技馆承担着全民科普的使命,向观众“供给”相应的科学教育、科学普及活动是其应有之义,若以科技馆的教育特点不适合、不易开展相应活动为由而不作为,就背离了科技馆科普的初衷。这个问题的本质是科学教育、科学普及的“需求”与科技馆的“供给能力”之间的矛盾,即“供需矛盾”。

其次,随着科学技术的发展,科技馆不可避免地会涉及到前沿科学概念。即便是科技馆经典展品、活动已经涉及的科学概念也是如此。以科技馆的经典展品“神秘的黑洞”为例,可以展示黑洞引力强大,连光都逃脱不了。但在2019年全球公布了首张黑洞照片,其“超宏观”——拍摄的黑洞本身距离地球5300万光年,质量相当于65亿颗太阳;“超长期”——经过2年的数据分析才一睹黑洞的真容。经典展项背后的科学概念、科学原理本身也在不断地进步、完善。发挥科技馆的教育功能,也离不开前沿科学。

一些教育活动会采取对观众进行相关概念的讲解,但这样的教育活动往往变为一般性的知识讲解。不了解相关内容的观众会觉得这些内容艰深晦涩,而对于那些已经了解相关内容的观众来说,这样的讲解则显得淡而无味。若以这样的方式在科技馆开展教育活动,整个活动过程中观众就失去了自主操作和体验的环节,也与科技馆的特点相违背。与此同时,观众缺乏主动探索带来的收获和乐趣,从而无法获得直接经验。这样的教育活动与学校授课差异不大,只是环境从教室换成了科技馆。没有观众的参与体验,在科技馆中开展的这些教育活动的功能和价值就将大打折扣,教育效果也不尽如人意。

如何围绕抽象科学概念相关的模型、思维方式等内容开展科普,是对科技馆科普能力的挑战。现代科学研究对象的“超宏观”“超微观”,演化模型与过程的“超长期”“极短期”,使得科技馆难以直接利用这些资源。其它类型科技博物馆尚且可以通过模型、多媒体、动画、视频向观众灌输这些科技知识的“间接经验”,但科技馆所秉持的通过“基于实物的体验”“基于实践的探究”使观众获得“直接经验”的教育理念,如何在这些领域的科技传播中得以贯彻实现?更为重要的问题是,这些抽象概念如何能够转化为观众的认知,将“间接经验”与现实生活中的实践经验相联系,以完成知识的“内化”与“建构”。

 

02 关于“抽象概念”与“具象化”的关系及转化

抽象科学概念是科学家们从许多具体科学现象、科学问题中归纳、总结、抽象出来具有一定普遍规律的科学概念。达尔文通过观察一个个具体的生命进化现象探索、归纳、总结并提出进化论。他在加拉帕戈斯群岛上所观察到的鸟类都是具象的存在。埃德温·哈勃观察到各个方向的遥远星系都在高速地远离我们而去。一个个具象的星系位置变化,使哈勃推断出一个抽象的概念:宇宙并不是静止的,正在不断膨胀当中。根据这一具体的现象,伽莫夫等科学家提出并完善“宇宙大爆炸”学说,进而成为主流的学术观点。

科学研究并不是闭门造车、无中生有,而是建立在一个个具体的问题上。由此可以对相关科学概念的科普提出两点启示:一是需要“具象化”,将抽象科学概念的过程还原到具体研究或者关联的具体事物中,这不仅有助于受众认知抽象概念,而且有可能是将“间接经验”转化为“直接经验”的有效途径;二是需要在“抽象概念具象化”与“基于实物的体验”“基于实践的探究”“直接经验”之间建立起联系,“基于实物的体验”“基于实践的探究”本身即“抽象概念具象化”的方法之一。

“具象→抽象”符合人类由表及里、由浅入深、由个别到共性、由局部到普遍探索自然的认识规律。脱离了具体的科学现象、科学问题,普遍的、抽象的科学概念就无从产生,也无从谈起。“具象→抽象”既是科学探索的规律,也是科学教育中的认知规律。温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中提出了科学中的14个大概念。这些大的概念都是抽象的,宏观的,处于很高的认识层次,是用于解释和预测自然界现象的。例如《科学教育的原则和大概念》中的大概念6:宇宙中存在着数量极大的星系,太阳系只是其中的一个星系。太阳、八大行星以及其他一些按一定轨道运转的较小的星体共同组成了我们的太阳系。而这个大概念的建立,也是在人类具象的观测当中一次次迭代、升级,从而逐渐形成了现在的大概念。例如冥王星从行星降级就是一个很好的例证,最初一直以来行星被简单地描述为太空中绕恒星运动的天体,1930年美国人最初观测到这颗绕着太阳转的天体,把它归为行星。但随着观测的不断深入,新的天文现象不断被发现,例如:冥王星有一颗和它自身差不多大小的卫星;它的轨道有时候是在海王星的内侧;在它的轨道附近发现质量与它相差不大的天体。这些现象不断的挑战着原本行星的定义,于是2006年在捷克首都布拉格召开的国际天文学联合会闭幕大会上,2500位来自不同国家的天文学界代表对四个关于确定太阳系行星身份的草案进行投票表决后决定,冥王星失去“行星”地位,被划为“矮行星”。天文学特别注重具象的观测,通过观测具体现象,对抽象模型进行验证,从而推进人类对于宇宙的认知。天文学中体现的众多科学思想,也是观众在学习其他学科时不易接触到的,但采用“具象→抽象”的展示方式,可以将模型建构或者验证的过程通过观众的“亲身体验”呈现出来,将天文学蕴含的科学方法转化为观众的亲身体验的直接的经历。这样的方式在做到寓教于乐的同时,可以帮助观众对天文学有新的认知和了解。

当然,在实际的教育活动当中,没有必要都从最基本的现象开始。因为不同年龄、受教育程度不同的观众有着不一样的认知基础。目前很多科技馆的展厅教育活动会按照年龄层次区分设计,从而匹配具备相符认知能力的群体。同时科技馆本身的环境布置、展品设置都构成了具体的场景,建构出具体的学习情境。科技馆教育活动的参与者和科技馆辅导教师共同构成了学习的共同体。在科技馆中,具备参与者主动构建活动的条件,当科技辅导员通过适合的方式引导受众,帮助其产生主动建构,从而带来系统的经验变化。

以上分析了为什么“具象化”是“抽象科学概念”的解决之道,而科技馆在“具象→抽象”的具体实践中,还应当具备相应的探究实践的过程。当初科学家的科学考察、科学实验,都是通过观察某种事物(动植物标本、星体的位置、天象的变化等)的现象获得认知的,这些过程都是科学探究的实践。“通过亲身实践获取直接经验”是科技馆教育的一个重要标志,亲身实践代表着体验,而此处的体验不是目前许多关于博物馆、虚拟现实技术论文中局限于感官、氛围、情感层面的虚泛“体验”,而是能够导致认知的“体验”。体验中进行探究也不是教育界某些人实施的“从书本到书本”“从概念到概念”的“伪探究”,而是基于实践的探究,是“将科学家们以科研为目的的科学探究实践,转化为参与者以学习为目的的科学探究实践”。在科技馆中开展教育活动,既不能像学校教育一样去灌输知识,这与科技馆实际情况不符;也不能直白地向观众讲述知识点,这可能导致观众因缺乏实际经验而无法理解相关知识概念并对其产生畏惧。通过以上分析,科技馆在开展涉及抽象概念的科学教育活动时应当具备如下特征。

直观:可以直观地进行观察、发现、探索。直观不代表着直接看到,或者直接讲述,而是让观众通过一定的方式直观地观察到证据、过程、结果。

体验:体验不是目的,而是方式。体验是科技馆的一大特点,通过体验获得直接经验将增加、启发、验证或者改变参与者已掌握的证据或者事实。

探究:知道怎么回事和弄清楚怎么回事是两个不同的概念。只知道太阳的年龄大约50亿年和通过理解得到这一结论的过程和方法是完全不同的。通过探究可以深入了解事物内在的运行逻辑。

但什么样的“具象化”方式可以让人们认知和理解“抽象概念”呢?这个问题可以换一个角度去考虑:什么样的具象事物是受众所熟知的、可以理解的。掌握这个原则之后,就可以顺藤摸瓜,将抽象概念向熟悉的具象化事物转化,找到解决办法。当然不同的主题有多种方式,比如电流、电压这些概念,教师经常会用“水流”“水压”来比喻;大气压也通常用水银柱的高度来进行具象展示。面对不同对象,需要掌握的基本概念不同,具象化的方式也应当有所变化。归纳起来具象化有以下的方式:

类比:如果抽象概念和实际的生活经验可以类比,可以直观地展示生活经验,对相关知识进行迁移。例如质子的直径约1.6~1.7×10−15m,只占到氢原子体积的很小部分。这个微观尺度是实际生活接触不到的。但换一个角度,如果将原子等比放大至中国科技馆建筑一样大,那么一个原子核就只有豌豆这么大了。

模拟:将抽象的概念通过模拟实际感触到。模拟的方式有很多,比如实验演示、科学表演、科普剧等等。比如伯努利定律是流体力学当中抽象的概念,用鼓风机、泡沫塑料机翼模拟风洞实验、演示机翼结构的空气动力等特性。如将一些自然现象拟人化、戏剧化处理,让学生参与演出模拟。由演员表演某些实物、状态等,在传播知识同时还会带来意想不到的戏剧效果或收获。

分解:抽象的科学概念有可能是建立在不同学科交叉基础之上的,也有可能包含同一领域内多种基本概念的集合。可以通过分解的方式,找到某一个重点进行具象化的展示。也可以通过原理、过程、操作等进行分解,并设计相应的操作、观察、体验过程。在陈闯发表的《“分解-体验-认知”——探究式展品辅导开发思路》一文中,通过不同环节的分解,设计多种“体验”实现具体的“认知”。

在实际的展示或教学设计中为了增强教学和认知效果,还可采取以下的措施并注意相关要点。

趣味性:趣味指的不仅仅是好玩、新奇、炫酷,更多是指某些元素能够激发和保持学习者对科学概念的好奇心,同时引起他们的兴趣和关注。

自主性:整个过程建立在参与者或参与者构成的团队自主探索的基础上。科技辅导员不应当直接将结论告诉参与者。

适时反馈:如果没有反馈,就无法验证之前的学习、探索等活动是否达到目的。在整个教育过程中应当根据实际情况适时收集反馈。反馈可以是正向的,也可以是负向的。

迭代:新的认知模块建立起来,并不代表一个完整过程的结束。新认知的出现可能对现有的理论提出挑战,很多科学概念的建立都是如此,科学发展的实际过程也是不断迭代的。

 

03 科技馆中抽象科学概念具象化的设计思路

笔者通过分析“抽象概念”与“具象化”的关系以及如何转化,得出了一些特征、方法和要点。下文将分析,如何把这些内容应用在具体的活动设计中。具象化的特征、方法和要点其实分别对应着活动设计的“前”“中”“后”期。

(一)活动设计前期

在活动设计前期,最重要的是进行选题,即选择活动内容,选题的内容应当符合“直观”“体验”“探究”。在陈闯《“分解-体验-认知”——探究式展品辅导开发思路》一文中有清晰的论述:“选择的主题要以学习者为主体,调动多感官体验、原理要直观”。如电磁学相关内容,电和磁本身都是看不见的,但我们可以通过明显的现象直观地看到电磁效应(摆锤的摆动)、通过不同方式进行探究(尝试不同材料)、参与情景体验(角色扮演)。这种方式符合具象化的特征,是适合进行展示的。并不是所有的科学概念或者说抽象的科学概念都适合在科技馆进行展示。如前文所述,科技馆本身擅长的是经典物理学以及相关的科学现象。那些超宏观、超长期、超微观的科学现象并不是科技馆所擅长展示的。“具象化”可以用来弥补和解决一部分科技馆在这一方向上的欠缺,但仍有力所不及之处,如海森堡不确定性原理,这是只有在超微观的量子尺度下才会显现作用的物理学规律,很难通过具象化的方式进行展示。如果勉强为之,那就是缘木求鱼、方枘圆凿了。

(二)活动设计中期

选定主题之后,需要将抽象科学概念进行转化,找到具体的解决办法。依据上文分析,转化可以通过“类比”“模拟”和“分解”三种方式进行。无论采取哪种方式,都需要对目标受众进行分析,找到其熟悉的具体事物,还要根据相关课程标准或调查研究掌握受众认知的水平,再开始设计。“类比”“模拟”和“分解”也可以通过不同的方法实现,笔者根据自身开发教育活动的经验梳理出以下几点,供参考。

1. 类比

可视化:将一些不容易观察到或者“超宏观”“超微观”的科学现象、抽象的科学概念在没有曲解科学原意的基础上转化为肉眼可直接观测到的模型或是其他类比方式进行展示。例如很多场馆有万有引力的展项,展项通过模型的方式,利用小球的运动模拟天体的运动。辅助性的多媒体、动画、视频、图像,也是“可视化”的常用手段。

迁移:将旧有的知识迁移到新的学习当中,把抽象的科学概念与已掌握的知识进行比较。例如在课堂或者科技馆教学中,通常会将水流和电流进行类比。电流是一个抽象的概念,而水流是相对熟悉的概念。

2. 模拟

情景化:将抽象的科学概念包含在创设、改造的具象情景以及围绕情景开展的活动当中。参与者可以在情境中进行观察、探索、体验,在情境中学习相关科学概念。同时在情境中可以逐步地理解和认识相关艰涩的内容。在黄践《中国科技馆颜色屋展品情境式教学活动开发》一文中,将颜色屋展品本身的情景通过探案的形式呈现出来,在整个过程中以形象性、启发的特点激发学生的学习兴趣并引导其学习动机,进而培养学生的认知能力。

建立模型:模型是科学探索中常用的手段。建立模型的具体做法有两种。一是引导参与者,通过创设情境或者自己动手等方式了解科学家建立科学模型的过程,比如动手制作一个DNA双螺旋模型。二是自主构建模型,通过一定的方式,如学生通过观察、探索自主构建模型。例如在美国航空航天局火星教育项目(NASA Mars Education Program)中的一个案例是通过对现有火星数据图像进行分析,建立火星沙盘。

3. 分解

以小见大:通过将含有多个抽象内容的概念抽丝剥茧,选取其中一个核心点,结合参与者现有认知水平从一个具体小知识点进行突破。现代科学技术跨学科领域的交叉越来越多,这就决定了高新科学技术取得突破不仅仅是在本领域内,而是多领域团队合作的结果。但也正是由于这个特点,容易导致教学活动在实施过程中追求面面俱到,最后捡芝麻丢西瓜,不能准确把握重点。例如美国1969年的登月行动,是一个超级复杂,涉及学科领域特别多的科技大事件。其中涉及很多高新技术,如导航、测控、空间交会对接等等。但NASA以此为背景面向小学生的一个教育活动,却没有将重点放在这些方面,而是探讨登月舱的支架设计方案。从压力压强的知识点出发,通过动手实验的方式来说明科学目标对技术进步的影响。活动从实际生活中的具体知识点——压力压强出发,引入对自然规律的更高层次认识。

简单化:简单化和以小见大有所不同。两者都可以将高深复杂的科技知识(特别是前沿科学与高新技术知识)转化为相对简单、浅显、基本的科学问题。以小见大并没有简化知识点,而是将复杂的多学科知识从参与者可以认知的角度切入。简单化侧重将不易理解的科学概念通过具体的方法简化为参与者可以理解的形式。例如张哲侨《深奥原理浅显化、抽象知识直观化——“科学有曰之多普勒效应”教育活动设计》一文,通过关于“多普勒效应”的展品及实验,说明“红移”现象和“宇宙膨胀”学说;2017年进入全国科技馆辅导员大赛决赛的合肥科技馆“离心现象”展品辅导,将影响离心现象的半径、质量、速度三个因素分解出来分别进行实验演示,也是一种化繁为简的方法;再如,将高铁动车运用的高新技术,分解为最基本的力学、热力学、电磁学及能源、材料、机械等知识,这些基本的知识点大多可以通过经典展品和成熟的科学实验进行展示。

(三)活动设计后期

当具象化的具体方式确定后,相当于确定了整个活动的内容和骨架,在后期就需要对这个活动进行完善。在设计的具体细节上要尽可能有趣味、让观众自主进行探索、得到及时反馈并根据观测结果进行迭代。

 

04  教学案例设计分析 “宇宙探索系列教育活动——太阳系进行曲”

(一)活动设计前期

每当我们形容一个数字很大的时候,会提到一个词“天文数字”。天文数字不仅形容这个数字很大,也说明它超出了一般的理解范畴。不提宇宙尺度、银河系,太阳系中的很多数字都已超出日常生活经验,乍一听来,令人难以理解和想象。在很多科普图示中,为呈现太阳系的八大行星,行星排列轨道是等间距分布的。这样展示只是为了方便说明行星排列顺序,实际上的轨道分布并不如此。比如木星和土星轨道之间的距离大约是土星和天王星之间轨道距离的1/2。为了保证展示内容的严谨,可以将轨道与太阳的具体距离直接告诉观众,如表1所示。但这些巨大数值已经超出了大部分人的日常生活经验。看到这些数字,多数观众只会想到:“哦,这些天体原来很远啊!”但具体有多远,每个天体之间相对距离的比例关系是什么样子的,不通过实际计算很难弄清楚。即使经过计算,得出的数字也是抽象的,不易进行想象。

(二)活动设计中期

围绕对于天文学的巨大数值缺乏实际概念这一问题,“太阳系进行曲”从具象化的角度去思考解决。具体方法如下:

可视化:将天体位置关系转化为可以直接观测到的方式。在科技馆对八大行星的位置进行实时观测并不现实。在活动中采用了在纸张上标记天体位置的方法,使八大行星的位置关系一目了然。

简单化:八大行星之间距离的天文数字不易直接理解,因此对数字进行简化。根据太阳系行星轨道经验公式提丢斯-波得定则(Titius-Bode law):

a=(n+4)/10

其中a为行星到太阳的平均距离;n = 0, 3, 6, 12, 24, 48……(后一个数字为前一个数字的2倍)。

利用通过对提丢斯-波得定则计算结果经过实际多次验证,决定活动使用纸带的长度。纸带如果太短,例如15cm长,类地行星间的排布就太密以致于挨在一起,无法展示。如果纸带太长,对于实际操作就会产生很大的障碍。纸带的尺寸最后确定为1.4m×0.4m。按照这个比例,天体之间的距离被大大地等比缩小了。很多天体之间的距离可以近似为2倍的关系,在纸带上进行对折就可以找到相应天体的位置(见图1)。

建立模型:八大行星有着自己的轨道。通过对折的方式找到位置并标记出来,这样就形成了太阳系的简单模型。为了方便观察,我们设计了星体贴纸,在折痕处贴上对应贴纸,就可以很直观地观测模型。通过观察纸带上星体的位置,就可以思考星球与太阳系的位置关系。

情景化:每一个行星的探测,都包含着很多科技史故事。在找寻行星位置的过程当中,通过创设情景,将参与者代入到发现行星的过程当中,加深他们对宇宙的认知。

活动所需教具(见图1):一张1.4m×0.4m的纸带和八大行星贴纸。

图1 “太阳系进行曲”活动教具

通过以上的分析,就可以将太阳系主要天体距离的抽象数字和太阳系不同天体间复杂的模型通过纸带对折的方式具象化地呈现出来。

(三)活动设计后期

通过这种方式,带领观众一起制作太阳系八大行星位置关系模型。从中还会发现,在太阳和柯伊伯带天体(以冥王星为代表)中间的位置并不是距离太阳从近到远排在中间第四的火星或者第五的木星,而是排在第七的天王星,天王星与海王星之间的距离要比地球到木星还远。科技馆展厅有很多相应的展品,科技辅导员就可以根据自身所擅长的知识点,将活动结合展品呈现出来。

在活动过程中,采用《中国科技馆展厅教育活动评估——指导手册》对活动做了整体评估,在评估中参与者在具像化所需的趣味性、体验性、探究性、直观性、自主性、适时反馈和迭代性的特点方面都给予了不错的评价。

本文来源(《自然科学博物馆研究》2021年第3期

(本文来源:自然科学博物馆研究;了解相关说明

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