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科技館中抽象科學概念具象化對策的思考與實踐

發稿時間：2021-11-12 來源：自然科學博物館研究

原文標題：評介｜科技館中抽象科學概念具象化對策的思考與實踐——以中國科技館“宇宙探索——太陽系進行曲” 教育活動為例

作者：孫偉強（中國科學技術館講師）

【摘要】隨著科學的發展，其相關概念抽象程度越來越高且遠離觀眾的實際生活，這對在科技館開展相關教育活動造成了一定的困難。本文通過對這些困難問題進行分析，提取相應特征并提出科技館采用具象化的教學思路將抽象概念進行直觀化的呈現，并以中國科技館“宇宙探索——太陽系進行曲”教育活動為案例，對如何應用這一方法進行說明。

01 面對現代科學的不斷發展，科技館所遇到的難題

科學，尤其是現代科學的發展，大大拓寬了人類對于世界認知的邊界和深度?？茖W的發展與進步，展現出人類思維邊界的延伸和擴展?，F代科學的高速發展造成了其與觀眾的實際生活越來越遠，概念越來越抽象、模型越來越復雜。如何對科學概念進行普及，尤其是對當代前沿科學與高新技術的普及是科普工作面臨的普遍問題。承擔著全民科普使命的科技館，其本身又具有獨特性，當面對這個問題的時候，科技館究竟應當做些什么？

對于科技館在科學技術朝向“超宏觀”“超微觀”“超長期”“極短期”等方面發展時所遇到的困難，中國科技館新館建設顧問張開遜曾在2006年的一次研討會上有過如下論述：

科技館擅長表現的是截至19世紀末的經典物理學及與其相關的部分數學、能源、機械、材料、交通等領域的科技原理，所以世界各國科技館的經典展品主要集中在這些領域。這些展品有一個共同的特點，它們所顯示的是“常觀狀態”下人類肉眼可觀察的科學現象，而且是可重復操作、可在數秒鐘之內即顯示的科學現象。

到了20世紀，特別是20世紀中期以后，科學技術（包括物理學）向微觀、宏觀（包括超宏觀）兩個方向發展，如微觀的核物理學、粒子物理學、量子力學、凝聚態物理學、細胞學、分子生物學和宏觀、超宏觀的天文學、相對論等，其原理所呈現的科學現象已超出了人類肉眼可觀察的“常觀狀態”。因此，在科技館的展廳中很難呈現其真實的科學現象，往往是通過多媒體、動畫、視頻來演示其模擬的科學現象，這也使表現這些內容的展品不能像經典展品那樣讓觀眾有真實的體驗。

既然科技館本身擅長的是經典物理學以及相關的科學現象，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容的過程中必定會有所側重，有所取舍，沒必要也不可能面面俱到。如此說來，科技館是否只展示經典展品就可以了？是否沒有必要展示不適合常觀狀態下演示的科技現象及原理，特別是當代前沿科學與高新技術？當遇到前沿科學熱點事件時回避相關展示與教育內容即可了呢？

首先從科學教育、科學普及的角度來看，這些重要的科技內容是不能舍棄的，特別是當代前沿科學與高新技術。例如基因編輯技術現已取得了長足的進步和發展，利用CRISPR-Cas9基因編輯技術可以在“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、科技倫理問題在社會上產生了很大的影響和爭議。對于這些重要科技內容的傳播是觀眾所需要的、也是他們希望了解和掌握的。觀眾對科學教育、科學普及的“需求”是實實在在存在的?？萍拣^承擔著全民科普的使命，向觀眾“供給”相應的科學教育、科學普及活動是其應有之義，若以科技館的教育特點不適合、不易開展相應活動為由而不作為，就背離了科技館科普的初衷。這個問題的本質是科學教育、科學普及的“需求”與科技館的“供給能力”之間的矛盾，即“供需矛盾”。

其次，隨著科學技術的發展，科技館不可避免地會涉及到前沿科學概念。即便是科技館經典展品、活動已經涉及的科學概念也是如此。以科技館的經典展品“神秘的黑洞”為例，可以展示黑洞引力強大，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5300萬光年，質量相當于65億顆太陽；“超長期”——經過2年的數據分析才一睹黑洞的真容。經典展項背后的科學概念、科學原理本身也在不斷地進步、完善。發揮科技館的教育功能，也離不開前沿科學。

一些教育活動會采取對觀眾進行相關概念的講解，但這樣的教育活動往往變為一般性的知識講解。不了解相關內容的觀眾會覺得這些內容艱深晦澀，而對于那些已經了解相關內容的觀眾來說，這樣的講解則顯得淡而無味。若以這樣的方式在科技館開展教育活動，整個活動過程中觀眾就失去了自主操作和體驗的環節，也與科技館的特點相違背。與此同時，觀眾缺乏主動探索帶來的收獲和樂趣，從而無法獲得直接經驗。這樣的教育活動與學校授課差異不大，只是環境從教室換成了科技館。沒有觀眾的參與體驗，在科技館中開展的這些教育活動的功能和價值就將大打折扣，教育效果也不盡如人意。

如何圍繞抽象科學概念相關的模型、思維方式等內容開展科普，是對科技館科普能力的挑戰?，F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”“極短期”，使得科技館難以直接利用這些資源。其它類型科技博物館尚且可以通過模型、多媒體、動畫、視頻向觀眾灌輸這些科技知識的“間接經驗”，但科技館所秉持的通過“基于實物的體驗”“基于實踐的探究”使觀眾獲得“直接經驗”的教育理念，如何在這些領域的科技傳播中得以貫徹實現？更為重要的問題是，這些抽象概念如何能夠轉化為觀眾的認知，將“間接經驗”與現實生活中的實踐經驗相聯系，以完成知識的“內化”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們從許多具體科學現象、科學問題中歸納、總結、抽象出來具有一定普遍規律的科學概念。達爾文通過觀察一個個具體的生命進化現象探索、歸納、總結并提出進化論。他在加拉帕戈斯群島上所觀察到的鳥類都是具象的存在。埃德溫·哈勃觀察到各個方向的遙遠星系都在高速地遠離我們而去。一個個具象的星系位置變化，使哈勃推斷出一個抽象的概念：宇宙并不是靜止的，正在不斷膨脹當中。根據這一具體的現象，伽莫夫等科學家提出并完善“宇宙大爆炸”學說，進而成為主流的學術觀點。

科學研究并不是閉門造車、無中生有，而是建立在一個個具體的問題上。由此可以對相關科學概念的科普提出兩點啟示：一是需要“具象化”，將抽象科學概念的過程還原到具體研究或者關聯的具體事物中，這不僅有助于受眾認知抽象概念，而且有可能是將“間接經驗”轉化為“直接經驗”的有效途徑；二是需要在“抽象概念具象化”與“基于實物的體驗”“基于實踐的探究”“直接經驗”之間建立起聯系，“基于實物的體驗”“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”符合人類由表及里、由淺入深、由個別到共性、由局部到普遍探索自然的認識規律。脫離了具體的科學現象、科學問題，普遍的、抽象的科學概念就無從產生，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《科學教育的原則和大概念》一書中提出了科學中的14個大概念。這些大的概念都是抽象的，宏觀的，處于很高的認識層次，是用于解釋和預測自然界現象的。例如《科學教育的原則和大概念》中的大概念6：宇宙中存在著數量極大的星系，太陽系只是其中的一個星系。太陽、八大行星以及其他一些按一定軌道運轉的較小的星體共同組成了我們的太陽系。而這個大概念的建立，也是在人類具象的觀測當中一次次迭代、升級，從而逐漸形成了現在的大概念。例如冥王星從行星降級就是一個很好的例證，最初一直以來行星被簡單地描述為太空中繞恒星運動的天體，1930年美國人最初觀測到這顆繞著太陽轉的天體，把它歸為行星。但隨著觀測的不斷深入，新的天文現象不斷被發現，例如：冥王星有一顆和它自身差不多大小的衛星；它的軌道有時候是在海王星的內側；在它的軌道附近發現質量與它相差不大的天體。這些現象不斷的挑戰著原本行星的定義，于是2006年在捷克首都布拉格召開的國際天文學聯合會閉幕大會上，2500位來自不同國家的天文學界代表對四個關于確定太陽系行星身份的草案進行投票表決后決定，冥王星失去“行星”地位，被劃為“矮行星”。天文學特別注重具象的觀測，通過觀測具體現象，對抽象模型進行驗證，從而推進人類對于宇宙的認知。天文學中體現的眾多科學思想，也是觀眾在學習其他學科時不易接觸到的，但采用“具象→抽象”的展示方式，可以將模型建構或者驗證的過程通過觀眾的“親身體驗”呈現出來，將天文學蘊含的科學方法轉化為觀眾的親身體驗的直接的經歷。這樣的方式在做到寓教于樂的同時，可以幫助觀眾對天文學有新的認知和了解。

當然，在實際的教育活動當中，沒有必要都從最基本的現象開始。因為不同年齡、受教育程度不同的觀眾有著不一樣的認知基礎。目前很多科技館的展廳教育活動會按照年齡層次區分設計，從而匹配具備相符認知能力的群體。同時科技館本身的環境布置、展品設置都構成了具體的場景，建構出具體的學習情境?？萍拣^教育活動的參與者和科技館輔導教師共同構成了學習的共同體。在科技館中，具備參與者主動構建活動的條件，當科技輔導員通過適合的方式引導受眾，幫助其產生主動建構，從而帶來系統的經驗變化。

以上分析了為什么“具象化”是“抽象科學概念”的解決之道，而科技館在“具象→抽象”的具體實踐中，還應當具備相應的探究實踐的過程。當初科學家的科學考察、科學實驗，都是通過觀察某種事物（動植物標本、星體的位置、天象的變化等）的現象獲得認知的，這些過程都是科學探究的實踐。“通過親身實踐獲取直接經驗”是科技館教育的一個重要標志，親身實踐代表著體驗，而此處的體驗不是目前許多關于博物館、虛擬現實技術論文中局限于感官、氛圍、情感層面的虛泛“體驗”，而是能夠導致認知的“體驗”。體驗中進行探究也不是教育界某些人實施的“從書本到書本”“從概念到概念”的“偽探究”，而是基于實踐的探究，是“將科學家們以科研為目的的科學探究實踐，轉化為參與者以學習為目的的科學探究實踐”。在科技館中開展教育活動，既不能像學校教育一樣去灌輸知識，這與科技館實際情況不符；也不能直白地向觀眾講述知識點，這可能導致觀眾因缺乏實際經驗而無法理解相關知識概念并對其產生畏懼。通過以上分析，科技館在開展涉及抽象概念的科學教育活動時應當具備如下特征。

直觀：可以直觀地進行觀察、發現、探索。直觀不代表著直接看到，或者直接講述，而是讓觀眾通過一定的方式直觀地觀察到證據、過程、結果。

體驗：體驗不是目的，而是方式。體驗是科技館的一大特點，通過體驗獲得直接經驗將增加、啟發、驗證或者改變參與者已掌握的證據或者事實。

探究：知道怎么回事和弄清楚怎么回事是兩個不同的概念。只知道太陽的年齡大約50億年和通過理解得到這一結論的過程和方法是完全不同的。通過探究可以深入了解事物內在的運行邏輯。

但什么樣的“具象化”方式可以讓人們認知和理解“抽象概念”呢？這個問題可以換一個角度去考慮：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化，找到解決辦法。當然不同的主題有多種方式，比如電流、電壓這些概念，教師經常會用“水流”“水壓”來比喻；大氣壓也通常用水銀柱的高度來進行具象展示。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所變化。歸納起來具象化有以下的方式：

類比：如果抽象概念和實際的生活經驗可以類比，可以直觀地展示生活經驗，對相關知識進行遷移。例如質子的直徑約1.6~1.7×10−15m，只占到氫原子體積的很小部分。這個微觀尺度是實際生活接觸不到的。但換一個角度，如果將原子等比放大至中國科技館建筑一樣大，那么一個原子核就只有豌豆這么大了。

模擬：將抽象的概念通過模擬實際感觸到。模擬的方式有很多，比如實驗演示、科學表演、科普劇等等。比如伯努利定律是流體力學當中抽象的概念，用鼓風機、泡沫塑料機翼模擬風洞實驗、演示機翼結構的空氣動力等特性。如將一些自然現象擬人化、戲劇化處理，讓學生參與演出模擬。由演員表演某些實物、狀態等，在傳播知識同時還會帶來意想不到的戲劇效果或收獲。

分解：抽象的科學概念有可能是建立在不同學科交叉基礎之上的，也有可能包含同一領域內多種基本概念的集合?？梢酝ㄟ^分解的方式，找到某一個重點進行具象化的展示。也可以通過原理、過程、操作等進行分解,并設計相應的操作、觀察、體驗過程。在陳闖發表的《“分解-體驗-認知”——探究式展品輔導開發思路》一文中，通過不同環節的分解，設計多種“體驗”實現具體的“認知”。

在實際的展示或教學設計中為了增強教學和認知效果，還可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，更多是指某些元素能夠激發和保持學習者對科學概念的好奇心,同時引起他們的興趣和關注。

自主性：整個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?？萍驾o導員不應當直接將結論告訴參與者。

適時反饋：如果沒有反饋，就無法驗證之前的學習、探索等活動是否達到目的。在整個教育過程中應當根據實際情況適時收集反饋。反饋可以是正向的，也可以是負向的。

迭代：新的認知模塊建立起來，并不代表一個完整過程的結束。新認知的出現可能對現有的理論提出挑戰，很多科學概念的建立都是如此，科學發展的實際過程也是不斷迭代的。

03 科技館中抽象科學概念具象化的設計思路

筆者通過分析“抽象概念”與“具象化”的關系以及如何轉化，得出了一些特征、方法和要點。下文將分析，如何把這些內容應用在具體的活動設計中。具象化的特征、方法和要點其實分別對應著活動設計的“前”“中”“后”期。

（一）活動設計前期

在活動設計前期，最重要的是進行選題，即選擇活動內容，選題的內容應當符合“直觀”“體驗”“探究”。在陳闖《“分解-體驗-認知”——探究式展品輔導開發思路》一文中有清晰的論述：“選擇的主題要以學習者為主體，調動多感官體驗、原理要直觀”。如電磁學相關內容，電和磁本身都是看不見的，但我們可以通過明顯的現象直觀地看到電磁效應（擺錘的擺動）、通過不同方式進行探究（嘗試不同材料）、參與情景體驗（角色扮演）。這種方式符合具象化的特征，是適合進行展示的。并不是所有的科學概念或者說抽象的科學概念都適合在科技館進行展示。如前文所述，科技館本身擅長的是經典物理學以及相關的科學現象。那些超宏觀、超長期、超微觀的科學現象并不是科技館所擅長展示的。“具象化”可以用來彌補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顯現作用的物理學規律，很難通過具象化的方式進行展示。如果勉強為之，那就是緣木求魚、方枘圓鑿了。

（二）活動設計中期

選定主題之后，需要將抽象科學概念進行轉化，找到具體的解決辦法。依據上文分析，轉化可以通過“類比”“模擬”和“分解”三種方式進行。無論采取哪種方式，都需要對目標受眾進行分析，找到其熟悉的具體事物，還要根據相關課程標準或調查研究掌握受眾認知的水平，再開始設計。“類比”“模擬”和“分解”也可以通過不同的方法實現，筆者根據自身開發教育活動的經驗梳理出以下幾點，供參考。

1. 類比

可視化：將一些不容易觀察到或者“超宏觀”“超微觀”的科學現象、抽象的科學概念在沒有曲解科學原意的基礎上轉化為肉眼可直接觀測到的模型或是其他類比方式進行展示。例如很多場館有萬有引力的展項，展項通過模型的方式，利用小球的運動模擬天體的運動。輔助性的多媒體、動畫、視頻、圖像，也是“可視化”的常用手段。

遷移：將舊有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比較。例如在課堂或者科技館教學中，通常會將水流和電流進行類比。電流是一個抽象的概念，而水流是相對熟悉的概念。

2. 模擬

情景化：將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展的活動當中。參與者可以在情境中進行觀察、探索、體驗，在情境中學習相關科學概念。同時在情境中可以逐步地理解和認識相關艱澀的內容。在黃踐《中國科技館顏色屋展品情境式教學活動開發》一文中，將顏色屋展品本身的情景通過探案的形式呈現出來，在整個過程中以形象性、啟發的特點激發學生的學習興趣并引導其學習動機，進而培養學生的認知能力。

建立模型：模型是科學探索中常用的手段。建立模型的具體做法有兩種。一是引導參與者，通過創設情境或者自己動手等方式了解科學家建立科學模型的過程，比如動手制作一個DNA雙螺旋模型。二是自主構建模型，通過一定的方式，如學生通過觀察、探索自主構建模型。例如在美國航空航天局火星教育項目（NASA Mars Education Program）中的一個案例是通過對現有火星數據圖像進行分析，建立火星沙盤。

3. 分解

以小見大：通過將含有多個抽象內容的概念抽絲剝繭，選取其中一個核心點，結合參與者現有認知水平從一個具體小知識點進行突破?，F代科學技術跨學科領域的交叉越來越多，這就決定了高新科學技術取得突破不僅僅是在本領域內，而是多領域團隊合作的結果。但也正是由于這個特點,容易導致教學活動在實施過程中追求面面俱到，最后撿芝麻丟西瓜，不能準確把握重點。例如美國1969年的登月行動，是一個超級復雜，涉及學科領域特別多的科技大事件。其中涉及很多高新技術，如導航、測控、空間交會對接等等。但NASA以此為背景面向小學生的一個教育活動，卻沒有將重點放在這些方面，而是探討登月艙的支架設計方案。從壓力壓強的知識點出發，通過動手實驗的方式來說明科學目標對技術進步的影響?；顒訌膶嶋H生活中的具體知識點——壓力壓強出發，引入對自然規律的更高層次認識。

簡單化：簡單化和以小見大有所不同。兩者都可以將高深復雜的科技知識（特別是前沿科學與高新技術知識）轉化為相對簡單、淺顯、基本的科學問題。以小見大并沒有簡化知識點，而是將復雜的多學科知識從參與者可以認知的角度切入。簡單化側重將不易理解的科學概念通過具體的方法簡化為參與者可以理解的形式。例如張哲僑《深奧原理淺顯化、抽象知識直觀化——“科學有曰之多普勒效應”教育活動設計》一文，通過關于“多普勒效應”的展品及實驗，說明“紅移”現象和“宇宙膨脹”學說；2017年進入全國科技館輔導員大賽決賽的合肥科技館“離心現象”展品輔導，將影響離心現象的半徑、質量、速度三個因素分解出來分別進行實驗演示，也是一種化繁為簡的方法；再如，將高鐵動車運用的高新技術，分解為最基本的力學、熱力學、電磁學及能源、材料、機械等知識，這些基本的知識點大多可以通過經典展品和成熟的科學實驗進行展示。

（三）活動設計后期

當具象化的具體方式確定后，相當于確定了整個活動的內容和骨架，在后期就需要對這個活動進行完善。在設計的具體細節上要盡可能有趣味、讓觀眾自主進行探索、得到及時反饋并根據觀測結果進行迭代。

04 教學案例設計分析 “宇宙探索系列教育活動——太陽系進行曲”

（一）活動設計前期

每當我們形容一個數字很大的時候，會提到一個詞“天文數字”。天文數字不僅形容這個數字很大，也說明它超出了一般的理解范疇。不提宇宙尺度、銀河系，太陽系中的很多數字都已超出日常生活經驗，乍一聽來，令人難以理解和想象。在很多科普圖示中，為呈現太陽系的八大行星，行星排列軌道是等間距分布的。這樣展示只是為了方便說明行星排列順序，實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。為了保證展示內容的嚴謹，可以將軌道與太陽的具體距離直接告訴觀眾，如表1所示。但這些巨大數值已經超出了大部分人的日常生活經驗?？吹竭@些數字，多數觀眾只會想到：“哦，這些天體原來很遠??！”但具體有多遠，每個天體之間相對距離的比例關系是什么樣子的，不通過實際計算很難弄清楚。即使經過計算，得出的數字也是抽象的，不易進行想象。

（二）活動設計中期

圍繞對于天文學的巨大數值缺乏實際概念這一問題，“太陽系進行曲”從具象化的角度去思考解決。具體方法如下：

可視化：將天體位置關系轉化為可以直接觀測到的方式。在科技館對八大行星的位置進行實時觀測并不現實。在活動中采用了在紙張上標記天體位置的方法，使八大行星的位置關系一目了然。

簡單化：八大行星之間距離的天文數字不易直接理解，因此對數字進行簡化。根據太陽系行星軌道經驗公式提丟斯-波得定則（Titius-Bode law）：

a=(n+4)/10

其中a為行星到太陽的平均距離；n = 0, 3, 6, 12, 24, 48……(后一個數字為前一個數字的2倍)。

利用通過對提丟斯-波得定則計算結果經過實際多次驗證，決定活動使用紙帶的長度。紙帶如果太短，例如15cm長，類地行星間的排布就太密以致于挨在一起，無法展示。如果紙帶太長，對于實際操作就會產生很大的障礙。紙帶的尺寸最后確定為1.4m×0.4m。按照這個比例，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倍的關系，在紙帶上進行對折就可以找到相應天體的位置（見圖1）。

建立模型：八大行星有著自己的軌道。通過對折的方式找到位置并標記出來，這樣就形成了太陽系的簡單模型。為了方便觀察，我們設計了星體貼紙，在折痕處貼上對應貼紙，就可以很直觀地觀測模型。通過觀察紙帶上星體的位置，就可以思考星球與太陽系的位置關系。

情景化：每一個行星的探測，都包含著很多科技史故事。在找尋行星位置的過程當中，通過創設情景，將參與者代入到發現行星的過程當中，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的紙帶和八大行星貼紙。

圖1 “太陽系進行曲”活動教具

通過以上的分析，就可以將太陽系主要天體距離的抽象數字和太陽系不同天體間復雜的模型通過紙帶對折的方式具象化地呈現出來。

（三）活動設計后期

通過這種方式，帶領觀眾一起制作太陽系八大行星位置關系模型。從中還會發現，在太陽和柯伊伯帶天體（以冥王星為代表）中間的位置并不是距離太陽從近到遠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。科技館展廳有很多相應的展品，科技輔導員就可以根據自身所擅長的知識點，將活動結合展品呈現出來。

在活動過程中，采用《中國科技館展廳教育活動評估——指導手冊》對活動做了整體評估，在評估中參與者在具像化所需的趣味性、體驗性、探究性、直觀性、自主性、適時反饋和迭代性的特點方面都給予了不錯的評價。

本文轉載，須注明作者與來源（《自然科學博物館研究》2021年第3期

（本文來源：自然科學博物館研究；了解相關說明）