——多案例分析
作者簡介：莊瑜，華東師範大學教育高等研究院副教授(上海 200062);裴祎穎，華東師範大學教育高等研究院博士研究生(上海 200062);商煜焓，華東師範大學教育高等研究院碩士研究生(上海 200062)
基金專案：2023年度上海學校德育創新發展專項研究專案“大中小日常思想政治教育一體化研究”(編號：2023-dycx-104);2024年度上海市教育系統關心下一代工作立項課題“高等師範院校關工委以教育家精神引領學生卓越成長的實踐及路徑研究”(編號：2024GGW062)
STEM教育包含科學、技術、工程和數學，其源頭可追溯至1986年美國國家科學委員會的《本科的科學、數學和工程教育》報告。2001年，美國國家科學基金會正式提出STEM概念，並將其定義為：學生可以在情境設定的學習環境中解決真實問題。2007年，美國相繼出臺一系列與STEM相關的法案、研究報告和行動綱領，將STEM教育推至全新高度;2009年，“競爭卓越”這一全國性教育計畫被提出，由政府撥款資助STEM教育;2015年頒佈《STEM教育法(2015年)》，正式將電腦科學學科納入 STEM 教育;2016年，《STEM 2026：STEM教育創新願景》報告就如何改進STEM的教學與學習作專門探討。從2016年起，“STEM”“STEM+教育”等概念開始出現在我國國家和教育行政部門的政策檔中，成為各地開展科學教育、跨學科教育的重要依據。本研究選取6個高校博物館的STEM教育典型案例，探索高校博物館在STEM教育中的實踐。
一、高校博物館的教育功能
(一)大學專業教育
高校博物館從早期的大學標本室、陳列室等發展而來，主題聚焦於解剖學、生物學和礦物學主題，承載著教育、研究、收藏等功能。借助高校自身的科研與學科優勢，高校博物館承擔著專業教育教學任務，開設課程並提供學生實踐場所，高校與博物館在專業上協同發展，為學生提供沉浸式、可視化的學習環境，激發學生內在的學習動力。河南工業大學中國糧食博物館在學校教學科研活動中具有重要地位：教師在博物館開展科研專案，解決研究糧食文化在保存、傳承、弘揚過程中遇到的問題;學生通過博物館瞭解糧食文化，並將作業實踐帶到博物館，把博物館作為實踐教學基地，讓學習和成長與糧食文化相伴而生。耶魯大學皮博迪博物館也為學校的學生、教職工和校友提供教學研究資源和專業發展指導，旨在將博物館的資源整合到教師教學和學生研究中，博物館每學年面向20個專業的1500名學生開設約70門課程，為包括植物學、昆蟲學、礦物學和隕石學、古生物學、動物學等專業的師生提供第一手接觸館藏實物和圖像的機會。
(二)社會與情感能力教育
繼經濟合作與發展組織(OECD)於2017年啟動社會與情感能力研究(Study on Social and Emotional Skills, SSES)以來，社會情感能力對學生發展起到的關鍵作用越發受到教育界的關注。博物館可以成為支持學生發展社會與情感能力的場所，原因在於其藏品能夠展示跨越時空的人們的思想與經驗，為學生提供諸多寶貴機會，如探索身份認同、嘗試相互理解和相互學習、建立同理心、練習傾聽技巧等。[1]西安交大西遷博物館開展“西遷精神口述史”專項實踐，撰寫形成《西遷往事》書稿;成立西安交大“西遷精神學生宣講團”，開展百餘場次西遷精神專題宣講;推出《紅心向黨——西遷館裏的紅色印記》微視頻，以及原創話劇《向西而歌》、原創音樂劇《西遷，西遷》等文藝作品，引導青年學子在文藝作品中感悟西遷精神。阿莫斯特學院的米德藝術博物館明確將社會與情感學習列入教育規劃中，博物館與K-12學校合作開展以園藝和植物記憶為主題的教育活動，通過探索植物與土地和藝術的關係並嘗試口述與植物相關的故事，在瞭解植物知識和欣賞植物藝術的同時，引導學生結合科學、文化與歷史，從情感角度思考包括食物傳統、祖先知識、食譜、人們隨身攜帶的植物和種子等主題。
(三)社會公眾教育
2022年，國際博物館協會通過了博物館的新定義，強調“向公眾開放，具有可及性和包容性”“在社區的參與下，為教育、欣賞、深思和知識共用提供多種體驗”。這一定義愈發突出博物館在公眾教育中的重要性，也促使高校博物館與高校的二方關係，逐漸向高校博物館、高校與公眾的三方關聯轉變。邁阿密大學洛爾藝術博物館的使命之一就是“支持、延伸和豐富邁阿密大學教職工與學生及所在地區的居民和遊客對藝術品及其歷史的更全面的欣賞和理解”[2]。陸家嘴東昌新村裏的“星夢停車棚”於2023年列入上海首批“美術新空間”。該空間自2020年起，在上海大學博物館的支持下陸續推出三星堆展、龍門石窟展，並邀請老年居民共同參與管理。藝術志願者從最初的5人發展至如今的18人，真正通過“藝術進社區”活動將自己的社區變成藝術社區。
二、高校博物館STEM教育實踐
(一)助力五育融合的學習資源包：上海交通大學錢學森圖書館
上海交通大學錢學森圖書館於2011年12月11日錢學森誕辰百年之際在上海交通大學徐匯校區建成開館。該館以我國著名科學家錢學森先生在科學領域的成就為主線，多維度地展現了他在科學、藝術、愛國情懷、求學生涯等方面的追求。錢學森圖書館推出《加速，起飛了》的學習資源包，以錢學森的學習經歷和在航空領域的重要成就為線索，帶領讀者瞭解航空工業發展的歷程，從德智體美勞五個方面助力科學教育。在與德育融合方面，為學生設計各種“道德兩難”問題以調動學生的情感，培養人文關懷。例如，在向學生提出“在滑翔機的研製歷程中，有人成功，有人失敗，還有科學家為此付出生命的代價”。這樣一個事實陳述後，提問他們真實情境中的真實兩難問題：“在科學研究的過程中，你認為是過程重要，還是結果重要?”答案並沒有絕對對錯，旨在讓學生對所持觀點進行邏輯論證，向讀者傳遞愛國主義精神、科學精神和創新精神等德育元素。在與智育融合方面，介紹各種飛機和飛行器的設計原理和製造技術，引導學生探索新領域的知識。在與體育融合方面，涉及飛行員需要具備的身體素質和技能，以及各種飛行器的運動特點和比賽規則等，積極引導學生進行體育鍛煉和運動訓練。在與美育融合方面，讓學生為“參加航空展的成員設計主題T恤”，並且給出帶有評價指標的驅動任務——“設計要體現出航空的科技範和未來感”。在與勞育融合方面，通過動手實驗和數字化資源等方式，引導學生反思與實踐。[3]
《義務教育課程方案(2022年版)》[4]宣導在“五育”融合背景下以大單元、大概念、主題專案等方式編排課程內容，以此推動學科和跨學科實踐。以往的科學教育，容易忽視其他四育潛在的教學資源捕捉與融合，錢學森圖書館的學習資源為學校教師在新課標下開展科學教育實踐提供了範本，也為家庭教育提供了高質量的學習指南。
(二)因地制宜的館內外聯動教育：新加坡國立大學李光前自然歷史博物館
新加坡國立大學李光前自然歷史博物館的前身是建於1889年的萊佛士博物館，也是新加坡第一座自然歷史博物館，收藏品達56.65萬件，日常展出2000件左右的動植物標本，其中很多標本可以通過觸摸來進一步感知。新加坡是世界上為數不多擁有熱帶雨林的城市之一，因此該館因地制宜地利用城市的地理環境資源開展教育活動設計，“自然漫步”專案是其較受歡迎的教育活動之一，涵蓋了雙溪布洛濕地保護區、麥克裏奇雨林和烏賓島三個自然區域，分別對應“濕地生態體驗”“雨林探險”“海島探索”三個模組。在“濕地生態體驗”模組，學生可走入雙溪布洛濕地保護區探索神秘的紅樹林，有機會看到周圍的螃蟹、岸鳥，甚至鱷魚和水獺，以此瞭解濕地的生態系統和生態價值，並提升保護濕地的意識。在“雨林探險”模組，學生能觀察到各種熱帶植物、鳥類和昆蟲，通過博物館設計的互動環節，如製作雨林指南針、尋找雨林寶藏等，培養學生的觀察力和雨林生存能力。在“海島探索”模組，作為古老原始的海島，烏賓島仍保留著新加坡20世紀70年代的模樣。在3小時的島上徒步活動中，學生可以通過自己靈敏的嗅覺系統，見識到各種果樹、草藥和香料，還能在漫步過程中看到海島上的各種動物進而瞭解海島作為獨特的海洋生態系統中的一環，獨屬於自己的氣味和生物。[5]
新加坡國立大學李光前自然歷史博物館基於自身專業屬性，積極拓展戶外教育模組，其在STEM教育過程中對學生的認知、行為和情感均產生了積極影響。
(三)聚焦資訊技術發展的創新教育：清華大學科學博物館
清華大學科學博物館自2018年開始籌辦，收藏大量海內外不同時期的科學儀器與設備，展現了清華大學理工學科的發展、中國技術史的發展，以及西方工業革命和電腦科技的發展歷史。2020年，清華大學科學博物館以計算器具為主題，舉辦了“神機妙算——計算器具歷史展”。該展覽展出80件從古代到現代的計算工具與設備，並與“耳朵裏的博物館”合作，開展了主題為“講給青少年的計算器科學故事”“未來科學家——青少年觀展活動”等線上線下相結合的教育活動。活動向學生介紹了不同計算器具的發展歷史和具體計算方式，從古代算表、富勒計算尺，到計算器和電腦。例如，通過觀察古代“清華簡”算表21支竹簡上按規律書寫的數字及竹簡上端的圓孔，探索如何在算表上使用棉線完成兩位數的乘法運算，以及除法、分數和開平方的運算。又如，學生通過活動探索近代機械齒輪計算器如何從機電式電腦過渡到現代電子電腦。導覽結束後，鼓勵學生頭腦風暴，設計出自己心中的未來電腦，並向同學分享設計理念和設計中所用到的科學技術。[6]
自2015年起，電腦科學學科正式被納入STEM教育的範疇。教育部印發的《義務教育資訊科技課程標準(2022版)》[7]強調，資訊科技課程應培養學生的資訊意識、計算思維、數位化學習與創新，以及資訊社會責任。清華大學科學博物館通過介紹計算器具的使用方式，鼓勵學生探索多樣靈活的計算方式，將基礎計算與電子資訊技術的發展相聯系，幫助學生建立全面的有關資訊技術與社會發展的知識素養。在創想未來電腦的環節中，博物館為學生創造了分享交流的平臺，豐富了學生的創新思維與視角。同時，通過引導學生將目光投向未來，幫助學生進一步理解和暢想資訊技術與社會發展的關係。
(四)面向真實問題解決的專案化學習：慕尼克工業大學建築博物館
德國慕尼克工業大學建築博物館始建於1868年。成立之初，該博物館主要作為教學收藏館，收藏了慕尼克工業大學前身——當時的新理工學院學生的建築作品。目前，其館藏中不乏名家大師的圖紙、攝影作品和模型等，包括16世紀的建築圖紙，17世紀的建築模型，以及18世紀至21世紀的建築藝術。隨著博物館通過大量展覽和發表成果受到越來越多的國際關注，博物館於2002年在慕尼克現代藝術陳列館中設立了自己的展廳，定期舉辦建築工程與設計相關的展覽，並開展豐富多彩的教育活動。在2021年11月4日至2022年2月6日舉辦的“誰是下一個?無家可歸、建築與城市”展中，博物館探討了全球日益加劇的“無家可歸問題”，展示了歷史上和當代社會的建築作品如何收容無家可歸者並將他們重新整合到社會中，展出了大量基於不同視角的真實情境下無家可歸者居所的現實案例。結合展覽，博物館設計了面向學生的建築工作坊“Baubox小憩”，提出問題：“當你沒有一個可以睡覺、吃飯、與家人共住的固定居所時，你需要在室外睡覺，而每一個人都能看到你，這將是怎樣的體驗?”工作坊旨在讓學生在實踐中觀察、設計和思考幾何學、靜力學、連接、組合與空間意識在建築工程中起的重要作用，並鼓勵以富有創造力的方式參與建築設計。工作坊還提供了建築指導手冊和材料工具箱，學生可以使用工具箱中的木棍、紙吸管、紙板箱、紙片、皮筋、帶絨毛的鐵絲扭棒，甚至羽毛和樹葉等多種材料道具，參照指導手冊，嘗試親自設計並動手搭建他們心中無家可歸者小憩的居所。[8]
2023年，上海市教委印發《關於實施專案化學習推動義務教育育人方式改革的指導意見》[9]，逐步向全市學校推廣以創造性問題解決能力為導向，以專案化學習的實踐和研究為著力點，以活動專案、學科專案、跨學科專案為載體的全新教學方式變革。慕尼克工業大學建築博物館的“Baubox”系列工作坊重視學生的體驗以及對問題的發現、理解與解決。學生通過使用博物館提供的材料搭建建築，在動手嘗試的過程中習得並掌握建築工程的基礎知識，符合專案化學習要求學生通過研究並解決真實世界中發生的問題，從而理解關鍵知識並掌握關鍵能力的理念。
(五)服務於館校合作的工具箱：內華達大學W.M. 凱克地球科學與礦物工程博物館
內華達大學雷諾校區的博物館群由12所多樣的博物館、美術館和藝術文化機構組成，致力於促進和發展北內華達州的文化教育，W.M. 凱克(W.M. Keck)地球科學與礦物工程博物館成立於1908年，地處美國西部，享有得天獨厚的地理優勢，館藏大量礦物、礦石、化石樣本及與採礦相關的文物。博物館為K-12教育階段的學校教師免費提供三款可在教室使用的“旅行礦物工具箱”：第一款以探索礦物的物理性質為主要教學目標，工具箱內有大體積、結構良好的礦物樣本，便於學生探索礦物的基本物理性質，如顏色、條紋、光澤、晶體形態、硬度、晶體解理、磁性和密度等，同時還有小型礦物樣品供學生進行試驗;第二款工具箱為學生提供了14種內華達州常見的礦物樣品，以及對應的物理性質和開採地點的描述，並展示了日常生活物品中所用到的礦物類型，如牙膏中用到的氟石;第三款工具箱以螢光礦物為主題，工具箱內包括礦物樣品和一臺由博物館館員製作的UV燈箱，學生能夠在教室中安全地觀察礦石和礦物樣品，並探索螢光礦物的特殊性質。[10]
2020年國際技術與工程教育家協會(ITEEA)發佈的《技術與工程素養標準：STEM教育中技術與工程的作用》強調了不同技術與工程語境下的實踐與核心學科標準，其中包括在物質材料的轉化與處理語境下，通過系統思考與動手製作，學會觀察描述不同物質材料的特性，以及理解這些特性如何使物質材料被應用於實際情境中。W.M. 凱克地球科學與礦物工程博物館的“旅行礦物工具箱”專案通過為學生提供礦物樣品，教授學生學習礦物分析觀察、理解礦物性質及應用，為以礦物加工應用為主要學習內容的礦物工程教育提供了學科基礎。將博物館館藏應用於STEM教育中，進一步加強了高校博物館與中小學之間的聯繫。
(六)從科學史出發的跨學科學習：牛津大學科學史博物館
擁有百年歷史的牛津大學科學史博物館建在世界上第一家高校博物館——牛津大學阿什莫林博物館藝術與考古博物館的原址上。牛津大學科學史博物館兼具雙重使命，既面向科學史的研究，也面向西方文化與收藏發展的研究。該博物館收藏了兩萬餘件作品，涵蓋了人類歷史不同年代的科學發明、設備和儀器，尤其是天文學儀器，如星盤、日晷、象限儀的收藏，以及早期的數學工具、光學儀器等。[11]該館致力於在跨學科視角中，為不同學段的學生提供不同主題的學習活動。以“現實世界中的數學——計算”這一課程為例，它將數學和歷史學科融合，主要面向對數學學習缺乏自信的學生，鼓勵學生在動手操作古代數學計算器具的過程中感受數學的魅力，包括使用算盤、納皮爾的骨頭(又稱“納皮爾的骨棒”，是一種用來計算乘法與除法，類似算盤的工具)，以及20世紀50年代的“閃電”加法器等，以此強化諸如位值、加法、減法和乘法等有關數字和計算的概念掌握。[12]
單純的數學運算法則和大量的數字訓練會讓學生枯燥乏味，嘗試使用百年前的計算工具(實物)，大家可以在“做”中體會數學計算誕生的基本原理，同時置身歷史的長河，感悟先人的偉大發明，在觀察與實物操作中自然產生對歷史的敬畏感，讓歷史成為教學推進的堅實背景，繼而厘清知識的邏輯脈絡。打破學科間的歷史壁壘，也有利於自然科學和人文科學建立關聯，讓學生在跨學科視角下形成解決問題的能力，並激發學生對數學學科的興趣。
三、未來展望
(一)拓展教育主題
作為“中國STEM教育2029創新行動計畫”的重要組成部分，中國STEM教育研究中心發佈《中國STEM教育調研報告》。該報告表明，STEM教育能培養學生的創新精神、實踐能力及綜合運用知識的水準。為契合創新人才的需求，高校博物館的STEM教育主題與內容供給方面，更需要與時俱進，可與高校自身的研究前沿相結合，諸如人工智慧、生物醫學、“雙碳”等領域，使教育對象能夠更好地應對未來的挑戰。高校博物館還可以與企業的展示館進行聯動。例如，科大訊飛上海人工智慧體驗館通過“AI+聽見”、智能家居、科大訊飛多語種工具、訊飛開放平臺等展示科大訊飛在“AI+教育”“AI+醫療”“AI+工業”“AI+智慧城市”等領域的研發成果。華東師範大學心理學科普館能夠依託該校心理學學科的研究成果，與科大訊飛上海人工智慧體驗館以“AI+心理健康”為主題聯合策展，搭配教育活動的設計，實現校企合作育人。
(二)豐富教育形式
以上六個案例中，教育形式多元，包括“動手做”“戶外教育”“做中學”“專案化學習”“工作坊”“跨學科教育”等多種形式。錢學森圖書館、新加坡國立大學李光前自然歷史博物館、牛津大學科學史博物館的網站中都有專門的教育模組，介紹教育活動的策劃、教學大綱等，為學校教育、家庭教育、社會教育提供了豐富的資源。就STEM教育而言，未來可根據對象的年齡，開展有針對性的多形式育人活動：對於學前兒童，博物館可與園本課程結合，通過觀察、探索和實驗等活動培養他們的興趣，內容包括基本概念、基本原理和常見應用等;對於小學生，博物館可與課後服務結合，通過開展簡單的科學實驗，引導學生進行推理與實驗設計，並引入簡單的電腦編程概念;對於中學生，博物館可與綜合實踐活動、高中生綜合素質評價聯動，鼓勵學生進行團隊合作，跨學科解決實際問題，高年級可以嘗試較為複雜的實驗設計、數據分析和創新應用;對於大學生及以上人群，博物館可設立課題，鼓勵師生共同探究複雜問題的解決方案，並與社區聯動，以科普推廣、創業活動等形式進行深度推進。
(三)充實教育師資
為確保STEM教育的品質，需傾力於打造一支跨學科的優質師資隊伍，以保障課程的有效實施。高校博物館依託科研、教學、社會服務和產學研等資源，能吸引一批業內專家。這些專家視野廣博，能夠從多個維度圍繞STEM教育的主題，為學習對象提供更立體的教育內容。在清華大學科學博物館的案例中，活動先由清華大學科學史系博士後兼策展人司宏偉為學生進行“神機妙算——計算器具歷史展”的概要講解，之後是博物館志願者作深度導覽，“耳朵裏的博物館”志願者笪顥天作補充講解。這支由高校科研人員、博物館志願者和第三方機構志願者共同組成的師資隊伍，豐富了教育活動的內涵。未來，高校博物館可依據主題，構成相應的師資庫，並為這些教師提供培訓，為其專業發展提供提升空間;同時，還需具備制度保障，以確保師資隊伍的穩定性和職業歸屬感。例如，在公費師範生、“優師計畫”等教師培養中，提高科學類課程教師培養比例，並為其配備STEM教育的教學法課程、博物館實踐等內容。
(四)平衡教育發展
2019年，教育部辦公廳印發的《關於加強高校博物館管理工作的意見》強調“高校博物館要始終堅持服務教學科研與社會公眾並重的原則，使高校博物館真正走出高校，為社會大眾服務”[13]。2023年，教育部等18個部門發佈的《關於加強新時代中小學科學教育工作的意見》要求“為薄弱地區、薄弱學校援建科學教育場所，提供設備、器材、圖書、軟體等，培訓專業講解人員”“探索利用人工智慧、虛擬現實等技術手段彌補薄弱地區、薄弱學校及特殊兒童群體擁有優質教育教學資源不足的狀況”[14]。高校博物館可通過所在高校的對口支援省份或學校，以“流動展覽”“STEM教育資源包”“雲端課堂”“AI學習機器人”等形式，對薄弱地區、學校及學生進行教育輻射。此外，高校博物館之間也可依託全國高校博物館育人聯盟，發揮各自的館藏和學科特色，合作開展STEM教育扶持工作。