非正式学习环境中的STEM教育： 美国博物馆学习服务案例研究

摘   要：非正式学习环境为STEM教育提供了独特的机会和资源。作为非正式学习环境的典型代表，美国博物馆以知识共享为使命，通过策划丰富多样的教育活动，为各年龄段学生提供有针对性的STEM教育资源。研究聚焦于美国国家自然历史博物馆、旧金山探索博物馆和西雅图飞行博物馆在STEM教育领域的实践探索，归纳总结了美国博物馆在提供STEM学习资源，与学校STEM教育有效衔接，支持STEM教师专业发展，吸引家庭参与STEM教育，促进STEM教育公平等方面的经验，这些经验为我国发展非正式学习环境中的STEM教育，丰富STEM教育资源提供了良好的借鉴。

关键词：非正式学习环境；STEM教育；博物馆；学习服务

中图分类号：G269.3/.7         文献标志码：A         DOI：10.3969/j.issn.1672-3937.2024.06.06

在现代社会，学习的方式已不再局限于传统的课堂教学，非正式学习环境逐渐崭露头角，成为人们获取知识和技能的重要渠道。非正式学习是学习者在非正式场所和情境中获取知识和经验的过程。这些场所可以是图书馆、博物馆、科技馆等具备教育功能的实体场馆，也可以是社交媒体平台、在线论坛等虚拟的学习空间。非正式学习环境以其开放、自主、互动和实践等特点，激发学习者的学习兴趣和积极参与，对于培养其终身学习能力至关重要。值得注意的是，科学、技术、工程和数学（STEM）教育同样可以通过有计划的项目在非正式学习环境中得到有效实施。学生可以在博物馆、天文馆、科学中心、动物园、植物园和植物标本馆、营地、国家公园、水族馆和工业场所等多样化的环境中学习STEM领域的相关主题，通过参与展览互动、观看电影和与策展人交谈，深入且广泛地了解具体内容。这样的非正式学习环境不仅有利于激发学生学习STEM的兴趣，还能提高他们的实践参与度，形成独特且难忘的学习经历。

近年来，非正式学习环境的范围日益扩展，覆盖了街道、医院、购物中心、各类市场等多元化的场所，这一趋势使得非正式学习环境成为学习科学领域重要的研究主题之一。米勒（Miller）等学者通过对博物馆和以创客为中心的学习空间等的深入研究，指出这些环境为人们提供了接触高科技工具和材料的宝贵机会。[1]参与非正式学习环境的科学活动，不仅有助于培养儿童的科学推理能力，还能显著增强他们对科学学习的投入和热情。[2]特别是在博物馆、动物园、水族馆和植物园等场所进行的非正式STEM学习，其效果尤为显著。[3]

随着教育技术的不断进步，对于非正式学习环境的研究日益受到国内学界重视。数字化技术的快速发展，尤其是虚拟现实和增强现实技术的创新应用，为非正式学习环境的构建提供强大的技术支持，为学习者提供前所未有的学习机会。在此背景下，李志河等提出一种创新的非正式学习环境模型，该模型巧妙地将真实场景和虚拟环境相结合，通过先进的技术手段，打造出一个既具现实感又充满想象力的学习空间。这种虚实结合的学习环境创造出更加丰富和多样化的学习方式，给学习者提供更好的学习体验。[4]王艳丽等引入“数字布鲁姆”理论，为网络非正式学习环境的构建提供借鉴。[5]胡继强则聚焦Web2.0时代的非正式学习环境，提出了一种基于网络和社交媒体的非正式学习模式。[6]然而，非正式学习环境的构建不仅面临技术和设计的挑战，还需要深入研究学习者的需求和行为。黄建军等认为，非正式学习环境的构建应该结合学习者的特点和需求，为他们提供个性化、多元化的学习方式和资源。[7]

综上所述，非正式学习环境在现代教育中占据举足轻重的地位，对学习者的学习体验和学习效果会产生深远影响。然而，在我国，非正式学习环境在支持STEM教育方面仍面临诸多挑战，如何开发和丰富其中的STEM学习资源，以及如何真正利用好非正式学习环境在STEM教育中的支持作用等问题都亟待解决。因此，本文旨在对美国博物馆学习服务案例进行深入研究，以期得出相关启示，推动非正式学习环境更好地支持STEM教育改善与发展。

一、非正式学习环境在美国STEM教育中发挥重要作用

美国国家科学教学协会（NSTA）认为，非正式环境在促进全学段学生的科学学习方面发挥着重要作用。该协会倡导为所有学生提供非正式学习机会，并建议进一步扩大这些机会，特别是对于那些来自STEM领域代表性不足的社区的学生，应当给与他们更多的关注。[8]美国国家研究委员会（National Research Council，NRC）的报告强调了非正式学习环境对于学习科学的重要作用。该报告不仅提供了明确的证据证明非正式学习环境中的学习经验可以有效促进科学学习，还进一步指出这种环境能够加强和丰富学校的科学教育。[9]非正式学习环境主要涵盖三个方面：首先，日常体验和在设计环境中的体验，如博物馆、动物园等科学和文化机构；其次，参与结构化的校外实践项目，如课后青少年项目、俱乐部等；最后，通过媒体获得的体验，如游戏、电视、广播和互联网等。这些多样化的机会有助于学生理解科学与生活的紧密联系。鉴于非正式STEM教育在培养学生创新能力、批判性思维、解决问题能力以及未来职业竞争力方面的重要性作用，美国政府、教育机构和社会各界都在积极推动其发展。

一是美国政府部门积极支持非正式STEM教育项目的发展。政府通过拨款和项目资助，为非正式STEM教育提供了强有力的支持。美国国家科学基金会（NSF）在此领域发挥了关键作用，其STEM教育理事会（Directorate for STEM Education）下设正式与非正式环境学习研究部门（Division of Research on Learning in Formal and Informal Settings），旨在推动正式和非正式学习环境中对所有STEM学科的学习和教学的创新研究、开发和评估。[10]为了支持在非正式教育环境中为公众提供STEM学习机会和经验的设计、开发和影响的研究，NSF资助了多个重要项目，如促进非正式STEM学习项目。该项目不仅致力于设计和开发非正式环境中的公众STEM学习机会，还通过多种途径促进STEM学习经验的获取和参与；推进非正式环境中STEM学习的创新研究和评估；使所有年龄段的公众都能够在非正式环境中学习STEM。[11]

二是美国的中小学和非政府组织致力于开发适合非正式STEM教育的教材和教学资源，包括在线课程、互动游戏、实验器材等。这些资源旨在激发学生对STEM领域的兴趣，并提供实践机会以加深他们的理解。美国有专门的非正式STEM教育资源平台，为教师、学生和其他对STEM领域感兴趣的人提供了丰富的学习资源和机会，如国家非正式STEM教育网络（National Informal STEM Education Network，NISE Network）。这是一个由非正式教育工作者和科学家组成的社区，致力于支持美国各地学习STEM。NISE网络的使命是建设非正式科学教育机构和研究组织的能力，共同努力提高公众对当前STEM的认识、理解和参与。目前，NISE网络开发了广泛的教育产品，旨在应用于各种环境，受众范围广泛，专注于美国博物馆、科学中心和学院、大学外展项目的非正式STEM教育。[12]

三是一些非营利机构，如科学技术中心协会（ASTC），在非正式STEM教育的研究与实践方面发挥着重要作用。ASTC致力于推动科学中心和相关机构的创新与发展。通过提供资源、分享最佳实践、促进专业发展和倡导相关政策等方式，支持STEM教育质量和影响力的提高。[13]受到NSF和ASTC联合资助的美国非正式科学教育促进中心（Center for Advancement of Informal Science Education，CAISE），为教育工作者、研究人员、评估人员和其他利益相关者提供了丰富的资源，包括项目描述、研究文献、评估报告等，以推进非正式STEM教育的发展，这些资源都可在InformalScience.org网站上找到。[14]此外，CAISE还积极组织调查小组、工作坊和专家讨论，推动非正式STEM教育的深入讨论，确定相关需求和机会。[15]

四是部分美国大学设有非正式STEM学习研究机构和相关项目，这些机构和项目旨在为学生提供更多的STEM学习机会，促进跨学科合作并推动STEM领域的研究和创新。以美国亚利桑那州立大学的非正式STEM学习创新中心为例，该中心专注于研究人们一生中学习STEM的方式。为实现这一目标，该中心与全国各地的博物馆、图书馆和其他非正式学习组织建立合作关系，力求为所有人创造STEM学习机会。[16]

二、美国博物馆

提供STEM学习服务的实践

目前，发达国家的博物馆学习服务在组织上较为成熟。以美国为例，其各类博物馆致力于提供丰富的、有针对性的STEM教育活动，以满足各年龄段学生的需求。此外，许多博物馆不仅提供实地教育，还推出了在线学习课程和教育项目，进一步丰富了教育形式和内容。美国博物馆联盟（American Alliance of Museums，AAM）作为博物馆领域的权威组织，由约3.5万个博物馆（包括艺术馆、历史博物馆、科学中心、动物园等类型）和专业人员组成，旨在通过以人为本的协作体验、教育，以及与历史、文化、自然世界和彼此的联系来改善所处的地方和世界。AAM积极倡导发挥博物馆的价值和改变世界的力量，认为博物馆是教育和体验式学习的重要合作伙伴。根据AAM网站的统计数据，美国博物馆每年在教育活动上的投入超过20亿美元，其中3/4的教育预算用于K-12阶段学生。[17]

博物馆不仅是文化和历史的守护者，还是教育的重要阵地。它们协助开设州和地方课程，涵盖数学、科学、艺术、识字、语言艺术、历史、公民和政府、经济学与金融知识、地理与社会研究等多个领域。[18]97%的美国人认为博物馆是他们社区不可或缺的教育资产。[19]以美国国家自然历史博物馆、旧金山探索博物馆（Exploratorium）和西雅图飞行博物馆为例，这些机构通过提供丰富的STEM教育服务，积极支持美国STEM教育发展。

（一）提供丰富的STEM学习资源

美国博物馆提供内容丰富、形式多样的STEM教育资源，以支持STEM学习。博物馆通过设计互动展览和体验活动，以直观而有趣的方式向学生传达STEM概念。这些展览通常涵盖自然科学、地球科学、物理学等各个领域，允许学生亲自动手进行实验、观察和探索。此外，一些博物馆设有专门的物理实验室或工程领域挑战区，学生可以在这里进行力学实验、搭建结构或解决现实工程问题。为了扩大STEM教育的可及性，博物馆还利用技术手段提供虚拟和在线学习资源，创建了在线教育平台、虚拟实验室和模拟实验等，使学生能够随时随地学习和探索STEM领域。

国家自然历史博物馆的学校项目提供 K-12阶段的面对面课程，教学资源丰富，涵盖人类学、地球科学、工程与技术、生命科学、古生物学、自然科学等多个学科领域。在工程与技术方面，博物馆提供了包括文章、课程、活动和工作表等丰富的教学资源。例如，博物馆教育工作者撰写了针对六至八年级的科学素养类文章——《数字化自然——从田野书籍到化石》《从DNA到基因组学》等。又如，蝴蝶馆主管埃里克·温泽尔（Eric Wenzel）和显微镜教育家胡安·巴勃罗·乌尔塔多·帕迪拉（Juan Pablo Hurtado Padilla）通过网络直播等形式展示了蝴蝶色彩缤纷的翅膀以及蝴蝶的适应性和仿生学特性，就蝴蝶翅膀独特的颜色呈现方式探讨了其在工程方面的应用。[20]

西雅图飞行博物馆为K-12教育工作者和学生提供独特的STEM学习资源，主要包括个人学习资源，如航空航天营体验、阿米莉亚航空俱乐部、迈克尔·安德森计划、航空探索、私立飞行员地面学校、华盛顿航空航天学者项目等；学校和团体学习资源，如航空学习中心、挑战者学习中心、博物馆探索项目等。这些项目以航空、太空和机器人技术为主题，提供身临其境、用户驱动的体验——将工程挑战与动手科学调查相结合，以实现学习方法的创新，培养学生的理解力、兴趣和好奇心，同时为教师提供职前培训的机会。其中，华盛顿航空航天学者项目是专门为对探索太空感兴趣的高三学生设计的在线远程学习和暑期体验课程，该项目聚焦于美国宇航局的太空探索计划和地球与空间科学主题。成功完成在线课程的学生将有机会参加为期数天的暑期体验，并可能获得与STEM专业人士、美国航空航天局（NASA）科学家、STEM教育工作者合作研究和实践的机会。[21]