基于探究式學習的科學教育活動模式構建與實踐——以中國科學院科學節“創工坊”為例

中國科學院科學節自2018年創辦以來，參與機構、參與人數、社會關注度等屢創新高，已成為具有“現象級”熱度的公眾科普活動。本期專題從中國科學院科學節的創設過程談起，對其中的熱點活動板塊、科學教育資源適配，以及科研機構的角色定位等進行詳細解說，以期為國內眾多科研機構履行科學普及責任，提供可借鑒的實踐樣本。

文_席韻然　畢宏宇　王閏強

（中國科學院計算機網絡信息中心）

摘要：本文以中國科學院科學節“創工坊”為案例，研究提煉出以真實問題為起點、動手實踐為中心、科研人員引導為支撐的科學教育活動模式。該模式突破單向灌輸，通過多元探究路徑激發青少年興趣，并從認知、能力、情感三方面系統培養青少年探究能力，為銜接高端科研資源與基礎教育提供了有效范式，對推動科學教育高質量發展具有重要參考價值。

關鍵詞：探究式學習　科學教育　科學節　實踐模式

中國科學院科學節自2018年起每年舉辦，不僅是科學文化融合的高品質科普活動，更是面向社會公眾特別是青少年群體的重要科學教育平臺。其標志性板塊“創工坊”與傳統的展覽展示、科普講座等形式不同，具有鮮明的探究式學習特征。探究式學習理論視探究為科學本質與學習路徑的統一，強調通過“提出問題—調查證據—形成解釋—交流評估”的認知循環構建知識。本文通過對創工坊多個典型案例的系統分析，提煉出真實問題為起點、動手實踐為中心、科研人員引導為支撐的探究式學習科學教育活動實踐模式。

以真實問題為起點：從真實科研情境出發

問題是探究的邏輯起點。創工坊的一個顯著特點是問題來源的真實性和轉化設計的適切性，實現了科研問題向科學教育的有效轉化。

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問題來源的真實性：根植于科研一線

科學節創工坊活動的探究主題并非憑空臆造或從教材照搬，而是深深根植于各研究所的真實科研工作。這種真實性體現在兩個方面。

一是問題的科學真實性創工坊活動所涉及的科學原理、技術方法、研究對象都來自科研人員的日常研究工作，是科學共同體認可的真實科學知識。例如，自動化研究所腦控機器人競速體驗活動，其探究主題源自該所在腦機接口與神經工程領域的前沿研究成果。活動中使用的腦電采集設備、信號處理算法等，均基于研究所在腦機交互、神經信息解碼等方向的真實科研技術。

青少年體驗腦控機器人競速活動

二是問題的情境真實性活動不僅傳遞科學知識，更展現科學研究的真實情境。在活動中，科研人員會介紹相關研究可解決的實際問題、遇到的挑戰及進展等。例如，過程工程研究所的“神奇的海綿寶寶”活動，其探究主題源于材料表界面改性這一前沿科研領域，在引導兒童觀察海綿“只吸油不吸水”現象的同時，科研人員會揭示其背后的仿生學原理，并指出其在解決海上溢油、工業廢水處理等現實問題中的應用潛力，從而讓參與者感受到科學并非抽象概念，而是源于現實、用于現實的生動探索。

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問題設計的適切性：針對不同的受眾進行轉化

創工坊注重將復雜抽象的真實科研問題轉化為適合青少年理解、探究的活動主題，主要體現在以下方面。

首先，從參與者的認知水平和心理特點出發進行問題轉化創工坊參與者以6～15歲青少年為主，這一群體處于皮亞杰認知發展理論中的具體運算階段到形式運算階段，思維特點是從具象到抽象、從感性到理性的過渡，對直觀的、可操作的、有趣的事物更感興趣。因此，活動普遍采用可視化、可觸摸、可操作的設計策略。例如，流態化技術的核心概念是固體顆粒在氣流作用下呈現流體特性，這對兒童來說相當抽象。過程工程研究所的“小黃鴨戲球”活動通過巧妙的設計將小黃鴨埋在固體顆粒中，當氣流打開時，固體顆粒流動起來，小黃鴨緩緩浮起，把抽象的流化現象轉化為兒童熟悉的鴨子在水中漂浮的生活經驗。這種設計降低了理解難度，并幫助孩子們在已有認知基礎上建構新知識。

其次，對問題進行層次化設計針對不同年齡段的參與者，同一活動可以設計不同深度的問題。年齡較小的兒童可以聚焦于觀察現象，年齡較大的學生可以深入到解釋原理的層次，更高層次的探究可以涉及設計改進。這種彈性設計照顧了混齡參與者的不同需求。

第三，對問題進行生活化表達創工坊活動善于用生活化的語言包裝科學問題。例如“干凈的水從哪里來”活動，其問題直接采用兒童熟悉的日常疑問句式，通過對比水龍頭里的清水與江河里的渾水，巧妙關聯生活經驗，從而自然引發共鳴與探究興趣。

通過真實性與適切性的平衡，創工坊活動實現了科學研究與科學教育活動的適配，為探究式學習奠定了堅實基礎。

以動手實踐為中心：多元化的學習類型

實踐是探究的核心環節。科學節創工坊提供了豐富多元的實踐活動類型，從內容和結構兩個維度構建了立體化的探究學習體系。

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探究式學習內容的3種類型：滿足不同的認知需求

按照探究內容的性質和目標，創工坊活動可分為實驗探究型、工程制作型和科技文化浸潤型3大類，在提供科學家、工程師2種角色體驗的同時，可以深度體驗、感悟科技創新文化。

實驗探究型：像科學家一樣思考實驗探究型活動旨在引導參與者完整經歷“提問—假設—實驗—結論”的科學探究過程，以培養科學思維和實驗能力。過程工程研究所的“干凈的水從哪里來”活動是該類型的典型代表。活動首先對現代飲用水處理廠的凈水工藝等原理進行講解，然后為每位小朋友發放一套兒童濾水裝置。在科研人員指導下，小朋友們開始親手搭建包含粗砂、活性炭、石英砂的三級過濾裝置，并觀察濁水經層層過濾后變清澈的過程。該活動不僅讓參與者學習了水處理的基本原理和工藝流程等基本知識，鍛煉了動手與觀察能力，更通過親身體驗感受到科技改變生活的成就感，深刻理解“面對問題—分析原因—提出方案—實驗驗證—得出結論”這一科學思維的核心邏輯。

工程制作型：像工程師一樣創造工程制作型活動旨在引導參與者完整經歷“設計—制作—測試”的工程實踐流程，以培養工程思維與創造力。例如，力學研究所設計的“水火箭”活動，科研人員會先拋出“火箭為什么能飛上天”的問題，引入牛頓第三定律、作用力與反作用力等核心物理概念。隨后展示水火箭的內部結構，并詳細演示發射的全過程。在關鍵的向火箭內注水、打氣加壓等操作環節，科研人員會邀請參與者上臺親手完成。在這一過程中，孩子們不僅能清晰觀察到每一個技術細節，更在打氣加壓的阻力感與火箭升空的氣流聲中獲得了強烈的感官體驗，獲得了工程實踐的樂趣。此外，微電子研究所的“模擬光刻機”活動也是工程制作型的典型代表。活動首先通過光刻機積木模型向參與者展示精密設備的內部構造，將深奧的光學與機械原理轉化為直觀的物理模型。隨后，參與者在科研人員指導下，以覆銅板為“畫布”，親手體驗曝光與刻蝕工藝，將宏觀的搭建邏輯延伸至微觀圖案的生成。這一過程將尖端的芯片制造工藝簡化為宏觀搭建、微觀創造的實踐環節，讓參與者在親手解決制作難題的過程中，深刻領悟從理論設計到產品產出的工程邏輯。

科技文化浸潤型：理解科技與文化的交融科技文化浸潤型活動旨在融合科學實踐、歷史文化與創新文化，引導參與者理解科技與文化的互動，培養其綜合素質與文化認同。這類活動既追溯古代科技成就，也以現代方法詮釋傳統技藝中的科學內涵。典型代表如自然科學史研究所的“小小工匠局”主題活動。活動分為鋼鐵工坊、紡織工坊、印刷工坊、司南工坊4個部分，參與者化身古代工匠學徒，在4大工坊完成進階任務，最終獲得“匠師認證”。在鋼鐵工坊中，參與者需使用低溫錫膏和軟木模具替代真實的高溫打鐵，在迷你鍛臺上將材料捶打成型，制作“漢代鐵斧”掛件。在紡織工坊中，參與者采用卡片織機替代傳統大型織布機完成杯墊編織。在印刷工坊中，參與者需動手排列活字、上墨、印刷，完成一幅作品帶回家。而司南工坊則指導參與者制作一只“指南魚”，體驗古人的智慧。在清晰的科技史框架下，參與者系統理解了古代科技的硬核實力及其文化價值，有效增強了民族自信心和文化認同感。再如，動物研究所的“毛猴制作”活動，將北京非物質文化遺產毛猴（一種用蟬蛻、辛夷等中藥材制作的手工藝品）與現代動物分類學知識相結合。參與者在科研人員指導下制作毛猴并同時探討其生物原型，實現了傳統手工藝與科學認知的跨界對話。這類活動通過做中學與跨學科融合，有效促進了參與者對科技與文化的綜合理解。

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探究結構的2種模式：靈活的學習路徑

除了內容多元化，創工坊在探究結構設計上也呈現出結構式與開放式并存的特點。

結構式探究：明確的流程和預期結果結構式探究是指探究的問題、方法、步驟、結果都有明確設定，參與者在清晰的框架內進行探究活動。前文提到的多個活動，都采用了結構式探究模式，這些活動通常包含以下標準流程：①分組與導入，提出核心問題；②講解相關科學原理與背景，確保參與者理解基本概念；③在指導下按照步驟動手探究，強調做中學，允許試錯和調整，但要有明確的目標和預期結果；④總結成果并回顧知識點。這種結構式探究通過清晰的框架引導探究，確保參與者達成預期學習目標。

開放式探究：情境中的自由探索開放式探究是指探究的問題、方法或結果具有開放性，參與者被給予自主探索的空間，以培養創造力與問題意識。例如，中國科學院空間應用工程與技術中心圍繞太空探索主題，設計了系列活動，參與者可自由選擇體驗順序。比如在“像航天員一樣訓練”活動中體驗航天員的前庭功能訓練內容；在“玩轉空間站”活動中學習空間站的結構和功能，并在規定時間內將名牌貼在相應位置；在“我是太空科學家”活動中觀看航天員在空間站對水稻進行取樣操作的視頻，然后使用科學手套箱親手操作體驗，適應手套的笨拙感，學會使用特殊工具，體會到太空科學實驗的特殊性和挑戰性。此外，中國科學院大學人文學院設計的“開啟智慧之門”活動則是另一種開放式探究，參與者在遵循與門、或門、非門等邏輯規則進行闖關的過程中，在反復嘗試中自主歸納邏輯規律。這種從體驗中發現規律的學習方式，正是開放式探究的魅力所在。

青少年體驗“玩轉空間站”活動

以科研人員引導為支撐：多環節的專業引導

如果說真實問題是探究的起點，動手實踐是探究的核心，那么科研人員引導就是探究成功的保障。

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科研人員的角色定位：從講解員到促進者、示范者和引路人

在創工坊的探究式學習活動中，科研人員的角色發生了根本轉變，從傳統的講解員成為學習過程的促進者、科學研究的示范者和科學精神的引路人。作為促進者，科研人員通過提問與反饋引導參與者主動思考和探索；作為示范者，他們以自身科研經歷和思維方式展現真實的科學探索過程；作為引路人，他們則重在傳遞科學態度和科學精神，通過言傳身教影響參與者的價值觀和人生觀。

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引導策略：前置講解、過程指導與總結提煉

在科學節創工坊活動中，科研人員的引導貫穿探究全過程，在不同環節采用不同策略。

前置講解：激發興趣，建立認知框架在探究開始前，利用短視頻、實物展示或趣味提問，快速建構探究情境，激發好奇心，明確探究目標。

過程指導：適時介入，啟發思考在動手探究環節，科研人員需在放手探索和提供必要指導之間找到平衡。過度干預會剝奪學生的思考機會，完全放任則可能導致探究失敗或流于表面。應采用示范而不包辦、觀察并適時提示、鼓勵嘗試和容錯、引導觀察和記錄等指導策略。

總結提煉：知識升華，方法歸納探究結束后的總結環節也至關重要，旨在實現認知升華和方法遷移。科研人員通過引導參與者反思過程與難點，并聯系生活實際，幫助他們提煉要點。更重要的是將具體活動上升至一般方法論，如總結工程設計循環等可遷移的解決問題的思路，從而有效提升學習深度與能力轉化

成效與反思：模式的價值與優化方向

實踐證明，創工坊的探究式學習科學教育模式取得了一定成效，但同時也面臨一些挑戰。評估其教育效果，反思存在的問題，提出優化方向，對于模式的完善和推廣具有重要意義。

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科學教育成效

在認知層面，創工坊活動有效實現了核心科學知識與方法的傳遞。通過動手實踐，抽象的科學概念變得可觸摸、可感知，核心的科學知識和方法在實踐過程中得到了傳遞。這種基于體驗的知識建構更加牢固和深刻。

在能力層面，參與者的動手操作與問題解決能力得到了極大的鍛煉。活動中，參與者需要使用多種工具，完成多種復雜操作。可以觀察到，同一個孩子在活動結束后的操作熟練度有明顯提升；在動手實踐中面對問題分析解決的過程中，其系統性思考和問題診斷能力也得到了鍛煉。

在情感層面，參與者有機會近距離接觸科研人員，在活動中主動向科研人員提問，分享自己的想法，建立情感聯系，科學夢想的種子也悄然種下。

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挑戰與反思

科學節的活動通常人流量大，單個活動的體驗時間往往被壓縮在極短的時間內，如何平衡活動的參與度與思維深度，是巨大的挑戰。目前部分活動仍存在探究性不足的傾向，未來需進一步優化活動腳本，讓不同層次的參與者都能獲得成就感。

此外，部分科研人員在活動引導過程中難以精準把握青少年的認知心理，仍習慣于學術型的語言。如何建立系統化的培訓機制，幫助科研人員掌握教育心理學和探究式教學策略，在保持青少年科學興趣的基礎上培育科學志趣，是提升活動質量的關鍵。

最后，目前的活動多為各個研究所單兵作戰，然而現實世界的真實問題往往是跨學科的。未來應加強跨所合作，設計綜合性探究項目，整合多學科知識，培養學生解決真實問題的系統思維。

參考文獻

[1] （美）國家研究理事會. 美國國家科學教育標準[M]. 戢守志，等譯. 北京：科學技術文獻出版社，1999.

[2] “科學探究性學習的理論與實驗研究”課題組．探究式學習：含義、特征及核心要素[J]．教育研究，2001（12）：52-56．

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來源 | 《中國科技教育》2026-1

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜