如何建構(gòu)科學概念體系

張玉峰 秦曉文

摘 要：經(jīng)過科學內(nèi)容的教學，幫助學生建立良好的科學概念體系一直是科學教育的重要目標之一。幫助學生建立科學概念體系的角度主要包括：理清科學概念層次，促進概念體系的結(jié)構(gòu)化；圍繞學科核心概念，突出概念體系的統(tǒng)一性；豐富科學概念間的關聯(lián)，完善概念體系內(nèi)容；體現(xiàn)學習的階段性，逐步發(fā)展學習者的科學概念體系。

關鍵詞：科學概念；科學概念體系；建構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）7-0041-4

科學內(nèi)容知識絕不是科學結(jié)論雜亂無章的堆積，而是通過一定的邏輯相互關聯(lián)，具有一定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。因此，經(jīng)過科學內(nèi)容的教學，幫助學生建立良好的科學概念體系是非常重要的。整合與發(fā)展已經(jīng)成為當代基礎教育階段科學課程改革的核心理念。整合首先是科學課程概念體系的建構(gòu)，即通過圍繞“大概念”（big ideas）組織知識內(nèi)容，達成以往科學課程中零散概念的整合[2]。

在我國，課程標準是政府頒布的中小學課程與教學的主要文件。其中，具體內(nèi)容標準是對學生學習相應課程內(nèi)容結(jié)果的描述，一般以“行為動詞+名詞短語”的方式表述。這樣的表達方式依舊限于知識要點的羅列，較少呈現(xiàn)知識之間的關系和整個概念體系框架[8]。專家與新手的比較發(fā)現(xiàn)：通過知識學習，專家具有比新手更良好的知識結(jié)構(gòu)[1]。而我國長期以來只重視各學科領域的基本概念，忽視核心概念和共通概念，影響學生形成對科學的整體認識[3]。因此，幫助學生建構(gòu)良好的學科概念體系不僅是科學教育的重要目標之一，也是我國科學教育現(xiàn)狀的必然要求。

奧蘇貝爾認為，所謂認知結(jié)構(gòu)就是學生頭腦中的知識結(jié)構(gòu)[5]。認知結(jié)構(gòu)就是個人可運用的知識的實質(zhì)和組織內(nèi)容，在涉及某一學科時，則是指學生對于該學科所知道的知識內(nèi)容及其組織。

那么，從哪些角度豐富科學概念體系的內(nèi)容？為什么要從這些角度豐富科學概念體系？如何從這些角度豐富科學概念體系？回答這些問題對科學教育研究的最新成果如何向教育教學實踐轉(zhuǎn)化，提升教育實踐的有效性與品味，無疑是非常必要的。

1 理清科學概念層次，促進概念體系的結(jié)構(gòu)化

理清科學概念的層次是建構(gòu)科學概念體系的前提。只有理清科學概念的層次，才能確定哪些概念是學科核心概念，從而進一步圍繞學科核心概念整合學科概念體系；才能建立科學概念之間豐富而合理的聯(lián)系。只有理清科學概念層次，才能建構(gòu)層次清晰、聯(lián)系豐富、結(jié)構(gòu)良好的科學概念體系。結(jié)構(gòu)良好的科學概念體系，不僅是學生科學素養(yǎng)的重要組成部分，也是學生進一步發(fā)展的基礎。

不同科學概念具有不同的包攝性水平。按包攝性水平由高到低，可以按如下步驟確定科學概念的層次。

第一步，確定學科核心概念，這是理清科學概念層次的起點。學科核心概念的確定，往往是科學共同體多次討論后達成的共識[7]。比如，美國2013年頒布的《新一代科學教育標準》[8]中確定“運動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”作為學科核心概念，這是若干物理學科專家和物理學科教育專家共同商議的結(jié)果。

第二步，按照學科核心概念統(tǒng)領的領域或者主題，解構(gòu)學科核心概念，確定若干主題核心概念。比如，“運動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”學科核心概念下的主題核心概念包括：“機械運動”“相互作用”“運動與相互作用的關系”等。

第三步，在特定知識領域或者主題范圍內(nèi)，分別解構(gòu)主題核心概念，確定支撐主題核心概念下的重要概念。重要概念具體包括：基本概念和關系概念。比如，加速度、速度、位移、時間、角速度、周期等科學概念是為了描述機械運動而定義的，屬于基本概念，都是能夠量化的科學概念；速度時間關系、位移時間關系、角速度與周期關系、角速度與線速度關系等科學概念反映了基本概念間的關系，屬于關系概念。

第四步，分析影響重要概念建構(gòu)的知識要素，從中選擇并確定基礎概念。比如，“位置”“參考系”等屬于基礎概念。

需要說明的是，科學概念體系各層次內(nèi)的具體內(nèi)容是逐漸豐富和發(fā)展的。具體表現(xiàn)在兩個方面：一是人類的科學知識是隨著人類文明不斷積累、完善的，作為人類文明成果的科學概念體系不斷豐富和發(fā)展；二是隨著個體的不斷學習，作為個體知識的科學概念體系不斷得到豐富和發(fā)展。

2 圍繞學科核心概念，突出概念體系的統(tǒng)一性

面對科學教育的現(xiàn)狀和對學生科學素養(yǎng)提升的追求，在科學教育領域，應該圍繞“少而精”的學科核心概念進行課程設計、教學和評價。這已是不爭的事實。某一主題的科學概念體系包括這一主題下的具體知識，以及這些具體知識間的聯(lián)系；并且這些知識及其聯(lián)系還應該是圍繞學科核心概念而組織起來的，具有其內(nèi)在的統(tǒng)一性。只有圍繞學科核心概念建立的，具有統(tǒng)一性的科學概念體系，才能更有效地幫助學生建立良好的思維框架，提升學生的探究能力。北師大郭玉英等研究者經(jīng)過廣泛的課程標準的國際比較后，認為當代的科學課程設計正在嘗試圍繞大概念組織課程內(nèi)容，建立整體一致的概念體系，幫助學生形成良好的知識結(jié)構(gòu)[3]。并進一步指出，科學教育的內(nèi)容豐富、多元且相互關聯(lián)，向?qū)W生不加組織地零散呈現(xiàn)或籠統(tǒng)編織框架強行灌輸都是不可取的，科學教育應該還原科學的本來面貌。以大概念為核心進行多維整合，為科學教育各方面內(nèi)容構(gòu)建有意義的聯(lián)系，是新世紀科學教育的發(fā)展方向[3]。

圍繞哪些學科核心概念建構(gòu)科學概念體系是首先應該回答的問題。經(jīng)過美國科學教育界多年研究、討論，美國的《新一代科學教育標準》最終確立了物質(zhì)科學、生命科學、地球與空間科學等科學教育領域的若干學科核心概念。如，物質(zhì)科學的4個學科核心概念。包括：“物質(zhì)及其相互作用”“運動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”“能量”“波及其在技術領域的應用——信息傳遞”。這些學科核心概念的確立是集大批科學家、科學教育專家、一線實踐專家集體智慧的結(jié)晶；是吸收了近十年來關于核心概念、學習進階等大量的科學教育研究成果基礎上提出來的。因此，在目前科學教育研究現(xiàn)狀下，圍繞美國《新一代科學教育標準》所確立的學科核心概念建構(gòu)科學概念體系是相對可行的選擇。

圍繞學科核心概念建構(gòu)科學概念體系，應該重點從兩個方面著手：

一方面，要確立某一學科核心概念中包括哪些具體的科學概念。由于每個具體的科學概念都是從某個方面描述客觀事物的本質(zhì)屬性，因此，首先應該弄清楚這些具體的學科核心概念分別從哪些方面豐富學科概念的內(nèi)涵；其次，還應該弄清楚圍繞某一學科核心概念的若干具體概念之間具有怎樣的邏輯關系，這些具體科學概念是如何共同支撐學科核心概念的。例如，“運動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”這一學科核心概念下的具體科學概念包括位移、速度、加速度等等。位移、速度、加速度在描述具體的機械運動方面是逐步遞進的，對運動的描述越來越精細，具有依次遞進的邏輯關系。

另一方面，應圍繞學科核心概念分析具體科學概念的內(nèi)涵與外延。例如，重力加速度，如果只理解為物體在重力作用下產(chǎn)生的加速度，這是不夠的；還應該從“場”這一學科核心概念的角度加深理解，從場的角度看，重力加速度可以看作重力場強度。這樣不僅建立了重力場與電場、磁場間的聯(lián)系，有助于建構(gòu)“場”這一學科核心概念的體系，還搭建了重力加速度、電場強度、磁感應強度等具體科學概念之間的聯(lián)系。

3 豐富科學概念間的關聯(lián)，完善概念體系內(nèi)容

科學概念間的關聯(lián)無疑是科學概念體系的重要內(nèi)容。在諾瓦克的概念圖理論中，節(jié)點、連線、連接詞和實例是概念的4個基本構(gòu)成要素。其中，連線表示兩個概念間的意義聯(lián)系。在概念圖中，既有不同層次科學概念間的縱向關聯(lián)；也有同一層次內(nèi)科學概念間的橫向關聯(lián)。在科學概念學習研究領域內(nèi)，專家與新手的比較研究表明：專家的學科知識往往包含豐富的聯(lián)系，具有一定的結(jié)構(gòu)；而新手的學科知識往往是零散而孤立的，缺乏整體性。

從我國的科學教學實踐看，有普遍重視“知識點”教學，而忽視概念間聯(lián)系的傾向。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因可能包括：一是我國的學科教學一直有重視知識深度，而忽視知識廣度的傳統(tǒng)；二是中高考對物理、化學、生物等學科教學仍然具有強大的導向作用，各科考試說明中的考試內(nèi)容仍然采用“列舉知識點”的方式呈現(xiàn)，而沒有呈現(xiàn)這些“知識點”之間的聯(lián)系，這無疑會對學科教學產(chǎn)生重要影響。

根據(jù)概念圖理論，建構(gòu)科學概念之間的關聯(lián)重點可從以下幾個方面著手：

第一、分析不同層次科學概念間的邏輯關系，建構(gòu)科學概念間的關聯(lián)。上層概念不僅具有比下層概念更高的抽象概括水平，而且上層概念需要通過若干下層概念聯(lián)合起來共同支撐。例如，“運動與相互作用關系”這一主題核心概念需要力、速度、加速度等重要概念支撐，它們之間顯然有緊密關聯(lián)。

第二、分析同一層次科學概念間的邏輯關系，建構(gòu)科學概念間的關聯(lián)。分析同一層次基本概念間的邏輯關系，可以建構(gòu)關系概念。例如，分析時間、位移、速度與加速度關系，可以得出“速度-時間關系”概念和“位移-時間關系”概念。分析同一層次內(nèi)科學概念間的關系，有利于理清科學概念的外延。例如，應用法拉第電磁感應定律，進行演繹推理可以得出導體棒切割產(chǎn)生的動生電動勢和磁場變化產(chǎn)生的感生電動勢等概念，顯然，法拉第電磁感應定律的外延是后兩種情況外延之和。

第三、在不同主題下，分析重要概念，建構(gòu)科學概念間的關聯(lián)。有些重要概念是跨主題的，如加速度。因此，通過分析重要概念，可以建構(gòu)不同主題下科學概念之間的關聯(lián)。例如，加速度是“機械運動”這一主題核心概念之下的重要概念，用來描述速度變化的快慢；同時，加速度又是“相互作用力”這一主題核心概念之下的重要概念，用來描述力的作用效果。因此，分析加速度這一跨主題的科學概念，可以建立“機械運動”與“相互作用”兩個主題間的關聯(lián)。

第四、以共通概念（crosscutting concepts）為紐帶，建構(gòu)不同主題下科學概念間的關聯(lián)。共通概念是涉及科學、數(shù)學和技術等各個領域的最基本的概念，這些概念超越了學科界限，反映出不同學科的內(nèi)在統(tǒng)一性，并且相對穩(wěn)定，對于各種文化觀念都普遍適用[2]。共通概念側(cè)重跨學科內(nèi)容的組織。事實上，不僅跨學科內(nèi)容的組織需要共通概念，在同一學科內(nèi)不同主題的組織也需要共通概念。例如，重力加速度、電場強度、磁感應強度等描述不同場強弱的物理概念可以通過“規(guī)模、比例和數(shù)量”這一共通概念組織起來。密度、速度等不同主題下的概念可以通過“變化率”組織起來。

4 體現(xiàn)學習的階段性，逐步發(fā)展學習者的科學概念體系

學習者的學習過程是分階段的；學習者的知識積累是逐步完成的；學習者的科學素養(yǎng)在知識的理解與應用中循序漸進地得到提升。因此，作為個體學習結(jié)果的科學概念體系，也不是一蹴而就的，需要分階段逐步豐富、完善。

應該主要從以下幾個方面發(fā)展學習者的科學概念體系：

第一、引入較高層次概念，促進不同科學概念體系的整合。大量不同的科學概念需要圍繞學科核心概念整合，形成科學概念體系。同樣，不同的科學概念體系也需要整合，形成更大的科學概念體系，從而促進科學概念體系的發(fā)展。例如，在分別圍繞“機械運動”和“相互作用”這兩個主題核心概念建構(gòu)科學概念體系的基礎上，再引入“運動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”這一學科核心概念，可以促進這兩個科學概念體系的整合，從而建構(gòu)圍繞學科核心概念的科學概念體系。

第二、不斷豐富各層次內(nèi)科學概念。較低層次的若干科學概念共同支撐較高層次的科學概念，不斷豐富較低層次的科學概念，可以促進更高層次科學概念的發(fā)展。例如，在初中階段，時間、路程、速度、勻速直線運動的速度與時間的關系等屬于重要概念，這些概念共同支撐“機械運動”這一主題核心概念。而高中階段，在初中原概念的基礎上，又增加了加速度這一基本概念。加速度概念的引入，不僅豐富了關系概念，如勻變速直線運動的速度與時間關系、位移與時間關系等，而且從運動的類型、對運動描述的精細程度等方面豐富了“機械運動”這一主題核心概念。

第三、不斷擴展原有概念的內(nèi)涵與外延?？茖W概念是科學概念體系的重要構(gòu)成要素，而科學概念的內(nèi)涵與外延是可以擴展的。因此，科學概念體系也可以隨著科學概念內(nèi)涵與外延的擴展而得到豐富和發(fā)展。例如，加速度的內(nèi)涵從“運動速度變化快慢的描述”擴展到“力對運動狀態(tài)的改變效果的描述”，由此體現(xiàn)出加速度概念作為聯(lián)接機械運動和相互作用關系橋梁的重要意義。外延從加速度概念引入時的“勻加速直線運動”到“勻減速直線運動”，再到“勻變速曲線運動”，直到“圓周運動”，由此擴展了對機械運動類型及其運動規(guī)律的認識。這些都是對科學概念體系的進一步豐富和發(fā)展。

第四、不斷豐富科學概念間的關聯(lián)?？茖W概念間的關聯(lián)是科學概念體系的要素之一。例如，在初中，并不能建立物體的質(zhì)量與運動速度之間的關系。在高中學習相對論的知識后，便建立了物體質(zhì)量和運動速度之間的關聯(lián)。

科學概念體系不僅本身是科學素養(yǎng)的重要組成部分，而且在建構(gòu)科學概念及其體系的過程中必然帶來學生科學能力的進一步發(fā)展。因此，在科學教育中應該進一步探索幫助學生建構(gòu)科學概念體系的策略與方式。

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（欄目編輯 羅琬華）