科學(xué)教育中的能量大概念:內(nèi)容釋義、哲學(xué)內(nèi)涵與課程設(shè)計(jì)

李 剛 呂立杰 楊 曼

能量是維系經(jīng)濟(jì)社會(huì)長足進(jìn)步與全面革新的核心驅(qū)動(dòng),能量教育一直是國際科學(xué)教育中的重要內(nèi)容。科學(xué)教育旨在通過系統(tǒng)連貫一致的課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生能量素養(yǎng),然而單純追求能量內(nèi)容的廣度以及深度會(huì)使學(xué)習(xí)者完成學(xué)業(yè)時(shí)僅留下剝離的知識(shí)碎片和毫無意義的教學(xué)成就,缺乏對于真實(shí)能量世界的整體觀念。當(dāng)前,越來越多的科學(xué)教育者開始聚焦于發(fā)展學(xué)生對于科學(xué)大概念的深入理解,著力于形成學(xué)生對于世界認(rèn)識(shí)的宏大圖景?？茖W(xué)大概念提供了全面審視能量教育的新視角,基于此建立能量大概念的科學(xué)大概念系統(tǒng)具有一定的理論價(jià)值與實(shí)踐依據(jù),能夠進(jìn)一步推進(jìn)與深化我國的基礎(chǔ)教育科學(xué)課程改革。

一、科學(xué)教育的大概念潮流:來自時(shí)代的需求

大概念研究早已有之,科學(xué)大概念(big ideas of science)則于2010年由英國教育家溫·哈倫(Harlen)在《科學(xué)教育的原則和大概念》一書中正式提出,受到科學(xué)教育領(lǐng)域廣泛關(guān)注,美國、日本、韓國等國家紛紛以大概念建構(gòu)本國的科學(xué)教育課程。2017年2月,我國教育部頒布的《小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》突出了科學(xué)大概念對于教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)領(lǐng)和安排。①劉恩山:《〈義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)〉的變化及其影響》,《人民教育》2017年第7期。基于科學(xué)大概念引領(lǐng)課程與教學(xué)的科學(xué)教育浪潮已經(jīng)拉開序幕。

(一)科學(xué)教育的自省

作為科學(xué)發(fā)展基石的科學(xué)教育已經(jīng)延續(xù)數(shù)百年,百年間科學(xué)教育范式的變革讓科學(xué)教育不斷煥發(fā)新的生機(jī)并日益成為全球化時(shí)代背景下各國提升綜合國力的戰(zhàn)略共識(shí)。與此同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)更加公平、更有質(zhì)量的新時(shí)期科學(xué)教育,響應(yīng)時(shí)代需求,順應(yīng)學(xué)生發(fā)展,科學(xué)教育工作者仍在不斷地追問和反思當(dāng)前科學(xué)教育所陷入的迷途及所面臨的困境。

1.科學(xué)教育的破碎迷途

科學(xué)教育應(yīng)是完整的,而非破碎的,這種完整性強(qiáng)調(diào)科學(xué)教育的結(jié)構(gòu)完整性與功能完整性,對于科學(xué)教育完整性認(rèn)識(shí)不足是其陷入破碎迷途的主要原因。首先,結(jié)構(gòu)完整性是指科學(xué)教育內(nèi)容是完整的與系統(tǒng)的。不少國家和地區(qū)的科學(xué)教育缺乏嚴(yán)密的科學(xué)內(nèi)容邏輯體系支撐,科學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出學(xué)科間割裂化與學(xué)科內(nèi)碎片化的狀態(tài)。學(xué)科間割裂化主要是指傳統(tǒng)分科教學(xué)使科學(xué)內(nèi)容分科化編排傾向明顯,物理、化學(xué)等各個(gè)科學(xué)學(xué)科間沒有清晰的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn),科學(xué)教育的邏輯框架比較混亂。學(xué)科內(nèi)碎片化主要是指為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)而對科學(xué)內(nèi)容采取的刪減策略與選擇自由,使得科學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)彼此間的聯(lián)系不暢,學(xué)生難以理解,教師難以教授。其次,功能完整性是指科學(xué)教育不僅僅傳授知識(shí),其價(jià)值功能是完整的,應(yīng)包含知識(shí)、思維、方法、原則和精神五個(gè)方面的內(nèi)容,知識(shí)是基礎(chǔ),思維、方法、原則是框架,精神則是核心。②楊叔子:《科學(xué)教育:整體把握,突出核心》,《科學(xué)與社會(huì)》2015年第3期。僅僅局限于知識(shí)的科學(xué)教育是教條的科學(xué)教育,失去了科學(xué)原則與精神的科學(xué)教育,會(huì)使科學(xué)教育偏離方向,甚至走向反科學(xué)之路?？茖W(xué)教育并不簡單是作為一門學(xué)科教育而存在,更是作為形成學(xué)生認(rèn)知模式與思維模式的一個(gè)過程而存在。

2.科學(xué)教育的落地困境

科學(xué)教育一直在探索如何在教學(xué)實(shí)踐中更加有效,這種有效能夠讓學(xué)生具備其適應(yīng)自身終身發(fā)展與社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力與必備品格。科學(xué)教育的最終目的是促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì),提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。2011年,美國國家研究理事會(huì)(NRC)發(fā)布《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》,著重倡導(dǎo)科學(xué)探究轉(zhuǎn)向科學(xué)實(shí)踐。一直以來,科學(xué)探究被視為科學(xué)教育落實(shí)的核心,是在所有學(xué)科內(nèi)通用的獲取和理解知識(shí)的手段,但來自情境學(xué)習(xí)、科學(xué)家職業(yè)的社會(huì)學(xué)與人類學(xué)研究的證據(jù)顯示,特定的科學(xué)內(nèi)容是在特定的科學(xué)實(shí)踐中生成和發(fā)展的,實(shí)踐是先于知識(shí)而存在的。③肖思漢、William A.Sandoval:《科學(xué)課堂上的“探究”與“實(shí)踐”有何不同》,《課程·教材·教法》2017年第12期?？茖W(xué)教育的實(shí)踐轉(zhuǎn)向使得科學(xué)教育工作者必須再次思考其所帶來的諸多變化并為其做好準(zhǔn)備。這主要包括四個(gè)方面:一是科學(xué)教育的重心將不再是科學(xué)事實(shí),二是單一學(xué)科已經(jīng)無法滿足解決問題的需要,三是任何學(xué)科知識(shí)都需要在具體的實(shí)踐活動(dòng)中得以呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)與理解,四是科學(xué)教育必須要指向所有人的終身學(xué)習(xí)實(shí)踐。全新的科學(xué)教育觀念要求教師必須面對如何更好地解釋科學(xué)知識(shí)的本質(zhì),如何更好地建立生活情境與科學(xué)問題、方法等之間的聯(lián)系,如何更好地打通不同領(lǐng)域之間的關(guān)系等諸多挑戰(zhàn),探索與討論科學(xué)教育的新方法、新途徑變得極其艱難但又異常重要。①肖思漢:《論科學(xué)素養(yǎng)的“日常實(shí)踐”轉(zhuǎn)向》,《全球教育展望》2017年第11期。

(二)大概念的引入

大概念,英文big idea(concept),也有學(xué)者將其譯為大觀念。在教育領(lǐng)域,有關(guān)大概念的研究至少可以追溯到布魯納(Bruner.J.S)對于教育過程的研究。布魯納強(qiáng)調(diào),無論教師教授哪類學(xué)科,一定要使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu),有助于學(xué)生解決課堂內(nèi)外所遇到的各類問題。掌握事物的基本結(jié)構(gòu),就是以允許許多別的東西與它有意義地聯(lián)系起來的方式去理解它,學(xué)習(xí)這種基本結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)事物之間是怎樣相互關(guān)聯(lián)起來的。教師若掌握學(xué)科的基本概念架構(gòu),有助于學(xué)生對學(xué)科知識(shí)的記憶保留,并促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移。②布魯納:《教育過程》,邵瑞珍譯,文化教育出版社1982年版,第26-30頁。

有研究者從認(rèn)知發(fā)展的角度闡述大概念,克拉克(Clark.E)基于布魯納等人的研究,在定義觀念(concept)時(shí)提到,觀念是理解和聯(lián)結(jié)小觀念的大概念(big idea),并將觀念與大概念等同起來,認(rèn)為它們提供了構(gòu)建自己理解的認(rèn)知框架或結(jié)構(gòu)。③Clark E.Designing and implementing an integrated curriculum:A student-centered approach.Brandon,Vermont:Holistic Education Press,1997,p.94.懷特利(Whiteley.M)強(qiáng)調(diào)大概念是理解的建筑材料,可以被認(rèn)為是有意義的模式,用以使人們能夠聯(lián)結(jié)其他零散的知識(shí)點(diǎn)。④Whiteley M.Big ideas:“A close look at the Australian history curriculum from a primary teacher’s perspective,”Agora,vol.47,no.1,2012,pp.41-45.

有研究者從課程內(nèi)容的角度界定大概念,埃里克森(H.L.Erickson)認(rèn)為大概念是指向?qū)W科中的核心概念,是基于事實(shí)基礎(chǔ)上抽象出來的深層次的、可遷移的概念。⑤Erickson H L.Stirring the Head,Heart,and Soul:Redefining Curriculum and Instruction.California:Thousands Oaks,2000,p.33.威金斯和麥格泰(Wiggins&Mctighe)提到大概念是出于課程學(xué)習(xí)中心位置的觀念、主題、辯論、悖論、問題、理論或者是原則等,能夠?qū)⒍喾N知識(shí)有意義地聯(lián)結(jié)起來,是不同環(huán)境中應(yīng)用這些知識(shí)的關(guān)鍵。⑥Wiggins G,Mctighe J,and Alexandria V.Understanding by design(expanded 2nd ed).Association for Supervision&Curriculum Development:Alexandria,VA,2005,p.191.

也有研究者從學(xué)科教育的角度分析大概念。數(shù)學(xué)教育和科學(xué)教育研究尤其重視大概念的問題。查爾斯(Charles.R.I)將大概念定義為對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)至關(guān)重要的觀念的陳述,是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的核心,能夠把各種數(shù)學(xué)理解聯(lián)系成一個(gè)連貫的整體,大概念使我們將數(shù)學(xué)看作一個(gè)連貫的大概念集合。⑦Charles R.“Big ideas and understandings as the foundation for early and middle school Mathematics,”NCSM Journal of Educational Leadership,vol.7,no.3,2005,pp.9-24.哈倫(W.Harlen)從科學(xué)教育角度提出了14項(xiàng)科學(xué)教育的大概念,其認(rèn)為大概念是能夠用于解釋和預(yù)測較大范圍內(nèi)物體和現(xiàn)象的概念,概念有大有小,大概念只是一個(gè)相對的概念。⑧Harlen W.Principles and big ideas of science education.Hatfield,UK:Association of Science Teachers,2010,p.6.查莫斯(C.Chalmers)在研究STEM的大概念時(shí),認(rèn)為其可以分為兩種類別:內(nèi)容大概念和過程大概念。內(nèi)容大概念主要是原理、理論或者模型,例如加減法、原子理論、概率模型等;過程大概念是與獲取和有效使用知識(shí)有關(guān)的技能,例如觀察、實(shí)驗(yàn)、解釋等。⑨Chalmers C,Carter M,and Cooper T.“Implementing‘Big Ideas’to Advance the Teaching and Learning of Science,Technology,Engineering,and Mathematics (STEM),”International Journal of Science&Mathematics Education,vol.15,no.1,2017,pp.25-43.

大概念是一個(gè)具有復(fù)雜內(nèi)涵的教育理念,無論是宏觀層面的認(rèn)知框架,還是中觀層面的課程線索,以及微觀層面的教學(xué)設(shè)計(jì),大概念都顯示出獨(dú)有的貢獻(xiàn)。一般情況下,大概念是基于學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)和方法,它們不是具有簡單的具體答案的事實(shí)問題,大概念指向的是具體知識(shí)背后的核心內(nèi)容。深入把握大概念在教育領(lǐng)域中的價(jià)值,將有效推進(jìn)我國的教育改革進(jìn)程。

(三)科學(xué)大概念分析系統(tǒng)的建立

科學(xué)大概念是大概念在科學(xué)領(lǐng)域中的特定表現(xiàn)形式,是對科學(xué)領(lǐng)域的宏觀概括認(rèn)識(shí),它的提出源自于2009年10月在蘇格蘭羅蒙湖舉辦的一次針對中小學(xué)科學(xué)教育問題的小型國際研討會(huì)。會(huì)議由來自世界各地的科學(xué)家、工程師以及教育家等10位專家,通過會(huì)前收集資料、會(huì)上研究討論以及會(huì)后持續(xù)通信,最終形成了報(bào)告——《科學(xué)教育的原則和大概念》,提出了中小學(xué)科學(xué)教育中有關(guān)科學(xué)知識(shí)及科學(xué)本身的大概念。2014年,原來的專家組成員增加至11位,詳細(xì)探討了上述原則和大概念應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐的特征及其所產(chǎn)生的影響,形成了第一次研討會(huì)成果的后繼之作——《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》,指出科學(xué)教育不是知識(shí)片段的堆積,而是有結(jié)構(gòu)的、有聯(lián)系的模型。

圍繞科學(xué)大概念進(jìn)行科學(xué)教育需要對科學(xué)大概念進(jìn)行更為清晰和深入的認(rèn)識(shí),建立科學(xué)大概念分析系統(tǒng)實(shí)屬必要。事實(shí)上,科學(xué)大概念已經(jīng)不單單是一個(gè)名詞或者符號(hào),其背后隱藏著一個(gè)意義世界,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通概念的內(nèi)涵與外延,負(fù)載著整個(gè)科學(xué)理論體系?？茖W(xué)大概念的分析與考察可以經(jīng)由三種路徑。一是2013年美國頒布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)大概念分為三種類型:第一種類型是統(tǒng)領(lǐng)各自領(lǐng)域內(nèi)的大概念,也被稱作學(xué)科核心概念;第二種類型是在各個(gè)領(lǐng)域中更通用、更上位的大概念,也被稱作通用概念;第三種類型是對科學(xué)本質(zhì)基本理解的大概念。這三類大概念并不是嚴(yán)格區(qū)分的,例如能量大概念既是學(xué)科核心概念又是通用概念。①郝興敏:《對圍繞大概念組織教學(xué)的思考》,《湖北教育》(科學(xué)課)2018年第1期。二是20世紀(jì)90年代HPS(科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué))開始進(jìn)入科學(xué)教育,歷史語境使學(xué)生按照科學(xué)真正的發(fā)生方式去理解科學(xué)概念,哲學(xué)思辨具有使學(xué)生理性判斷科學(xué)的雙刃劍功能,社會(huì)學(xué)讓學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)到科學(xué)建構(gòu)與社會(huì)形成之間的復(fù)雜關(guān)系。②張晶:《HPS(科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)社會(huì)學(xué)):一種新的科學(xué)教育范式》,《自然辯證法研究》2008年第9期。三是科學(xué)大概念的發(fā)展進(jìn)程可以理解為是從小概念向大概念的轉(zhuǎn)變,這個(gè)建構(gòu)過程是復(fù)雜的,往往歷經(jīng)基礎(chǔ)知識(shí)與技能、學(xué)科核心概念、跨學(xué)科主題以及哲學(xué)觀點(diǎn)等過程,向科學(xué)大概念趨向的建構(gòu)模式需要引起教師的特別注意。③胡善義:《以大概念的理念建構(gòu)科學(xué)概念的教學(xué)研究——以〈溶解〉單元為例》,《教育導(dǎo)刊》2018年第3期。

從認(rèn)識(shí)論上來看,科學(xué)大概念是學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)世界的思維方式;從學(xué)習(xí)論上來看,科學(xué)大概念是學(xué)生研究科學(xué)世界的組織工具;從價(jià)值論上來看,科學(xué)大概念承擔(dān)著引發(fā)學(xué)生思考、塑造學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要功能。通過以上討論,我們認(rèn)為,建立科學(xué)大概念分析系統(tǒng)需要三個(gè)子系統(tǒng),即內(nèi)容系統(tǒng)、哲學(xué)系統(tǒng)與課程系統(tǒng),三個(gè)子系統(tǒng)形成首尾相接的科學(xué)大概念分析系統(tǒng),如圖1所示。其中,內(nèi)容系統(tǒng)是指某一科學(xué)大概念的篩選策略及其基本內(nèi)容,與課程系統(tǒng)形成一一對應(yīng);哲學(xué)系統(tǒng)是指某一科學(xué)大概念背后所隱匿的哲學(xué)觀點(diǎn)與啟示,由內(nèi)容系統(tǒng)歸納遷移得出;課程系統(tǒng)是指某一科學(xué)大概念融入課程的原則與途徑,根據(jù)哲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行演繹遷移獲得,并與內(nèi)容系統(tǒng)融會(huì)貫通。

圖1 科學(xué)大概念分析系統(tǒng)

二、科學(xué)教育中的能量大概念

能量大概念是科學(xué)大概念中比較特殊的一類大概念,其既蘊(yùn)含在各自學(xué)科中,又體現(xiàn)在各個(gè)學(xué)科間,這是源于能量本身的特殊性。近代科學(xué)的能量概念自1807年由英國物理學(xué)家托馬斯·楊正式提出之后廣泛用于解釋各類科學(xué)現(xiàn)象,例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、火山噴發(fā)等,能量已然成為科學(xué)教育中不可缺少的重要組成。能量大概念是對于科學(xué)教育中能量部分的總括性審視與深度性架構(gòu),對能量大概念進(jìn)行系統(tǒng)分析之前需要對其相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行有效遴選和梳理準(zhǔn)備,分析能量大概念的特征屬性,為進(jìn)一步研究提供支撐。

(一)能量大概念文獻(xiàn)遴選

能量大概念文獻(xiàn)遴選是對能量大概念進(jìn)行系統(tǒng)分析的前提性工作,其主要來源包括三個(gè)方面:一是世界各國(地區(qū))課程標(biāo)準(zhǔn)中對于能量大概念的直接關(guān)注,即國際標(biāo)準(zhǔn)中的能量大概念表述(詳見表1);二是有關(guān)科學(xué)大概念及能量概念(觀念)的相關(guān)研究中對能量大概念的討論,即科學(xué)研究中的能量大概念(詳見表2);三是能量教育或能源教育課程中對于能量大概念的模糊論述,即能量教育中的能量大概念(詳見表3);四是能量素養(yǎng)或能源素養(yǎng)研究中對于能量大概念的相關(guān)闡述,即能量素養(yǎng)中的能量大概念(詳見表4)。

表1 國際標(biāo)準(zhǔn)中的能量大概念表述

表2 科學(xué)研究中的能量大概念表述

續(xù)表

表3 能量教育中的能量大概念表述

表4 能量素養(yǎng)中的能量大概念表述

(二)能量大概念基本特征

能量大概念是基于能量的基本結(jié)構(gòu)和方法,它們不是具有簡單的具體答案的事實(shí)問題,能量大概念指向的是具體能量知識(shí)背后的核心內(nèi)容。對于能量大概念特征屬性的理解,我們可將其簡單概括為Energy Cent(能量幣)。

1.能量大概念呈現(xiàn)中心性(Centrality,C)

不是能量內(nèi)容中所有的概念都能稱之為能量大概念,能量大概念不是基礎(chǔ)概念,而是聚合概念。能量大概念就如同一個(gè)文件夾,提供了歸檔無限能量小概念的有序結(jié)構(gòu)或合理框架。有限的能量大概念之間相互聯(lián)結(jié),共同構(gòu)成了能量內(nèi)容的連貫整體,使能量內(nèi)容不再被視為一套斷斷續(xù)續(xù)的概念、原則、事實(shí)和方法。能量大概念居于能量內(nèi)容的中心位置,集中體現(xiàn)了能量內(nèi)容的結(jié)構(gòu)和本質(zhì)。

2.能量大概念呈現(xiàn)可持久性(Enduring,E)

能量大概念是對能量內(nèi)容的深入理解,有的教師會(huì)在能量教學(xué)中思考,能量教育希望學(xué)生學(xué)到什么,在忘記了那些事實(shí)性的知識(shí)之后還剩下什么,這里的“什么”其實(shí)就是能量中的大概念。能量大概念不是暫時(shí)保存的記憶,而是具有可持久性,是經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)消失之后還存留的核心概念。能量大概念能夠用于解釋學(xué)生學(xué)校學(xué)習(xí)和畢業(yè)以后生活中遇到的各類能量事件和現(xiàn)象,貫穿學(xué)生的一生。

3.能量大概念呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀(Network,N)

能量大概念并不是無序游離在科學(xué)教育中,而是呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)包括了學(xué)科內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)科間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(也可稱為跨學(xué)科網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),每一個(gè)能量大概念則是完成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間通信的基站。學(xué)科內(nèi)能量大概念網(wǎng)是指將某一學(xué)科進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié),不同學(xué)段以能量大概念為中心進(jìn)行課程內(nèi)容的選取和組織,是課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵線索;學(xué)科間能量大概念網(wǎng)是指將某些學(xué)科進(jìn)行橫向聯(lián)結(jié),跨越兩個(gè)或者更多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域,不同學(xué)科之間基于共同的能量大概念進(jìn)行合理對接,有效地模糊了學(xué)科之間的邊界。

4.能量大概念呈現(xiàn)可遷移(Transferable,T)

在布魯納看來,遷移是教育過程的核心,應(yīng)該使用基本的和一般的觀念不斷擴(kuò)大和加深認(rèn)識(shí),這種遷移,從本質(zhì)上說,一開始不是學(xué)習(xí)一種技能,而是學(xué)習(xí)一個(gè)一般觀念,然后這個(gè)一般觀念可以用作認(rèn)識(shí)后繼問題的基礎(chǔ),這些后繼問題是開始所掌握的觀念的特例。能量大概念有極大的遷移價(jià)值,隨著時(shí)間的推移能被應(yīng)用于許多其他縱向的學(xué)科內(nèi)情境和橫向的學(xué)科間情境,以及學(xué)校以外的新的情境。

三、科學(xué)教育中能量大概念的內(nèi)容系統(tǒng)分析

對于科學(xué)教育應(yīng)該教什么已經(jīng)成為學(xué)界多年的爭論話題,這必須考慮社會(huì)、個(gè)人等多個(gè)主體的相互關(guān)系,使其達(dá)到平衡和共生。類似地,能量大概念具體內(nèi)容的篩選和過濾除了需要上述文獻(xiàn)材料的結(jié)論支撐,同時(shí)更加需要一個(gè)科學(xué)合理的分析框架,這里我們使用課程重點(diǎn)理論(curriculum emphases)與課程平衡理論(curriculum balance)進(jìn)行能量大概念內(nèi)容的考察與確定。

課程重點(diǎn)理論由加拿大學(xué)者Roberts于20世紀(jì)80年代提出,認(rèn)為理科課程往往包括七類課程重點(diǎn),即日常應(yīng)用,科學(xué)結(jié)構(gòu),科學(xué)、技術(shù)和決策,科學(xué)技能發(fā)展,正確的解釋,自我解釋者和牢固的基礎(chǔ)。①Roberts D A.“Developing the concept of ‘curriculum emphases’in science education,”Science Education,vol.66,no.1,1982,pp.243-260.為了更好地應(yīng)用課程重點(diǎn)理論解釋理科課程,Vos等人在分析化學(xué)課程時(shí)將課程重點(diǎn)簡化為三類,即基礎(chǔ)化學(xué)(化學(xué)中知識(shí)、概念原理等的學(xué)習(xí)),化學(xué)、技術(shù)與社會(huì)(化學(xué)課程中技術(shù)與社會(huì)議題的學(xué)習(xí))以及化學(xué)中的知識(shí)發(fā)展(化學(xué)史等方面的學(xué)習(xí))。②Vos M A,Taconis R,and Jochems W M.“Teachers implementing context-based teaching materials:a framework for case-analysis in chemistry,”Chemistry Education Research&Practice,wol.11,no.3,2010,pp.193-206.課程平衡理論起源于美國20世紀(jì)80年代的科學(xué)素養(yǎng)運(yùn)動(dòng),是指科學(xué)課程既要滿足從事科學(xué)研究的學(xué)生的需求,也要滿足成為普通公民的學(xué)生的需求。在課程內(nèi)容上,平衡的課程應(yīng)強(qiáng)調(diào)四個(gè)方面,即科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)概念,科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)過程,科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的相互關(guān)系以及科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)。③Wellington B J.Teaching and Learning Secondary Science:Contemporary Issues and Practical Approaches.New York:Routledge,2000,p.48.

基于對已有文獻(xiàn)的核查、課程重點(diǎn)與課程平衡理論的分析以及對能量大概念特征屬性的理解,我們認(rèn)為能量大概念應(yīng)包含四個(gè)方面的內(nèi)容:能量本質(zhì)內(nèi)容,能量原理內(nèi)容,能量實(shí)踐內(nèi)容,能量責(zé)任內(nèi)容。這四方面的內(nèi)容由點(diǎn)及面,逐層擴(kuò)展,形成典型的橢圓層結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 能量大概念內(nèi)容系統(tǒng)

(一)能量本質(zhì)內(nèi)容

能量本質(zhì)內(nèi)容是對能量的定義及其本質(zhì)的理解,用以回答能量概念從何而來以及能量是什么的問題。人類對于能量的認(rèn)識(shí)是有一個(gè)漫長的歷史過程的,是在不斷地實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐與再認(rèn)識(shí)的多次反復(fù)中逐漸形成的。能量概念是在物理學(xué)探求物質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形式之間的聯(lián)系當(dāng)中制定的,是伴隨著能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)而揭示的。在自然界中,不同的運(yùn)動(dòng)形式盡管各有特點(diǎn),但都是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),物質(zhì)的每一種運(yùn)動(dòng)都具有運(yùn)動(dòng)的量度,或做功的本領(lǐng),這個(gè)物理量就叫作能量。它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一般量度,不同的運(yùn)動(dòng)形式以不同形式的能量來量度,例如機(jī)械能、電能等。雖然能量研究主要在物理學(xué)中,但每門科學(xué)幾乎都涉及能量問題,例如天文學(xué)的行星運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的能量,生物學(xué)中螳螂捕蟬時(shí)前肢釋放的能量,化學(xué)中物質(zhì)變化產(chǎn)生的能量等等。

除了科學(xué)領(lǐng)域?qū)δ芰扛拍畹奶接?哲學(xué)領(lǐng)域?qū)δ芰康难芯扛沂玖四芰康膬?nèi)在意義。在19世紀(jì)末20世紀(jì)初,唯心論的哲學(xué)家否定了物質(zhì)的客觀存在,認(rèn)為物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量后,物質(zhì)的概念已經(jīng)被消滅了,產(chǎn)生了以德國化學(xué)家Ostwald為代表的唯能論。唯能論是唯心論的變種,這一理論受到了唯物論學(xué)者的粉碎性批判。恩格斯指出,能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度,其最本質(zhì)的方面是反映了各種運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。①吳延涪:《恩格斯論能量守恒與轉(zhuǎn)化定律及其哲學(xué)意義》,《教學(xué)與研究》1962年第3期,第11-14頁。物理學(xué)中度量運(yùn)動(dòng)的物理量有很多,例如動(dòng)量、角動(dòng)量、自旋等,但是能量是一切運(yùn)動(dòng)中最為普遍和最為基本的量度,它仍然是物質(zhì)的最重要的屬性,也統(tǒng)一于物質(zhì),能量不能脫離物質(zhì)而存在,但能量也和物質(zhì)一樣是客觀的,既不能被創(chuàng)造也不能被消滅。

(二)能量原理內(nèi)容

能量原理是用以體現(xiàn)能量本質(zhì)的具有普遍意義的基本規(guī)律,是在觀察實(shí)踐的基礎(chǔ)上獲得的用以指導(dǎo)實(shí)踐同時(shí)接受實(shí)踐檢驗(yàn)的能量命題或者定律,主要包括能量形式、能量轉(zhuǎn)化、能量守恒、能量流動(dòng)和能量耗散五方面的內(nèi)容。

能量形式是指能量存在的形式種類,人類目前所認(rèn)識(shí)的能量形式有六種,分別是機(jī)械能、熱能、電能、輻射能、化學(xué)能以及核能。機(jī)械能是指物體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)或空間狀態(tài)相關(guān)的能量,包括動(dòng)能和勢能兩種;熱能也稱內(nèi)能,是構(gòu)成物質(zhì)微觀分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢能的綜合,宏觀表現(xiàn)是溫度的高低;電能是和電子流動(dòng)與積累有關(guān)的一種能量;輻射能是物體以電磁波形式發(fā)射的能量;化學(xué)能是儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中的能量,在發(fā)生化學(xué)變化時(shí)釋放;核能是儲(chǔ)存在原子核內(nèi)部的能量。②周乃君:《能源與環(huán)境》(第2版),中南大學(xué)出版社2013年版,第77頁。

能量轉(zhuǎn)化是指雖然能量不能被創(chuàng)造也不能被毀滅,但是各種能量形式之間相互轉(zhuǎn)化以及不同物體之間的能量轉(zhuǎn)移。能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式,也可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。例如摩擦生熱是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,水輪機(jī)發(fā)電是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,熱能可以從溫度高的物體轉(zhuǎn)移到溫度低的物體。

能量守恒是指能量不會(huì)憑空消失也不會(huì)憑空產(chǎn)生,在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中,能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中總量是保持不變的。能量守恒定律是自然界最普遍的基本定律之一,例如在只有重力做功的系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械能在動(dòng)能和重力勢能之間相互轉(zhuǎn)化,但其總量保持不變。

能量耗散是指雖然能量是守恒的,但是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向性的,也就是說能量只能從有效能量轉(zhuǎn)化為無效能量,從可利用能量轉(zhuǎn)化為不可利用能量,并且這個(gè)過程是不可逆的。例如燃燒過程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程,但是再將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能是十分困難的。能量耗散說明了能量的利用會(huì)受到方向性的制約。

(三)能量實(shí)踐內(nèi)容

近年來,實(shí)踐優(yōu)位的科學(xué)觀逐漸替代表現(xiàn)主義的理論優(yōu)位的科學(xué)觀。在美國科學(xué)哲學(xué)家勞斯看來,科學(xué)實(shí)踐是充滿社會(huì)意義和歷史意義的活動(dòng),其不僅僅是行動(dòng)模式,同時(shí)也是對世界進(jìn)行有意義的塑造。③Rouse J.How Scientific Practices Matter:Reclaiming Philosophical Naturalism.Chicago:University of Chicago Press.2002,p.25.加拿大科學(xué)哲學(xué)家哈金指出,科學(xué)實(shí)踐不再是理論的附庸,僅僅為理論提供支持與論證,而是具有獨(dú)立的、多樣化的內(nèi)涵。④Hacking I.Representing and Intervening.Cambridge:Cambridge University Press.1983,pp.220-225.科學(xué)觀的轉(zhuǎn)向?qū)茖W(xué)教育的影響巨大,科學(xué)教育的漫長發(fā)展經(jīng)歷了把科學(xué)作為知識(shí)到把科學(xué)作為研究,再到把科學(xué)作為實(shí)踐的轉(zhuǎn)變。作為實(shí)踐的科學(xué)要求科學(xué)教育關(guān)注實(shí)踐情境的創(chuàng)設(shè)及其運(yùn)用,這與科學(xué)實(shí)踐的情境化特征是分不開的。任何科學(xué)知識(shí)的獲得都離不開科學(xué)實(shí)踐,科學(xué)實(shí)踐是在一定情境中進(jìn)行的科學(xué)活動(dòng),難以完全重復(fù)實(shí)踐。去情境化的科學(xué)知識(shí)只能是冷冰冰的、孤零零的、沒有活力的知識(shí),同樣地,科學(xué)技能的培養(yǎng)也需要情境關(guān)涉加以領(lǐng)會(huì)。

能量本質(zhì)與能量原理的揭示是人類在科學(xué)實(shí)踐過程中不斷積累的成果?？茖W(xué)實(shí)踐作為人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然的基本方式已經(jīng)成為當(dāng)前科學(xué)教育中不可或缺的重要內(nèi)容。同樣地,學(xué)生認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)與理解能量本質(zhì)與能量原理也離不開能量實(shí)踐過程。能量廣泛存在于學(xué)生的生活世界,如何在現(xiàn)有科學(xué)教育框架內(nèi)挖掘并拓展能量實(shí)踐情境活動(dòng)是十分重要的。按照勞斯的科學(xué)實(shí)踐觀,能量實(shí)踐是面向情境的,這種情景是主體介入的,也是機(jī)會(huì)主義的,①孫自揮:《教師教學(xué)研究情境性、介入性與機(jī)會(huì)性——基于科學(xué)實(shí)踐哲學(xué)的解讀》,《中國教育學(xué)刊》2013年第2期。據(jù)此,能量實(shí)踐可分為能量規(guī)范情境實(shí)踐與能量機(jī)會(huì)情境實(shí)踐兩個(gè)方面。能量規(guī)范情境實(shí)踐是指學(xué)生在儀器設(shè)備可知、實(shí)踐境況熟悉、人員訓(xùn)練有素等實(shí)驗(yàn)室或研究所中進(jìn)行的能量學(xué)習(xí)與理解。能量規(guī)范情境實(shí)踐為學(xué)生提供了可見的物質(zhì)性場所,能夠讓學(xué)習(xí)順利發(fā)生,但也限制住了學(xué)生思維的發(fā)展。能量機(jī)會(huì)情境實(shí)踐是指學(xué)生在隨機(jī)選擇的、資源未知的、需要探索的環(huán)境中進(jìn)行能量的認(rèn)識(shí)與解釋。能量機(jī)會(huì)情境實(shí)踐需要學(xué)生自主調(diào)整實(shí)踐策略,主觀發(fā)散研究方式,找到能量相關(guān)問題并進(jìn)行解決,這為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維提供了有利條件,但也往往會(huì)拖慢正常的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

(四)能量責(zé)任內(nèi)容

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代,科學(xué)為人類社會(huì)帶來眾多福祉的同時(shí)卻也給人類帶來了諸多問題,例如石油、煤炭等諸多能量資源的過度開采和使用極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展卻也已經(jīng)導(dǎo)致了環(huán)境污染等諸多問題。從科學(xué)研究到社會(huì)應(yīng)用是一個(gè)關(guān)涉復(fù)雜機(jī)制的漫長過程,是科學(xué)轉(zhuǎn)化也是科學(xué)普及的連續(xù)過程。不僅僅是科學(xué)家,普通公眾也有責(zé)任及義務(wù)對科學(xué)之于人類的影響進(jìn)行關(guān)注并采取適當(dāng)行動(dòng),共同為人類發(fā)展命運(yùn)負(fù)責(zé)。根據(jù)已有分析,能量責(zé)任主要包括能量責(zé)任意識(shí)和能量責(zé)任行動(dòng)兩個(gè)方面。

能量責(zé)任意識(shí)是指學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)并認(rèn)同自己在能量學(xué)習(xí)過程中所肩負(fù)的職責(zé)范圍并自覺承擔(dān)和認(rèn)真履行的心理特征。能量責(zé)任意識(shí)具體是指學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到能量不應(yīng)該被隨意浪費(fèi),認(rèn)識(shí)到必須提高能量使用效率,節(jié)約能量應(yīng)從自身做起,能夠認(rèn)識(shí)到綠色消費(fèi)行為可以降低能量消耗,愿意使用各類節(jié)能產(chǎn)品,能夠透過各類能量事件認(rèn)識(shí)到能量安全以及能量對環(huán)境的影響和沖擊,能夠主動(dòng)思考能量管理的方案策略并且認(rèn)識(shí)到能量可持續(xù)發(fā)展的重要意義等等。

能量責(zé)任行動(dòng)是指學(xué)生對于能量責(zé)任意識(shí)的擔(dān)當(dāng)與踐行,做出負(fù)責(zé)任的具體行動(dòng)。能量責(zé)任行動(dòng)具體是指學(xué)生能夠主動(dòng)與他人分享日常生活中節(jié)能減排的方法,能夠主動(dòng)鼓勵(lì)家人及朋友調(diào)整生活方式以達(dá)到節(jié)約能量,能夠積極參與學(xué)校、社會(huì)等組織的能量問題調(diào)查與研究,并為之設(shè)計(jì)可行的節(jié)能減排計(jì)劃方案等等。

四、科學(xué)教育中能量大概念的哲學(xué)系統(tǒng)分析

愛因斯坦指出,“科學(xué)研究的結(jié)果,往往使離開科學(xué)領(lǐng)域很遠(yuǎn)的問題的哲學(xué)觀點(diǎn)發(fā)生變化?！軐W(xué)的推廣必須以科學(xué)成果為基礎(chǔ)?？墒钦軐W(xué)一經(jīng)建立并廣泛地被人們接受以后,它們又常常促使科學(xué)思想的進(jìn)一步發(fā)展,指示科學(xué)如何從許多可能的道路中選擇一條路”。②愛因斯坦、英費(fèi)爾德:《物理學(xué)的進(jìn)化》,上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1962年版,第39頁?？茖W(xué)與哲學(xué)相互作用,科學(xué)在哲學(xué)的規(guī)范方式之中,同時(shí)又可以確認(rèn)或否認(rèn)哲學(xué)體系,任何一種科學(xué)都包含著普遍理性的原理,這些原理背后都滲透著某種哲學(xué)觀念,體現(xiàn)著某種哲學(xué)思維?；诖?我們以馬克思主義哲學(xué)原理中的自然辯證法為依托,像棱鏡一樣從辯證唯物主義自然觀、科學(xué)技術(shù)的認(rèn)識(shí)論與方法論、科學(xué)技術(shù)觀三個(gè)方面審視能量大概念背后的哲學(xué)觀念,如圖3所示。

(一)辯證唯物主義自然觀中的能量

辯證唯物主義自然觀是對自然界的辯證法的研究,旨在說明與探討自然界的存在方式、演化發(fā)展等關(guān)系。一直以來,形而上學(xué)者認(rèn)為宇宙之間各種不同的事物都是彼此孤立、毫不相關(guān)的,唯心主義自然觀認(rèn)為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)可以隨意創(chuàng)造和消滅。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的揭示給予其沉重的打擊,用科學(xué)成果證明了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀性,即物質(zhì)運(yùn)動(dòng)既不能創(chuàng)造也不能消滅,也表明了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式是多樣性的又是統(tǒng)一的,原來被認(rèn)為自然界中孤立的運(yùn)動(dòng)形式可以在一定條件下相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化,構(gòu)成了整個(gè)自然界運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一過程,例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱、光等都是可以相互轉(zhuǎn)化的。①吳延涪:《恩格斯論能量守恒與轉(zhuǎn)化定律及其哲學(xué)意義》,《教學(xué)與研究》1962年第3期。正如列寧所說,“辯證唯物主義堅(jiān)持任何關(guān)于物質(zhì)構(gòu)造及其特性的科學(xué)命題的近似的、相對的性質(zhì),堅(jiān)持自然界中沒有絕對的界限,堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)之從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種從我們的觀點(diǎn)看來仿佛是與它不可調(diào)和的狀態(tài)、諸如此類”。②列寧:《唯物主義與經(jīng)驗(yàn)批判主義》,人民出版社1956年版,第266頁。

圖3 能量大概念哲學(xué)系統(tǒng)

(二)科學(xué)技術(shù)的認(rèn)識(shí)論與方法論中的能量

科學(xué)技術(shù)的認(rèn)識(shí)論與方法論是科學(xué)技術(shù)研究中所使用的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐方法的哲學(xué)概括,是人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的一般方法的理論。認(rèn)識(shí)能量是一個(gè)漫長而又復(fù)雜的過程,是人類在生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對自然界長期認(rèn)識(shí)的結(jié)果。能量概念起源于對力學(xué)的研究,伽利略于1638年在討論自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)為在重力場中考察物體的機(jī)械能提供了鋪墊,萊布尼茨于1686年在對動(dòng)量的研究中提出了“活力”概念及“活力”守恒原理,并與笛卡爾進(jìn)行了一場有關(guān)“活力”的曠日持久的世界性論戰(zhàn),隨后,托馬斯·楊于1801年在一次演講中使用“能”代替了“活力”,湯姆遜于1853年提出了現(xiàn)代意義上的能量概念。③許定安、史新奎:《能》,科學(xué)出版社1956年版,第266頁。在對能量進(jìn)行認(rèn)識(shí)的過程中,能量概念的提出是科學(xué)抽象的過程,認(rèn)識(shí)從感性階段過渡到理性階段,從基本概念反映到本質(zhì)屬性,從個(gè)別經(jīng)驗(yàn)發(fā)展到普遍原理,最終形成對于能量的全面認(rèn)識(shí)。

(三)科學(xué)技術(shù)觀中的能量

科學(xué)技術(shù)觀是對科學(xué)技術(shù)本質(zhì)及其發(fā)展規(guī)律的總體看法,是從哲學(xué)高度審視科學(xué)技術(shù)系統(tǒng)自身及其與社會(huì)系統(tǒng)等之間的關(guān)系?？茖W(xué)技術(shù)具有生產(chǎn)力功能,科學(xué)技術(shù)革命影響著人類發(fā)展及未來走向,同時(shí)也受經(jīng)濟(jì)、政治、文化、教育等因素的影響。能量是人類賴以生存的基礎(chǔ),是推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基石,在工業(yè)革命時(shí)期,蒸汽機(jī)的發(fā)明,石油、煤炭等能量的大規(guī)模使用迅速促進(jìn)了人類社會(huì)的極大發(fā)展,但隨之引發(fā)的環(huán)境污染以及能量不可逆性特征使人們開始降低不可再生能源的使用,轉(zhuǎn)而研發(fā)清潔能源技術(shù)。1973年、1979年和1990年三次石油危機(jī)的爆發(fā)給予人類深痛的認(rèn)識(shí),僅是關(guān)注科學(xué)進(jìn)步、忽略社會(huì)影響是萬萬不可的,推進(jìn)全民能量教育、增強(qiáng)公民能量責(zé)任意識(shí)勢在必行。

五、科學(xué)教育中能量大概念的課程系統(tǒng)分析

圖4 能量大概念課程系統(tǒng)

傳統(tǒng)的課程與教學(xué)通常花費(fèi)大量時(shí)間教授給學(xué)生不連貫的事實(shí)、術(shù)語以及公式等細(xì)節(jié)內(nèi)容,錯(cuò)過了重要的概念,然而這些細(xì)節(jié)很快就被遺忘或者可能不需要知道,不少學(xué)生在離開學(xué)校之后仍然不了解一些基本的概念。我們很多人都學(xué)習(xí)了這些具體細(xì)節(jié),但卻錯(cuò)過了最主要的信息——大概念。能量大概念代表了科學(xué)教育中能量本質(zhì),具有超越課堂的可持續(xù)價(jià)值,圍繞能量大概念進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)能夠使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加深入貫通,幫助學(xué)生形成能量觀念,讓學(xué)生像專家一樣看待和思考能量知識(shí),便于知識(shí)的提取和遷移,最終使學(xué)生形成帶得走的能力,而不是背不動(dòng)的書包。

(一)能量大概念的課程價(jià)值

能量大概念可以幫助學(xué)生綜合地理解能量內(nèi)容,可以作為課程單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。依據(jù)能量大概念設(shè)計(jì)的課程與學(xué)生逐一學(xué)習(xí)的小概念形成一定的相關(guān)性,同時(shí)能夠從整體上把握能量課程結(jié)構(gòu)。比爾和古斯(Bill&Goos)在研究澳大利亞數(shù)學(xué)課程時(shí)指出,雖然知識(shí)內(nèi)容按照傳統(tǒng)課程安排在教學(xué)大綱中是非常方便的,但不適用于處理經(jīng)常需要運(yùn)用跨學(xué)科方法的現(xiàn)實(shí)世界,使用大概念進(jìn)行概念聯(lián)結(jié)是有效解決問題的關(guān)鍵。①Atweh B,Goos M.“The Australian Mathematics Curriculum:A Move Forward or Back to the Future?”Australian Journal of Education,vol.55,no.3,2011,pp.214-228.沃克(Wlker.S)參與美國五年實(shí)驗(yàn)計(jì)劃“透過藝術(shù)改造教育”(Transforming Education Through the Arts Challenge)的研究中深刻體會(huì)到大概念在課程設(shè)計(jì)中的重要角色,并提出了圍繞大概念進(jìn)行課程建構(gòu)的要領(lǐng)和基本步驟;②Walker R S.“Designing Art Curriculum with Big Ideas,”Journal of Arts Education,vol.2,no.139,2004,pp.52-55.韓國天主教大學(xué)的邦(Bang,D)則利用知識(shí)金字塔整合大概念的內(nèi)容進(jìn)行STEM課程單元設(shè)計(jì)。

能量大概念為學(xué)生提供了一個(gè)組織信息的藍(lán)圖,減少了必須記住的能量內(nèi)容數(shù)量,強(qiáng)化了學(xué)生的遷移能力。希伯特(Hiebert)指出,如果學(xué)生能夠了解所學(xué)的內(nèi)容同已知的其他內(nèi)容的關(guān)聯(lián),學(xué)生就能很好地理解,并且這種關(guān)聯(lián)的數(shù)量和強(qiáng)度越大,學(xué)生理解得越透徹。③Hiebert J.&Carpenter T P.“Learning and Teaching with Understanding”.In Handbook of Research on Mathematics Teaching and Learning,Edited by Douglas A.Grouws.New York:Macmillan.1992,pp.65-97.學(xué)生依據(jù)能量大概念可以有序組織其在學(xué)習(xí)期間遇到的能量事實(shí)、概念、過程和方法,建立學(xué)習(xí)單元之間以及與其他學(xué)習(xí)領(lǐng)域的聯(lián)系,使學(xué)生感覺到自己所做的一切都與能量大概念這個(gè)中心有關(guān)。能量大概念為教師提供了一個(gè)有效的方式來組織教學(xué)單元的內(nèi)容。教師圍繞能量大概念組織教學(xué)時(shí),可以更容易地從必要的內(nèi)容中分離出不必要的細(xì)節(jié),選擇合適有趣的活動(dòng),并將其組織成一個(gè)整體。美國數(shù)學(xué)教師理事會(huì)(NCTM)在其支持“共同核心國家標(biāo)準(zhǔn)”的學(xué)校數(shù)學(xué)原則和標(biāo)準(zhǔn)中指出,教師需要了解數(shù)學(xué)的大概念,能夠?qū)?shù)學(xué)視為一個(gè)連貫的整體。④National Council of Teachers of Mathematics.Principles and standards for school mathematics.Reston,VA:NCTM.2000,p.17.

(二)圍繞能量大概念進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的原則

設(shè)計(jì)圍繞能量大概念的課程架構(gòu)沒有一蹴而就的方法,也沒有固定不變的法則,中心都是為了學(xué)生的全面發(fā)展,在具體實(shí)踐操作中,不必拘泥于任何一種,而應(yīng)根據(jù)具體問題進(jìn)行適宜調(diào)整,但是在具體落實(shí)過程中,應(yīng)注意以下三點(diǎn)原則。

一是要重視觀念培養(yǎng),創(chuàng)設(shè)思維情境。觀念是對現(xiàn)象的整體認(rèn)識(shí),是對于現(xiàn)象本體的、方法的以及價(jià)值的綜觀。學(xué)生在離開學(xué)校之后可能不從事相關(guān)行業(yè),其所獲得的具體知識(shí)是十分容易遺忘的,而其所形成的觀念則不然,學(xué)生仍然能夠針對復(fù)雜的問題聯(lián)結(jié)相關(guān)零散的知識(shí),即使無法準(zhǔn)確回憶起具體的內(nèi)容,但是能夠根據(jù)線索正確找到解決途徑。關(guān)照學(xué)生觀念培養(yǎng)的能量大概念課程設(shè)計(jì)應(yīng)充分挖掘?qū)W生思維潛力,通過創(chuàng)設(shè)思維發(fā)展情境,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維。課程設(shè)計(jì)如若讓學(xué)生產(chǎn)生思維活動(dòng),就要?jiǎng)?chuàng)設(shè)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)情境,讓學(xué)生的思維從情境中來,到情境中去,將可疑的、矛盾的、失調(diào)的情境變?yōu)榍宄?、調(diào)理的、和諧的情境,真正的思維活動(dòng)也就發(fā)生了,而這個(gè)過程以認(rèn)識(shí)到新的價(jià)值、建立起新的觀念而告終。

二是要重視問題引領(lǐng),激發(fā)探究興趣。波普爾認(rèn)為,“知識(shí)的增長永遠(yuǎn)始于問題,終于問題——越來越深化的問題,愈來愈能啟發(fā)大量新問題的問題”。⑤波普爾:《猜想與反駁——科學(xué)知識(shí)的增長》,傅季重譯,上海譯文出版社2001年版,第318頁。學(xué)習(xí)的過程本質(zhì)上是解決問題的過程,同時(shí)也是學(xué)習(xí)如何解決問題的過程。無論是教師提出問題還是學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,問題都是促使學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)程發(fā)生和發(fā)展的不竭動(dòng)力。問題具有啟發(fā)性,學(xué)生能夠在解決問題的過程中不斷理解知識(shí)的本質(zhì),明確思考的邏輯;問題還具有導(dǎo)向性,問題可以引導(dǎo)學(xué)生有目的地組織有效的方法策略,利于其建構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的聯(lián)結(jié)。能量大概念本身具有抽象性及模糊性,學(xué)生不能簡單地通過被講授灌輸而習(xí)得,而是要通過問題探究獲得新知。因而,在課程設(shè)計(jì)中,注重激發(fā)學(xué)生的探究興趣,引導(dǎo)學(xué)生在不斷地求索與修正中完成對大概念的組織建構(gòu)。

三是要重視持續(xù)影響,提供遷移機(jī)會(huì)。學(xué)生在接受學(xué)校教育后所獲得的帶得走的能力貫穿學(xué)生的一生,為學(xué)生的幸福奠定基礎(chǔ),具有動(dòng)態(tài)性長效的特點(diǎn)。學(xué)生帶得走的能力并不是完整無缺的能力,而是逐步發(fā)展的能力;不是短暫瞬間的能力,而是持續(xù)有效的能力。這種長效性能夠保證學(xué)生在后續(xù)發(fā)展中獲得穩(wěn)定的幫助,關(guān)注能力在學(xué)生發(fā)展歷史過程中的重要角色。立足學(xué)習(xí)持續(xù)影響的能量大概念課程設(shè)計(jì)應(yīng)意識(shí)到能量大概念的習(xí)得是一個(gè)緩慢的過程,提供給學(xué)生從課堂內(nèi)走向課堂外、從學(xué)校內(nèi)走向?qū)W校外的遷移機(jī)會(huì)是非常有幫助的。這種遷移不僅僅包括舉一反三并具有特定知識(shí)與技能指向的特殊遷移,同時(shí)包括原理和態(tài)度的遷移,也就是學(xué)科觀念的遷移,這種遷移帶有持續(xù)性和適應(yīng)性,是對新問題的審視和改造,學(xué)生在這種遷移交互中逐漸習(xí)得能量大概念。

(三)圍繞能量大概念進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的途徑

眾所周知,課程理念落實(shí)向來是課程改革的重點(diǎn)也是難點(diǎn),這主要是因?yàn)檎n程理念在落實(shí)過程中存在著不同程度的曲解和落差。圍繞能量大概念進(jìn)行課程設(shè)計(jì)同樣是對國家課程標(biāo)準(zhǔn)核心思想的深度落實(shí),其難度可想而知。逐漸興起的課程轉(zhuǎn)化理論(curriculum transformation)及追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)(understanding by design)能夠在宏觀模式上給予方向性的把握,同時(shí)在微觀實(shí)踐中給予方法性的指導(dǎo)。

課程轉(zhuǎn)化是當(dāng)前國際范圍內(nèi)課程改革研究的熱點(diǎn)內(nèi)容,課程改革中的課程轉(zhuǎn)化指向的是課程改革理想在各個(gè)課程決定層級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)施的承轉(zhuǎn)過程、異同變化與落實(shí)程度。在課程轉(zhuǎn)化過程中,正式課程會(huì)被刪減、排除、扭曲、遺失、疏忽、誤解,也有可能增加、加廣、加深,使得教師運(yùn)作的課程及學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的課程,偏離正式課程,或與正式課程大相徑庭,因此,關(guān)注各層級(jí)課程轉(zhuǎn)化的一致性,才能有效完成課程改革使命。①黃政杰:《課程轉(zhuǎn)化整合探究之概念架構(gòu)研析》,《課程與教學(xué)季刊》2013年第6期。班克斯(James A.Banks)從多元文化教育的視角提出了四種課程轉(zhuǎn)化策略,分別是貢獻(xiàn)取向、附加取向、轉(zhuǎn)化取向與社會(huì)行動(dòng)取向,簡明扼要,影響深遠(yuǎn),為能量大概念融入課程提供了整體思路上的導(dǎo)引。②Banks J.A.“Approach to Multicultural Curriculum Reform,”In:Banks J.A.and Banks C.M.,Eds.,Multicultural Education:Issues and Perspectives,2nd Edition,Allyn&Bacon,Boston,1993,pp.195-214.能量大概念是一個(gè)立體的概念,包含知識(shí)、技能、態(tài)度、觀念等多個(gè)層面的內(nèi)容,不同層面的內(nèi)容在選擇課程轉(zhuǎn)化策略時(shí)有所側(cè)重,但是這四種課程轉(zhuǎn)化策略并不是嚴(yán)格區(qū)分的,而是相互融合的,共同為能量大概念在課程中的滲透發(fā)揮作用。

追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)簡稱為UbD模式,強(qiáng)調(diào)通過教學(xué)設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生的深層次理解,進(jìn)而提升學(xué)生的理解能力,重點(diǎn)聚焦什么是理解以及如何促進(jìn)理解兩方面內(nèi)容,從預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果出發(fā)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的安排,因而也被稱為逆向性設(shè)計(jì)(backward design)。UbD模式將什么是理解劃分為六個(gè)維度,即解釋、釋義、應(yīng)用、洞察、移情與自知,六個(gè)維度從認(rèn)識(shí)世界到認(rèn)識(shí)自己逐級(jí)上升。在如何促進(jìn)理解方面,UbD模式主張課程內(nèi)容選擇的層級(jí)性、問題引導(dǎo)作用的關(guān)鍵性與探究發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)的多向性。③嵇丹丹:《基于促進(jìn)理解模式的“長方體和正方體表面積”教學(xué)設(shè)計(jì)研究》,揚(yáng)州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2017年。事實(shí)上,UbD模式十分重視學(xué)習(xí)內(nèi)容的概念結(jié)構(gòu),鼓勵(lì)學(xué)生在大概念上深入持久透徹地理解,有效地融合并且順利地遷移,注重圍繞大概念進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的安排、評(píng)價(jià)任務(wù)的設(shè)計(jì)等等,這為能量大概念教學(xué)設(shè)計(jì)提供了完整的設(shè)計(jì)構(gòu)架。