基于科學(xué)大概念教學(xué)發(fā)展科學(xué)教育

◇沈 舒 柏 毅（東南大學(xué)兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東南大學(xué)兒童發(fā)展與教育研究所）

科學(xué)教育作為科學(xué)發(fā)展的基石，在數(shù)百年間經(jīng)歷了多次變革，為人類社會(huì)培養(yǎng)了科技人才、普及了科學(xué)知識(shí)，極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新。當(dāng)前，為了滿足新時(shí)代對(duì)高新科技人才的需求、順應(yīng)學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展規(guī)律，從事科學(xué)教育的工作者需要在政策指引下，不斷探索更為公平、更有質(zhì)量的科學(xué)教育，推進(jìn)科學(xué)教育改革的全面落地。本文通過明確科學(xué)概念與科學(xué)大概念的基本內(nèi)涵，進(jìn)一步探討了科學(xué)概念形成的神經(jīng)機(jī)制與科學(xué)大概念教學(xué)的關(guān)系，并結(jié)合我國(guó)科學(xué)教育的現(xiàn)狀，提出基于科學(xué)大概念教學(xué)的相關(guān)建議。

一、科學(xué)概念與科學(xué)大概念

（一）科學(xué)概念

前人從教育學(xué)、哲學(xué)和教育心理學(xué)等多個(gè)角度對(duì)科學(xué)概念做出闡述，本文主要從科學(xué)教學(xué)的角度，把握科學(xué)概念。《科學(xué)概念教學(xué)中思維能力的培養(yǎng)》一文指出，科學(xué)概念是人們通過觀察、實(shí)驗(yàn)和思考,在大腦中形成的對(duì)客觀科學(xué)事物的抽象反映，主要體現(xiàn)在事物的共同屬性和本質(zhì)特征上，是形成科學(xué)學(xué)科結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。韋鈺院士基于兒童學(xué)習(xí)發(fā)展的研究指出，學(xué)習(xí)者在進(jìn)入科學(xué)課堂時(shí)，往往會(huì)帶有自身形成的概念，科學(xué)教育以此為教學(xué)起點(diǎn)，幫助學(xué)習(xí)者建立起的科學(xué)概念應(yīng)當(dāng)是有組織的、系統(tǒng)的和有層次的科學(xué)知識(shí)。在表述上，科學(xué)概念可以是日常習(xí)慣使用的自然語(yǔ)言，也可以是科學(xué)家運(yùn)用其特定的語(yǔ)言規(guī)則形成的較為復(fù)雜的表達(dá)。此外，韋鈺院士還強(qiáng)調(diào)，科學(xué)概念并不是一成不變的，而是隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷變動(dòng)和調(diào)整的。

（二）大概念

大概念又稱大觀念。在教育領(lǐng)域，這一概念最早可追溯到布魯納的研究。該研究表明，教師在教育過程中能夠幫助學(xué)生理解所學(xué)學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)聯(lián)學(xué)過的知識(shí)，從而解決課堂內(nèi)外遇到的各類問題，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移。后繼的學(xué)者從不同角度對(duì)大概念的內(nèi)涵進(jìn)行挖掘。從課程內(nèi)容的角度，格蘭特·格雷迪(Grart&Gradvell)認(rèn)為，大概念是一個(gè)問題或概括，用來(lái)幫助教師思考和決定教的具體內(nèi)容；埃里克森(HL Ericlson)基于同樣的角度，認(rèn)為大概念是學(xué)科中的核心概念，是人們?cè)谑聦?shí)基礎(chǔ)上，抽象出來(lái)的可遷移的深層次概念。目前，哈倫(Harlen)從科學(xué)教育角度出發(fā)，提出的14 項(xiàng)科學(xué)教育的大概念為目前科學(xué)教育領(lǐng)域普遍認(rèn)可并不斷推廣應(yīng)用。就目前研究成果而言，大概念以學(xué)科的結(jié)構(gòu)和方法作為理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，以客觀事物為現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，通過解釋和預(yù)測(cè)較大范圍內(nèi)事物和現(xiàn)象，幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)和理解世界少數(shù)的、可遷移的核心概念，涵蓋基本知識(shí)與基本技能。

（三）科學(xué)大概念

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于科學(xué)大概念的研究論述往往圍繞對(duì)科學(xué)觀念的認(rèn)識(shí)而展開，通常認(rèn)為，科學(xué)大概念的學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念。韋鈺院士指出，科學(xué)大概念是科學(xué)領(lǐng)域中有一定組織結(jié)構(gòu)、相互聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型。有關(guān)科學(xué)大概念內(nèi)容的研究更多集中在國(guó)外，《科學(xué)教育的原則和大概念》較為翔實(shí)全面地闡述了科學(xué)大概念，指出科學(xué)教育的目標(biāo)是幫助學(xué)生不斷趨向掌握核心概念的過程，這些核心概念即科學(xué)大概念。其有大有小，不同程度的概念可以進(jìn)行連接，較小的概念可以連接成中等或較大的概念，進(jìn)而連接成更大的概念。基于國(guó)內(nèi)外科學(xué)教育對(duì)大概念的解讀，科學(xué)大概念是科學(xué)領(lǐng)域中有組織、有結(jié)構(gòu)的幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)世界和理解世界的核心概念，是科學(xué)教育各個(gè)階段的指南。

（四）科學(xué)概念與科學(xué)大概念的區(qū)別與聯(lián)系

科學(xué)大概念與科學(xué)概念既有區(qū)別又有聯(lián)系?？茖W(xué)概念一般由科學(xué)共同體實(shí)證研究后進(jìn)行界定，便于記錄科學(xué)成果、傳播科學(xué)概念與交流分享，一般包括科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)定律和科學(xué)理論成果。而科學(xué)大概念是建立在具體科學(xué)概念基礎(chǔ)上的，是高度抽象和概括的，是對(duì)領(lǐng)域內(nèi)一般性科學(xué)概念的概括性認(rèn)識(shí)，屬于上位概念。相較于科學(xué)概念，科學(xué)大概念帶有一定的模糊性，是概念之間聯(lián)通的背景?？茖W(xué)概念連接起來(lái)的過程可以一直發(fā)展成跨學(xué)科的科學(xué)大概念。

二、科學(xué)概念形成的機(jī)制

目前，科學(xué)概念形成和發(fā)展機(jī)制的研究，對(duì)科學(xué)教育的發(fā)展具有引領(lǐng)作用。其中鄧巴博士（Dunbar）圍繞物理領(lǐng)域的核心概念自由落體運(yùn)動(dòng)問題，使用功能核磁共振腦成像儀，進(jìn)行了一項(xiàng)腦科學(xué)研究。假設(shè)不存在摩擦力，要求被試判斷電腦上呈現(xiàn)的不同物體自由下落的速度情況。A 為兩個(gè)同樣的小球，B 為兩個(gè)大小不同的球,在有限時(shí)間內(nèi)判斷小球下落的速度是否一樣。選擇的兩組被試分別是物理系大學(xué)生和未接受過大學(xué)物理教育的成年人，在被試做出判斷的同時(shí)，對(duì)其腦部進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。從該實(shí)驗(yàn)可以了解到：當(dāng)學(xué)習(xí)者原本持有的概念與現(xiàn)實(shí)情況一致時(shí)，學(xué)習(xí)發(fā)生；不一致時(shí)，大腦會(huì)抑制信息的接受，學(xué)習(xí)無(wú)法有效發(fā)生，這便是學(xué)習(xí)困難的原因。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究者發(fā)現(xiàn)被試內(nèi)側(cè)前額皮層被激活，表示被試已有的概念被表現(xiàn)。其中物理系的學(xué)生看到錯(cuò)誤圖像，該皮層也是被激活的，只是會(huì)抑制原有的概念。該實(shí)驗(yàn)表明，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新的科學(xué)概念的過程中，腦中會(huì)經(jīng)歷相應(yīng)的生物過程。其中存在的抑制機(jī)制會(huì)造成其接受正確的新概念困難。學(xué)習(xí)者原先具有的錯(cuò)誤的前概念不會(huì)消失，而是被抑制了。

從科學(xué)概念的形成以及前概念的影響來(lái)看，在學(xué)習(xí)者形成或鞏固錯(cuò)誤概念之前，應(yīng)盡早開展正確高效的科學(xué)概念教育，以幫助他們建立正確的科學(xué)概念。

三、科學(xué)大概念教學(xué)

（一）背景

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，信息量迅猛增長(zhǎng)，學(xué)生不能再靠學(xué)習(xí)無(wú)窮無(wú)盡的知識(shí)來(lái)獲得具體的學(xué)科知識(shí)。為了讓科學(xué)教育適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和需要，哈倫等人提出了大概念教育理念。這一教育理念從教學(xué)方法、課程內(nèi)容以及課程評(píng)測(cè)三個(gè)維度展開，希望通過科學(xué)大概念的教學(xué)，幫助學(xué)習(xí)者了解和認(rèn)識(shí)周圍的世界，并對(duì)問題建立聯(lián)系和框架模型，使其在面對(duì)新的問題時(shí)，有能力找到解決的方案。

（二）科學(xué)大概念教學(xué)的必要性

科學(xué)大概念的教學(xué)是圍繞科學(xué)領(lǐng)域中的科學(xué)概念、知識(shí)和模型進(jìn)行的，現(xiàn)代化的科學(xué)教育不僅僅要為學(xué)習(xí)者提供具體的學(xué)科知識(shí)，更需要利用科學(xué)大概念的獨(dú)特性幫助學(xué)習(xí)者探究問題的根源、現(xiàn)象的本質(zhì)以及事物發(fā)展的規(guī)律，從而培養(yǎng)其探究科學(xué)本質(zhì)的精神和科學(xué)核心素養(yǎng)。神經(jīng)科學(xué)對(duì)認(rèn)知的研究發(fā)現(xiàn)，相互聯(lián)系的概念，較之沒有聯(lián)系的概念，在遇到新情況時(shí)更容易被運(yùn)用。因此，科學(xué)大概念的教學(xué)可以在學(xué)習(xí)者形成錯(cuò)誤概念之前，幫助其建立正確的科學(xué)概念，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)遷移能力，并且，科學(xué)大概念與日常的生活密切相關(guān)，不僅是學(xué)生探究?jī)?nèi)容的來(lái)源，更是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的線索，可以有效幫助學(xué)生搭建概念與現(xiàn)實(shí)的橋梁。因此，基于科學(xué)大概念教學(xué)開展科學(xué)教育，對(duì)于教育改革和學(xué)生日后的發(fā)展都是大有裨益的。

（三）科學(xué)大概念教學(xué)的可能性

通過調(diào)研了解到：首先，教師由于既定的教學(xué)目標(biāo)和工作量，傾向于按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式展開教學(xué)；其次，在面對(duì)新的教學(xué)理念和模式的時(shí)候，往往會(huì)有抗拒的心理，如不愿意跳出舒適區(qū)，不愿意承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)等；最后，由于所在學(xué)校和課題組對(duì)于新科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的解讀能力有限，教師對(duì)于教學(xué)改革的宏觀把握與微觀實(shí)踐能力更是式微。因此，外部推動(dòng)力不足加上內(nèi)部主觀能動(dòng)性弱，極大地限制了教學(xué)改革的推進(jìn)力度，這也使得開展科學(xué)大概念教學(xué)的可能性降低。

但是，專家培訓(xùn)以及研究人員參與到一線課堂，協(xié)助教師開發(fā)科學(xué)大概念教學(xué)活動(dòng)后，得到的反饋是教師開始慢慢意識(shí)到這一新型教學(xué)理念的價(jià)值。在外界的幫助下，教師在自身不斷學(xué)習(xí)和反思后，原本的抵觸和質(zhì)疑心理在看到一定教學(xué)成果后有所消解，并且能夠在實(shí)踐教學(xué)后，自主把握這一教學(xué)的核心思想，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)有了創(chuàng)新意識(shí)，能夠基于科學(xué)大概念開發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容?？梢?，基于科學(xué)大概念教學(xué)開展科學(xué)教育是有現(xiàn)實(shí)可能性的，可以通過外部的培訓(xùn)以及解讀政策方法，幫助教育工作者更有效地接納、理解，并應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中。

四、建議

當(dāng)前我國(guó)科學(xué)教育正處在國(guó)際科學(xué)教育改革的大浪潮中，基于前文對(duì)科學(xué)大概念教學(xué)必要性和可能性的分析，這一教學(xué)理念能有效推動(dòng)我國(guó)科學(xué)教育改革的穩(wěn)健發(fā)展，滿足高素質(zhì)復(fù)合型人才的需求。而在實(shí)際科學(xué)大概念教學(xué)的開展過程中，從理念到課程轉(zhuǎn)化到教學(xué)落實(shí)都可能會(huì)出現(xiàn)問題。在此，圍繞科學(xué)大概念教學(xué)開展的前期準(zhǔn)備和教學(xué)落實(shí)，有以下建議供教育工作者參考。

（一）提高教育工作者開展科學(xué)大概念教學(xué)的能力

目前，科學(xué)大概念教學(xué)的發(fā)展尚處于起步階段，科學(xué)大概念的抽象程度遠(yuǎn)超過義務(wù)教育階段學(xué)生所能掌握的水平，教育工作者若是將大概念直接教給學(xué)生，可能會(huì)造成死記硬背的現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)踐科學(xué)大概念教學(xué)的全新理念。這就需要教育工作者擺脫“教師教，學(xué)生學(xué)”的固化思維，在教學(xué)中深入把握科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)，并能把握生活情境與科學(xué)問題、方法等之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科跨領(lǐng)域的教學(xué)。在此，建議從哈倫提出的學(xué)生學(xué)習(xí)的教材內(nèi)容、教學(xué)法和評(píng)測(cè)三個(gè)關(guān)鍵要素入手，發(fā)展教學(xué)能力。

首先，建議教師結(jié)合教材和現(xiàn)實(shí)世界選取某真實(shí)場(chǎng)景的簡(jiǎn)化版本作為科學(xué)教學(xué)內(nèi)容，便于在課堂或者實(shí)驗(yàn)室里控制或測(cè)量變量；其次，教師要知道課程的目的和活動(dòng)如何與大概念相聯(lián)系，知道發(fā)展大概念的相繼步驟；最后，在教學(xué)過程中幫助學(xué)習(xí)者建立起不同事件或現(xiàn)象與概念之間的關(guān)聯(lián)。建議教師根據(jù)學(xué)習(xí)者不同階段的特征，應(yīng)用不同的教學(xué)法，引入適當(dāng)水平的科學(xué)概念，作為學(xué)生使用的腳手架，開展探究式的科學(xué)教育。此外，學(xué)校在科學(xué)教育工作者開展科學(xué)大概念教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)合理配置人力和物力資源，為工作者提供社會(huì)資源支持、學(xué)科專業(yè)培訓(xùn)和專家指導(dǎo)的機(jī)會(huì)。

（二）圍繞科學(xué)大概念教學(xué)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)

目前，科學(xué)教育工作者對(duì)于大概念在核心素養(yǎng)以及學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)、作用、機(jī)制的理解，往往停留在落實(shí)核心素養(yǎng)或者學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)研讀層面，對(duì)如何在教學(xué)目標(biāo)中進(jìn)行大概念的轉(zhuǎn)化仍處于迷茫狀態(tài)。教師的教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)化能力需要進(jìn)一步提升。此外，教師一般會(huì)先從教學(xué)目標(biāo)著手教學(xué)設(shè)計(jì)，而這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)往往由于教學(xué)慣性，只關(guān)注到科學(xué)大概念中提到的某些條目性要求，如學(xué)生的表述是否合理、是否符合自己的預(yù)期等，缺乏系統(tǒng)全面的教學(xué)策略整合。這可能會(huì)造成科學(xué)大概念的意圖扭曲，不利于后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與安排。

在新課程標(biāo)準(zhǔn)已頒布的背景下，科學(xué)教育工作者需要參與到大概念的學(xué)習(xí)與構(gòu)建進(jìn)程中去，圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行課程的設(shè)計(jì)與改編，通過教材與教參，把握科學(xué)大概念教學(xué)的理念，在深入理解科學(xué)大概念的內(nèi)涵和外延后，將自身的思考以及與同仁的合作交流成果融入教學(xué)設(shè)計(jì)，不斷加深對(duì)大概念教學(xué)的理解，從而提高自身教學(xué)能力。

（三）落實(shí)科學(xué)大概念教學(xué)的課程轉(zhuǎn)化

當(dāng)前，我國(guó)基于科學(xué)大概念的教學(xué)尚在起步階段，但是科學(xué)大概念教學(xué)為科學(xué)教育提供了全新的思路和方法，這是對(duì)傳統(tǒng)科學(xué)教育的全面發(fā)展和超越。未來(lái)隨著神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，會(huì)有更多的神經(jīng)機(jī)制與科學(xué)教育相結(jié)合，這必將為我國(guó)科學(xué)教育帶來(lái)更大的推動(dòng)和發(fā)展。