例說基于大概念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)

萬嵩海

一、科學(xué)大概念及其三個(gè)層次

科學(xué)大概念，就諸如“一片完整的葉具有共同的構(gòu)造，包括葉片和葉柄兩部分”等反映自然界特定事件和事實(shí)的具體科學(xué)概念而言，是在具體科學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成的對科學(xué)事實(shí)和科學(xué)事業(yè)更為宏觀而概括性的認(rèn)識和觀念。

2009年10月，來自歐亞拉美七國的學(xué)者齊聚蘇格蘭羅蒙湖畔，共商國際科學(xué)教育的改革大計(jì)，他們對科學(xué)大概念做了如此解釋—將能夠用于解釋和預(yù)測較大范圍自然界現(xiàn)象的概念定義為大概念，并認(rèn)為大概念不但包括生物、物理、化學(xué)等不同科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中具有核心意義的學(xué)科專屬的核心概念，還包括數(shù)量較少的更為抽象的、跨學(xué)科的上位概念。這些上位概念可以分為兩類：一類是關(guān)于我們周圍世界的，例如尺度、對稱性、因果關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能;另一類是關(guān)于方法的，即科學(xué)概念如何通過人類活動而產(chǎn)生 [1]。

2013年4月，《美國新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》正式頒布，其一大亮點(diǎn)是提出了通過圍繞科學(xué)大概念來組織科學(xué)教育內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)中小學(xué)科學(xué)教育的橫向整合，并將科學(xué)大概念分為以下三個(gè)層次：第一層次是在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中具有統(tǒng)領(lǐng)各自學(xué)科的核心概念。學(xué)科核心概念，至少要滿足以下

4個(gè)條件中的兩條，最好是都滿足：（1）在科學(xué)學(xué)科中各自具有統(tǒng)領(lǐng)性的明顯重要的概念，或是在具體學(xué)科知識中起到組織作用的關(guān)鍵概念;（2）幫助理解和研究更復(fù)雜概念和解決問題的關(guān)鍵知識;（3）與學(xué)生的興趣和生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，或與需要科學(xué)和技術(shù)知識的社會或個(gè)人問題相關(guān);（4）通過增加深度和復(fù)雜性，能在多個(gè)年級中進(jìn)行持續(xù)的教和學(xué)。

第二層次是在科學(xué)各大學(xué)科中更通用、更上位的通用概念。通用概念，就像科學(xué)學(xué)科之間的紐帶，幫助學(xué)生將不同科學(xué)領(lǐng)域中相互關(guān)聯(lián)的知識組織成連貫而條理清晰的基于科學(xué)的對客觀世界的認(rèn)識，涉及形式，因果關(guān)系，尺度、比例和數(shù)量，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型，能量和物質(zhì)，結(jié)構(gòu)和功能，穩(wěn)定與變化七大方面。

第三層次是對科學(xué)本質(zhì)的基本理解，期望學(xué)生能在以下方面得到深化：科學(xué)探究利用多種方法，科學(xué)知識基于實(shí)證證據(jù)，科學(xué)知識隨著新證據(jù)出現(xiàn)而不斷修正，科學(xué)模型、定律、原理和理論用以解釋自然現(xiàn)象，科學(xué)是認(rèn)識的一種方式，科學(xué)知識通常假設(shè)自然系統(tǒng)具有秩序性和穩(wěn)定性，科學(xué)是一種人類活動，科學(xué)致力于解決關(guān)于自然和物質(zhì)世界的問題。

由三個(gè)層次共同構(gòu)成的科學(xué)大概念，借助于適當(dāng)?shù)目茖W(xué)內(nèi)容，通過有目的的科學(xué)探究活動，可以幫助學(xué)生獲取科學(xué)知識并加以理解，將單獨(dú)的科學(xué)知識用具有普遍意義的科學(xué)大概念加以聯(lián)系。

二、基于大概念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)

1.設(shè)定一種表現(xiàn)期待

基于大概念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)，要求教師在分析教材邏輯結(jié)構(gòu)和活動內(nèi)涵以及學(xué)生學(xué)習(xí)水平和需要的基礎(chǔ)上，對學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)設(shè)定一個(gè)合適的期待。比如，“地球的運(yùn)動”單元期待學(xué)生“能借助模型來分析地球運(yùn)動中產(chǎn)生的晝夜交替現(xiàn)象和四季交替現(xiàn)象，以解釋這些自然現(xiàn)象的產(chǎn)生原因”。

為了實(shí)現(xiàn)單元學(xué)習(xí)的表現(xiàn)期待，教師應(yīng)為每節(jié)課的教學(xué)提出相應(yīng)的課時(shí)學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待，如“晝夜交替現(xiàn)象”一課期待學(xué)生“能從不同的視角開發(fā)一些可以表現(xiàn)‘地球與太陽的位置和運(yùn)動關(guān)系的模型，來初步解釋晝夜交替現(xiàn)象的成因”“‘證明地球在自轉(zhuǎn)一課期待學(xué)生能從不同的視角來分析傅科擺模型（即單擺模擬實(shí)驗(yàn)）的運(yùn)動現(xiàn)象，以解釋‘傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可能是由于地球自轉(zhuǎn)造成的……”

學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待，通常采用包含“為什么學(xué)”“學(xué)什么”“怎樣學(xué)”等簡明的陳述性語言來描述。它實(shí)際上是教師對課堂教學(xué)的價(jià)值判斷，是對學(xué)生在有限的課堂學(xué)習(xí)時(shí)間中從事怎樣的學(xué)習(xí)活動所進(jìn)行的深度思考，是包括學(xué)習(xí)目標(biāo)及其達(dá)成過程在內(nèi)的教學(xué)設(shè)計(jì)的高度濃縮。

因此，學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待有助于教師從宏觀上理解教材內(nèi)涵，把握教學(xué)深度，從而使教師明確“在有限的時(shí)間中，哪個(gè)才是最重要的”，避免產(chǎn)生舍本逐末式的教學(xué)。同時(shí)，學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待也有助于執(zhí)教者或觀課者評判學(xué)生的學(xué)習(xí)是否達(dá)成了預(yù)期要求。可見，在學(xué)習(xí)目標(biāo)和過程設(shè)計(jì)之前，給出學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待是重要的。

2.制訂一個(gè)目標(biāo)框架

基于大概念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)，要求教師關(guān)注學(xué)生對科學(xué)各領(lǐng)域中的核心概念以及橫跨學(xué)科界限的通用概念的理解，并在此基礎(chǔ)上加深對科學(xué)本質(zhì)的理解，從而對學(xué)習(xí)目標(biāo)及其達(dá)成過程進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)、宏觀調(diào)控。

教師應(yīng)圍繞所設(shè)定的學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)期待，設(shè)計(jì)一個(gè)基于大概念的學(xué)習(xí)目標(biāo)框架。與慣常的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)相比，基于大概念的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)主要是將科學(xué)概念目標(biāo)中的具體概念、核心概念、通用概念以及對科學(xué)本質(zhì)的理解加以區(qū)分，保持諸層次概念間的一致性。值得一提的是，對科學(xué)本質(zhì)的理解是一種結(jié)構(gòu)化知識，是一種內(nèi)在的科學(xué)價(jià)值觀，因此，也可將“對科學(xué)本質(zhì)的理解”納入“情感態(tài)度價(jià)值觀”目標(biāo)中。

例如，“地球的運(yùn)動”單元中的“證明地球在自轉(zhuǎn)”一課，教師可以基于通用概念中的“尺度、比例與數(shù)量”對學(xué)習(xí)目標(biāo)框架加以設(shè)計(jì)。其科學(xué)概念維度分為具體概念（知道擺具有保持?jǐn)[動方向不變的特點(diǎn)，知道傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以用地球自轉(zhuǎn)來解釋）、核心概念（不同的角度看地球的運(yùn)動變化，會產(chǎn)生不同的觀察結(jié)果;對地球運(yùn)動時(shí)所呈現(xiàn)的各種現(xiàn)象的解釋，隨著新證據(jù)的出現(xiàn)而不斷修正）、通用概念（同一種現(xiàn)象或結(jié)果，往往有不同的解釋，并受到觀察角度或尺度、人類認(rèn)識的影響）及科學(xué)本質(zhì)（人類對世界的解釋隨著新證據(jù)的出現(xiàn)而不斷修正）。將過程方法維度設(shè)計(jì)為：通過不同視角觀察火車前行獲得“不同視角觀察同一種運(yùn)動會產(chǎn)生不同的觀察結(jié)果”的概念，用模型（單擺模擬實(shí)驗(yàn)）及上述概念解釋傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的成因。并將激發(fā)研究地球運(yùn)動及其現(xiàn)象的興趣、體會證據(jù)對科學(xué)解釋的影響作為情感態(tài)度價(jià)值觀維度的教學(xué)目標(biāo)。

基于科學(xué)大概念的學(xué)習(xí)目標(biāo)框架設(shè)計(jì)中，具體概念通常會明確無誤地出現(xiàn)在教材或教學(xué)用書中，而學(xué)科的核心概念則隱含在單元的整體結(jié)構(gòu)中，成為單元教學(xué)的主要線索和隱性目標(biāo)。通用概念以及對科學(xué)本質(zhì)的理解，容易受到教師對教材內(nèi)涵的理解以及對教學(xué)的價(jià)值取向的影響。如“運(yùn)動和力”單元中的“測量力的大小”一課，有的教師比較注重引導(dǎo)學(xué)生“通過研發(fā)測力工具來測量力的大小，從而認(rèn)識測量工具的演變過程”，有的教師則注重引導(dǎo)學(xué)生“通過正確使用測力計(jì)來初步測量不同力的大小”。前一種教學(xué)抉擇所要達(dá)成的目標(biāo)是對科學(xué)本質(zhì)的理解─“人類發(fā)明和改進(jìn)測量工具以精確地獲取數(shù)據(jù)”，后一種教學(xué)抉擇所要達(dá)成的目標(biāo)是“結(jié)構(gòu)與功能”方面的通用概念─“為了實(shí)現(xiàn)某種工具的既定功能，需要正確地使用該工具的各種結(jié)構(gòu)”。

3.實(shí)施一種更佳流程

將科學(xué)大概念運(yùn)用于學(xué)生課堂學(xué)習(xí)中，可以幫助他們獲得對自然科學(xué)與工程的更科學(xué)、更基礎(chǔ)、更一致的認(rèn)識，幫助他們掌握學(xué)習(xí)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)的方法與途徑，從而提升他們的科學(xué)素養(yǎng)。因此，基于大概念的小學(xué)科學(xué)教學(xué)，要求教師根據(jù)不同的學(xué)習(xí)主題和內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和發(fā)展需要，選取并圍繞適當(dāng)?shù)目茖W(xué)大概念展開教學(xué)。同時(shí)，在教學(xué)過程中適時(shí)地通過活動環(huán)節(jié)的小結(jié)和整體教學(xué)的總結(jié)，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)大概念。

“證明地球在自轉(zhuǎn)”一課旨在引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用關(guān)鍵證據(jù)來證明地球在自轉(zhuǎn)，教師圍繞“尺度、比例與數(shù)量”的大概念可以進(jìn)行如下的教學(xué)設(shè)計(jì)。

◆從不同視角觀察火車行進(jìn)等現(xiàn)象，并加以分析。

◆通過交流，得到“汽車前進(jìn)，車廂視角─車不動，樹后移;路邊視

角─車前進(jìn)，樹不動”的事實(shí)，形成“同一種運(yùn)動可以從不同的視角來觀察，并根據(jù)不同的觀察結(jié)果提出不同的解釋”的一致認(rèn)識。

◆觀看“傅科擺”視頻資料及閱讀“傅科擺”史實(shí)資料，交流傅科擺的擺動特點(diǎn)。

◆以地面為視角來分析傅科擺的偏轉(zhuǎn)，通過交流，得到“傅科擺，地面視角─物不動，擺偏轉(zhuǎn)”的事實(shí)。

◆傅科擺的模擬實(shí)驗(yàn)，通過改變單擺底座的方向來觀察單擺在擺動方向上的特點(diǎn)，知道“擺具有保持?jǐn)[動方向不變的特點(diǎn)”。

◆從單擺的外部視角交流結(jié)果，得出“單擺，外部視角─盤轉(zhuǎn)動，擺不轉(zhuǎn)”的事實(shí)。

◆借助手機(jī)攝像功能來獲取底座視角的擺動方向偏轉(zhuǎn)的事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從單擺底座視角交流觀察結(jié)果，得出“單擺，底座視角─盤不動，擺轉(zhuǎn)動”的事實(shí)。

◆將傅科擺實(shí)驗(yàn)中的擺、地面及其觀察結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)中的擺、底盤及其觀察結(jié)果建立聯(lián)系，得到“傅科擺，外部視角─地不動，擺轉(zhuǎn)動”的解釋。

◆用地球自轉(zhuǎn)來解釋傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的成因，知道“傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以用地球自轉(zhuǎn)來解釋”，深化“同一種運(yùn)動可以從不同的視角來觀察，并做出不同的解釋”的一致認(rèn)識。

◆交流其他能夠證明地球自轉(zhuǎn)的實(shí)證案例。

若以學(xué)生視角來分析他們的學(xué)習(xí)過程，那么這一活動始終圍繞著“同一種運(yùn)動可以從不同的視角來觀察，并做出不同的解釋”這一科學(xué)大概念而不斷前進(jìn)。借助火車前行的事實(shí)得到的科學(xué)大概念容易被學(xué)生接受，然后在這一科學(xué)大概念的支持下，嘗試解釋傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因。再由單擺保持?jǐn)[動方向不變的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)他們的解釋，最終知道“傅科擺偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以用地球自轉(zhuǎn)來解釋”。這一在科學(xué)大概念引領(lǐng)下通過實(shí)證證據(jù)來支持解釋的探究活動，遠(yuǎn)比先前的學(xué)習(xí)更接近科學(xué)的本質(zhì)。

又如，“認(rèn)識幾種常見的巖石”一課旨在引導(dǎo)學(xué)生通過觀察來獲取幾種常見巖石的特征，教師可以圍繞“形式”這一大概念展開教學(xué)，讓學(xué)生觀察記錄巖石的五條特征，辨別哪條特征能將其從其他更多的巖石中區(qū)別出來，并將不同巖石的主要特征匯總，利用巖石資料表辨別巖石的種類和名稱，繼而通過討論“為什么我們所做的觀察不能將有些巖石辨別出來”，形成“獲取巖石主要特征對識別巖石的重要性”的初步認(rèn)識……

若以學(xué)生視角來分析他們的學(xué)習(xí)過程，那么這一活動始終圍繞“特征有助于將一種事物從其他事物中區(qū)別出來”這一科學(xué)大概念不斷前進(jìn)。與慣常教學(xué)中的活動任務(wù)由學(xué)習(xí)單驅(qū)動、記錄內(nèi)容源自教材、知識指向具體事實(shí)的狀況相比，學(xué)生的探究活動是由“這到底是一塊什么巖石”這一問題驅(qū)動的，循著“獲取特征→利用資料→辨別巖石→獲取特征→利用資料→辨別巖石”的過程不斷螺旋遞進(jìn)。這種在科學(xué)大概念引領(lǐng)下通過識別事物關(guān)鍵特征來了解事物存在方式的探究活動，遠(yuǎn)比先前的學(xué)習(xí)更具有開放性、指向性和內(nèi)驅(qū)力。

科學(xué)大概念是對科學(xué)事實(shí)和科學(xué)探究更為宏觀而概括性的認(rèn)識，正確理解科學(xué)大概念，掌握學(xué)科核心概念、通用概念，理解科學(xué)本質(zhì)，對科學(xué)教師進(jìn)行有效教學(xué)提供較大幫助，也能有效地指導(dǎo)教師進(jìn)行合理教學(xué)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫·哈倫編著. 韋鈺譯. 科學(xué)教育的原則和大概念[M]. 北京： 科學(xué)普及出版社， 2011：18-19.

（作者單位：浙江省杭州市拱墅區(qū)教育局教研室）

（責(zé)任編輯：孫建輝）