基于科學大概念設計場館課程

陳奕喆　嚴曉梅　王鳳英

[摘? ?要] 在加強面向青少年的科學教育背景下，構建基于大概念理論的場館課程設計框架能為落實館校結合的場館課程設計提供支持。一是目標維度，館校科學教育均可統一于理解科學大概念，即能被靈活遷移運用的學科核心知識；二是內容維度，大概念層級框架可以定位館校各自的特色，有助于充分發揮所長。本研究通過開展小學生植物園課程設計與實施，檢驗了該模式的應用。圍繞葉子的環境適應性主題，研究發現學校情境更多聚焦小概念和抽象核心概念理解，因此場館情境可以側重關聯豐富具體現象和小概念歸納。課程實施的效果研究發現，基于大概念設計的場館課程可以促進學生達成更具關聯性、抽象性、遷移性的概念理解，進而與其學校經驗相補充。為此，大概念理論可以助力我國場館充分發揮教育效能，使場館課程關注具體科學現象感知，以大概念為主線串聯各環節，整合場館資源。從而實現館校深度融合、協同發展、各展所長。

[關鍵詞]大概念? ?場館課程設計? ?館校結合? ?科學教育

[中圖分類號] N4；G459 [文獻標識碼] A [ DOI ] 10.19293/j.cnki.1673-8357.2023.04.011

基礎教育階段的科學教育關乎科技強國建設。習近平總書記指出，要在教育“雙減”中做好科學教育加法[1]。校外活動場所，如科技館、博物館、植物園等，為激發青少年好奇心、想象力、探求欲，提供了重要的機會[2-3]。《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》將“建立校內外科學教育資源有效銜接機制”[4]作為青少年科學素質提升行動的重要一環。現有研究圍繞館校結合的探索，在理念層面明確了教育學理論對場館課程理念的指導價值[5]，立足建構主義學習觀發掘場館相較學校情境在真實性、自主性和探究性上具備的諸多優勢[6-7]；在實踐維度將核心素養作為場館課程開發的方向、內容與方法遵循[8]。在此基礎上，實踐落地的挑戰得到關注，例如，場館與學校合作開展的教育項目隨意性強，難以系統融入學校教學計劃；場館活動與校內活動趨同，未充分發揮場館優勢[9]。場館課程資源建設缺乏系統化，導致校外科學教育在供需之間存在制度性脫節[10]。為此，本研究基于大概念理論，搭建了場館與校內科學教育目標統一、形式互補，進而指導課程實踐的課程模式框架，探索館校科學教育深度融合的新路徑。

1應然分析：大概念理論及其作為場館課程設計框架的潛力

英國學者溫·哈倫（Wynne Harlen）曾指出，科學教育應作為一個趨向于理解核心概念的進程[11]7，改變對碎片化知識的記憶和重復，而轉向在真實情境中遷移并解決問題。大概念理論（Big Idea）由美國學者格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰格（Jay McTighe）系統提出，從兩個維度為素養導向的科學教育提供了實現路徑，一方面，大概念指向學科中的核心概念，反映了學科的基本結構和基本思想，能強有力地解釋現象[12]35，能夠成為制定課程框架的核心觀念[13]。另一方面，大概念具備遷移價值。正如布蘭思福特（John Bransford）所強調的， “對基礎性原則和觀點的理解是培養遷移能力的主要途徑”[14]。大概念使碎片化的知識系統化、連貫化、結構化[15]，連接不同的知識片段，使學生具備應用和遷移的能力[12]20。

在落實科學核心素養中，大概念扮演著重要角色[16]， 當前已以核心概念（Core Concept）、跨領域概念（Cross-cutting Concept）等不同措辭見諸中國、美國、加拿大、澳大利亞、新加坡等國家或地方課程標準[17-18]，也為場館和學校合作、共同指向科學核心素養培育提供了實踐錨點。基于此，大概念融合場館與校內科學教育的應然性可從目標一致、形式互補和實踐構想維度進行厘清。

1.1 以大概念統一館校教育目標

大概念追求學科核心理解和遷移運用的雙重面向使其貼合校內和場館科學教育目標。對校內情境而言，《義務教育課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）以大概念統整科學教學，強調“聚焦核心概念，精選課程內容”[18]2，幫助學生達成對學習內容的深層次理解。對校外情境而言，場館教育目標與大概念理念也具備內在吻合。科學場館將知識蘊藏于實物、環境和活動中，為學生提供了重要的科學實踐和知識運用場域。總體而言，校內和場館科學教育在目標維度均將理解科學大概念作為科學核心素養培育的重要落腳點，為館校相互銜接、相互補充的課程開發創造了契機。

1.2 以大概念定位館校互補切口

大概念處于一種層級性的體系框架中，能統攝下位的小概念和具體現象。溫·哈倫等學者根據抽象程度和解釋力范圍差異區分了大概念和小概念[11]13。大概念基于小概念歸納，小概念抽象程度更弱，并隨著大概念的運用被不斷激活[17]。小概念又關聯著諸多具體現象，由此形成了“大概念—小概念—具體現象”的層級劃分。

圍繞“理解大概念”這一共同目標，校內科學課堂和校外科學場館在層級側重點上有所差異。促成更具核心性和抽象性的概念理解是校內科學教育的優勢所在。與此相對，場館教育更聚焦學生對具體現象的具身感知和小概念建構。彼得·洛克斯利（Peter Loxley）指出，非正式科學情境所能提供的場景、經歷、現象、刺激遠遠比教室更廣泛、更生動，支持有深度的概念理解[19]6。我國學者劉晟同樣強調場館中的大概念學習重在將參觀者情緒和感官體驗與具體的科學現象聯系起來[20]，通過提供情境化的科學知識，鼓勵參與式科學探索，讓學生看見學科知識與現實世界的關聯，以求得真實性的問題解決[21-22]。

1.3 以大概念指導場館課程開展

大概念為場館科學課程的內容組織提供了可遵循框架。課程標準凝聚著最精要的知識結構，是提取大概念的重要來源[23]，科學場館可對課程標準中現有學科大概念進行降維分級，抽離出表達不同維度的觀點語句，隨后尋找支撐這一觀點的學習內容[24]，進而搭建課程內容框架。大概念指導課程設計在國外場館教育實踐中已得到運用，如英國科學博物館集團（Science Museum Group）下屬的倫敦科學博物館等五大場館均將課程標準深度融入教育項目設計與實施中，以課程標準為銜接學校和場館的橋梁[25]。

基于此，本研究構建了基于大概念理論的場館課程設計框架（見圖1）。在左側設計過程維度，框架的運用“自上而下”，始于確定校內外科學教育所共同關注的科學大概念內容。隨后運用大概念層級結構作為分析館校情境特征的工具，定位館校互補切口。最后開展課程設計與實施。而課程設計產出的結果在邏輯結構上形似右側雙螺旋狀“自下而上”，場館與學校科學課程在最下位的教學內容、教育方式等維度各具特色。而這種差異的內在邏輯是館校互補的教育情境特征，兩者立足自身優勢，在大概念框架的不同層級上各有側重，并共同指向一致的教育目標，即促進學生理解科學大概念。

2實然探索：基于大概念的場館課程設計實踐

研究者以植物園課程設計與實施為例，對上述課程設計框架開展實際運用和檢驗。課程以小學生為對象，這一群體處于儲備科學知識、激發科學興趣、培育科學素質的奠基階段，也是科學場館學習的重要受眾。課程設計遵循圖1所示的3個主要步驟。 首先定位核心概念，統一培養目標。《課標》明確了“物質與能量”“系統與模型”“結構與功能”“穩定與變化”4項學科核心概念[18]16。其中“結構與功能”是生物學的基本觀點[26]，在自然界的眾多生命現象中有所體現，亦貼合植物園情境特征，因此被選定為本研究的大概念主題。隨后，研究者以上海市“空中課堂”教學錄像為校內課堂情境樣本，以大概念層級框架分析其實踐特征，關注課堂教學內容在不同層級上的分布，從而尋找場館科學教育有機互補的著力點。最后，立足場館優勢，開展課程設計。

2.1基于層級框架，分析校內科學課堂特征

本研究運用MAXQDA Analytics Pro 2020軟件，從學科核心概念、小概念和具體現象3個層級對校內科學課程的教學內容開展編碼分析。作為編碼標準，學科核心概念被界定為有組織、有結構的科學知識和模型，處于科學學科的中心位置[27]。《課標》中與“結構與功能”相關的共有4條生物學核心概念，分別為生命系統的構成層次、生物體的穩態與調節、生物與環境的相互關系、生命的延續與進化。除此之外，小概念被界定為對學科事實的抽象表達，對特定范圍的學科現象具有解釋力，而具體現象指圍繞學科主題的現象、特征和表現。

2.1.1校內課程的概念層級分布特征

對校內科學教育特征分析的樣本來源于上海市“空中課堂”平臺，該平臺是上海智慧教育平臺的重要組成部分，包含小學一線教師錄制的全學段科學課堂視頻微課，課程由上海市教育局組織本地中青年骨干教師，經過專家共同研課形成，具備一定的規范性和代表性。

根據 “結構與功能”這一大概念主題，4個年段共計21個課程視頻被納入分析，并以“年級（y）-單元（u）-課程序號（c）”作為命名代號。每個編碼單元為完整的意義片段，即從授課內容開始涉及相應的概念類型起，直到該部分內容講解完畢為止，該時間段即被記為編碼一次。編碼過程由兩名研究者獨立開展，在開始編碼前，研究者對編碼框架進行討論并達成共識，編碼完成后計算評分者一致性達88%，一致性良好。在數據分析后，研究者提取已編碼課堂視頻片段的時長在其所屬課程總時長中的占比，并采用加權平均數方式計算各概念類型在單一課程中的平均時長占比，最后按照年級匯總（見圖2）。

結果顯示，概念層級的年級分布存在差異。學科核心概念隨年級上升在課堂教學中的比重增加，在一年級課堂中占比僅有1.27%，在五年級課堂中已增長至7.33%。核心概念在課堂中以教師總結歸納為主要形式，如教師在課程最后指出，“今天我們了解了生物能夠適應環境，在不同的環境如草原和森林中，生物均具備適應環境的生理特征”（y3-u4-c1）。小概念總體占比的年級分布較為穩定，主要呈現方式是“教師提問—學生作答”，教師引導學生歸納現象之間的共同特征和規律，從而生成更具解釋力和概括力的科學理解，如“通過觀察，我們發現在自然界除了種子植物還有孢子植物，用孢子繁殖后代”（y5-u3-c1）。與此相對，具體現象的比重呈減少趨勢，一年級課堂中占比最多，達10.33%，而在二、三年級有明顯下降，五年級課堂的內容抽象程度更高，未出現具體現象。

2.1.2校內課程針對具體現象的教學方式特征

作為館校互補的切口，校內課程對“具體現象”的呈現方式得到重點關注，編碼識別了“科學觀察”“科學實驗”和“舉例”3類內容，分別占比23%、22%和55%。“科學觀察”與“科學實驗”是“探究實踐”這一《課標》核心素養的重要組成[18]7。 “科學觀察”體現為教師通過演示幫助學生掌握有目的、有順序、全面細致的觀察方法，如教師邀請學生總結“我們可以用眼睛看葉子的形狀和大小，用放大鏡觀察葉緣和葉脈，用鼻子聞葉的氣味，用手觸摸葉片表面”（y1-u4-c3）。“科學實驗”則體現為教師對實驗設計、實驗過程和方法的講解，并鼓勵學生通過實驗方式開展科學探究，如教師在課堂中播放“將一枝白色的花的莖剖開并分別插在兩杯不同顏色的水中”的實驗演示視頻，并總結“植物的莖具有傳輸水分的作用”（y2-u6-c3）。而“舉例”指課堂中以案例形式出現的事物與現象，其細節與特征往往未得到詳細介紹，僅向學生做簡單羅列，如教師以圖片形式向學生列舉了傳統漫灌、噴灌、滴灌、水培等植物灌溉培植方法（y2-u6-c2），而對不同灌溉方式中水分進入植物根系的作用機制未進行深入講解。

2.1.3校內課程特征總結與互補需求定位

從總體上看，抽象化和結構化的科學知識體系依然是校內課堂重點關注的部分。在具體現象的呈現方式和豐富程度上依然存在較大的可完善空間。有研究指出，科學大概念體系符合知識金字塔結構，自下而上分別為科學事實和現象、小概念和大概念，數量逐漸精減，內容逐步抽象，課程設計可遵循這一結構實現學習進階[28-29]。而當前學校課堂的內容分布整體呈現“上下窄，中間寬”的“棗核形”，學生對豐富科學現象的探索和體驗不夠充分，課程對核心概念的觸及也較為有限，而大量存在的是相對零散且較為抽象的小概念。追求大概念理解意味著實現具體與抽象的“協同思維”[30]，具體現象是理解大概念的重要基礎，支撐大概念具備較強可遷移性[31]40。

在課時量和教學方式制約下，“舉例”內容的大量存在即反映課堂容納科學現象的能力有限，教師不得不對科學具體現象進行壓縮以保障核心知識點的講解，在“多而淺”的現象列舉之上，由教師主導直接總結出相應的小概念。而學生探究、試錯和歸納的過程則往往不夠充分，難以使學生主動發掘現象背后的原理和機制。類似的，課堂中的“科學觀察”和“科學實驗”大都以教師示證或播放視頻的方式向學生傳授，將操作性技能轉化為記憶性知識，弱化了學生親自發現與感知科學現象的學習體驗。

而場館科學教育能為此提供有針對性的補充。科學場館等非正式科學學習環境融合了多感官刺激和豐富的現象，為學生提供了主動選擇、主動參與、具身體驗的機會[32]。從大概念的核心價值維度為學生充分感知、探索多元的科學現象創造時空條件，從而使建構科學大概念理解具備著力點；從遷移價值維度幫助學生在科學理解和日常生活經驗之間建立起聯系[33]，使抽象科學原理更具備情境性，從而容易在面對新問題時靈活調用。

2.2立足場館優勢，開展大概念課程設計

對校內科學課程的特征分析明晰了場館情境的獨特優勢。本研究遵循格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格提出的圍繞大概念的逆向教學設計原則（Backward Design）開展課程設計，第一環節為明確預期結果，即理解大概念；第二環節為確定評估證據，采取多元評估手段收集大概念理解證據；第三環節為設計學習活動，包含各教學環節有機組合[12]14。

2.2.1 構建概念層級，定位具體現象

課程設計選定植物的葉為內容主題。葉子是植物體中相對外顯的功能器官，為在不同環境中發揮功能，其形態結構存在非常多元的變化[34]，為展現豐富具體現象并幫助學生探索小概念和學科大概念奠定基礎。對應植物園情境，“結構與功能”大概念被具體化為“植物的形態結構往往與其生存的環境相適應”，并基于課標提煉了“大概念—小概念—具體現象”的概念層級框架（見表1）。課程概念主要對應小學三至四年級課標內容要求。

2.2.2 確定評估手段，明確學習成果

對大概念理解情況的評估從兩個維度展開。其一為概念理解，即學生在課程學習后掌握的大概念、小概念和具體現象情況；其二為概念遷移，即學生運用所學概念解決真實問題的表現。圖示化評估工具“個人意涵圖” （Personal Meaning Mapping，PMM）被用作評估工具。學習者可自由使用單詞、短語和繪畫表達對特定主題的想法[35]。在課程引入環節，研究者下發包含個人意涵圖繪制指導語和繪制案例的學習單（見圖3、圖4），由學生用藍色水筆圍繞中心詞“葉子與環境”完成意涵圖繪制。在課程總結環節，學生使用黑色水筆對原有內容進行修改，同時補充新的知識理解。隨后每位學生意涵圖被轉錄提取其中的概念理解，并對照課程概念框架考察其層級分布。

除此之外，課程活動包含表現性任務以考察概念遷移，并輔以對應的學習單（見圖5），研究者對表現性任務全過程進行視頻錄制并開展視頻分析，以評估學生問題解決過程，從而檢驗學生對課程概念的遷移運用情況。

2.2.3 開展活動設計，融入具身現象

自格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格提出大概念理論以來，圍繞大概念的課程活動設計模式得到學界廣泛探索。我國學者劉徽構建的“準備—建構—應用—反思”四要素模式[31]232，既融合了諸多研究者的理論成果，又具備較好的本土適應性，被選定為課程活動設計框架。課程共計5個環節（見表2），大概念內容框架貫穿其中，通過趣味性、探索性學習活動促進學生理解科學大概念。

2.2.4 招募參與學生，開展課程實施

研究立足上海市某綜合性植物園，該園擁有數量龐大且相對穩定的受眾家庭。課程招募信息通過官方微信公眾號平臺發布，結合課程內容與課標對應情況，參與者被限定為小學三至四年級學生，課程的研究性質和知情同意條款被清晰標注，最終有9名小學生參與本研究課程（見表3）。

2.2.5 基于表現性任務的概念遷移情況

在課程實施中，學生以2～3人小組為單位完成任務，過程中會產生豐富的交流討論、判斷推理等信息，研究者收集了4個小組總計70分鐘的視頻資料，并運用MAXQDA Analytics Pro 2020軟件，采用視頻分析法（Video Analysis），構建編碼框架對視頻資料開展編碼分析。格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格提出了評價大概念理解的6個側面，即解釋、闡明、應用、洞察、神入和自知[12]152。課程表現性任務涉及其中的3個側面，即解釋、闡明和應用。其中，解釋要求學生能避免常見的誤解和簡單膚淺的見解，能提供有力證據來證明觀點；闡明要求學生提供有力的推理和敘述，能有效地觀察并解讀數據和情境；應用要求學生在情境中運用已有的知識，在行動時能夠有效地進行自我調整[12]153。對上述標準進行分解后，本研究搭建了學生行為表現視頻分析編碼框架（見表4），共包含5類表現行為。對照各行為表現的具體內容，研究者標注了學生在行為過程中主要調用的概念層級。

從編碼結果來看（見圖6），參與課程的學生在概念遷移維度能開展信息收集和比較，進行循證推理并及時糾正誤解，進而理解不同情境所共享的大概念本質。具體而言，“信息收集”和“區分比較”行為的出現頻次和人數均較多，反映了參與學生能很好地掌握具體現象。面對陌生的沙生植物葉子和沙生植物館，絕大部分學生能綜合運用視覺、觸覺、嗅覺手段開展科學觀察，有目的地收集葉子的特征結構信息，并持續開展現象間的共性提取和差異區分。與此同時，參與學生在小概念維度也有充分的理解，超過一半的學生展現出“自我調整”和“循證推理”行為。其中，“循證推理”出現頻次較高，學生在對葉子的歸屬做出猜測或判斷的同時，能夠以葉子結構特點、其對環境的適應等相關證據佐證觀點。面對過程中的誤判，參與學生能夠在持續的信息收集和區分比較中察覺錯誤并及時修正。在此基礎上，有兩名學生能夠用大概念解釋不同葉子結構特征背后的環境適應性這一共同本質，表達出對大概念的遷移運用。

2.2.6 基于個人意涵圖的概念理解情況

個人意涵圖展現了學生在課程前后的概念理解變化。研究者對照表1的課程概念內容框架，區分了參與者的概念理解在課程學習前后在大概念、小概念和具體現象層級的分布（見圖7）。

從總體上看，參與者通過課程學習呈現出更具關聯性的具體現象和小概念理解，以及更具抽象性的大概念理解。具體而言，大部分參與者在課程中所掌握概念的抽象程度和上位性上有所提升，B2、G5、G6和G7 4名學生在課程前均僅表現出具體現象和小概念理解，而在課程后能較精準地表達科學大概念，如G6寫道“葉片的大小和厚度與他（它）生存的陽光和溫度有密切關系，是他（它）適應環境的結果”。而G1、G3和G4 3名學生能從僅掌握零散的具體現象，轉變為歸納現象背后潛藏的規律，從而實現小概念理解。如G4寫道“不同環境的葉子樣子不同，光照多的葉片大，光照少的葉片小”。除此之外，B1和G2兩名學生盡管在課后學生概念理解的抽象程度并未進一步提升，但能將新掌握的具體現象與已有小概念之間形成關聯，如B1在課后將“仙人掌在炎熱環境，葉子是尖刺”與課前所寫的“葉子和環境的關系很密切”連在一起。課程學習幫助學生在不同層級的概念之間建立了關聯，形成更具體系化的知識結構，進而為知識的遷移運用奠定基礎。

3經驗啟示：以大概念為錨點創新場館科學教育

本研究探索了以館校深度融合為目標的場館課程創新實踐路徑，構建了基于科學大概念的統一教育目標，厘清了互補優勢，進而開展場館課程設計的新模式，并對這一模式開展實踐檢驗。以理解科學大概念為共同目標，在與學校教育情境的銜接和比對中，將能充分發揮場館科學教育的獨特價值。

3.1 以具體現象為切入點，重構場館課程內容

基于大概念框架對校內課堂情境的分析，指出了校內教育在學生科學大概念建構的過程中仍有局限，進而定位了場館課程的需求。研究發現并明確了 “具體現象”體驗在其中的欠缺。學生往往需要直接記憶更具抽象性的小概念和科學大概念。已有研究指出，以記憶性信息的形式教授科學難以激發學生的興趣和好奇心[36]，以這種方式習得的大概念也難以被靈活運用，獲得的僅僅是沒有被理解的惰性知識。而場館科學教育是感知具體現象的重要場域。在場館中，學習者擁有時間的自由、空間的開放和內容的生動，可以主動投入與科學現象的深度互動之中。諸多在學校課堂中無法呈現的資源，可以通過科學場館這一渠道開放給學生，讓他們可以自由探索。

基于大概念框架的學習分析可以明晰學校和場館的各自特色，既避免了場館課程學校化的誤區，又定位了協同發展的契合點。對我國科學場館而言，可以在場館課程中給學生創造深度體驗的機會，融入多感官體驗、實物制作、模擬操作、虛擬現實、增強現實技術等，同時精選典型性、代表性的科學現象，使學生能對有價值的科學信息開展深入探索。

3.2 以大概念為邏輯，創新課程實施路徑

大概念為場館課程的具體設計提供了具有指導意義的框架，有助于場館教育者“檢查在一個課程框架中哪些知識方面有所欠缺，進而補充完整知識體系”[37]。基于大概念的教學設計框架可以幫助串聯場館豐富的“具體現象”，為場館課程開發提供了一條可以依托的主線，有效避免了各教學單元零散而割裂的問題。例如，本研究設計的課程各部分環環相扣，圍繞一致的大概念展開，有意識地引導學生從具體現象歸納小概念，從小概念提取大概念，從而讓每一教學環節均指向共同的大概念理解目標。大概念的引入同樣對教學具體實施提出新要求。相較于常見的導賞游覽中龐雜而淺層的現象展示，已有學者指出場館課程應關注實踐性，在場館學習過程中采取“手腦并用、學思結合和知行合一”等具有實踐形式的學習方式[38]。在本研究所設計的課程中，導向大概念構建的學習活動可以讓學生在不同教學環節均有深入細致地聚焦葉子結構的細節開展觀察的機會，進而讓學生在陌生的情境中也能靈活地開展科學觀察，提取有效信息。

綜合來看，我國科學場館可在深入研究課程標準的基礎上，立足場館特色和教育資源，在課程設計環節即確定大概念主題，以大概念作為內涵，系統化整合各類零散的科學現象，呈現現象之間的內在規律和關聯，并引導學生構建科學解釋；調動場館中的探索性設施與資源，使學生聚焦特定大概念開展豐富的科學觀察、科學實驗和探究而最終指向科學大概念理解。以大概念為指導，場館科學教育能更好地實現與學校教育的交錯發展，真正具備與學校教育互補的能力。

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（編輯? 顏? ?燕? ? 袁? ?博）