何善亮

隨著《科學(xué)教育的原則和大概念》《以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育》等有關(guān)科學(xué)大概念著作的翻譯出版，以及《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》等課程文件的頒布，科學(xué)大概念（科學(xué)觀念）①我們通常所說(shuō)的科學(xué)大概念（Big Idea），本質(zhì)上屬于科學(xué)觀念范疇，或者是譯者簡(jiǎn)單翻譯的原因。其實(shí)，英語(yǔ)單詞Idea本身就具有“思想”和“觀念”的意義。因此，下文中不再區(qū)分科學(xué)大概念和科學(xué)觀念這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，一律寫(xiě)為科學(xué)大概念。特此說(shuō)明。業(yè)已成為科學(xué)教育研究者及實(shí)踐者的日常話語(yǔ)，并對(duì)我國(guó)科學(xué)教育改革產(chǎn)生了重要影響。然而，科學(xué)大概念究竟意味著什么？我們究竟需要什么樣的科學(xué)大概念？換言之，如何選擇科學(xué)教育大概念的內(nèi)容主題與表達(dá)方式？這些都是開(kāi)展科學(xué)大概念教育必須直面與回答的問(wèn)題。

一、科學(xué)大概念是科學(xué)教育改革的一種歷史選擇

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的廣泛應(yīng)用，使人類正式進(jìn)入了知識(shí)爆炸和知識(shí)經(jīng)濟(jì)的新時(shí)代。時(shí)代巨變同樣也影響著科學(xué)教育領(lǐng)域的變革，并對(duì)科學(xué)教育內(nèi)容的選擇與表達(dá)提出了新的要求?？梢哉f(shuō)，大概念科學(xué)教育就是對(duì)于這一廣泛社會(huì)變革的積極應(yīng)對(duì)。

（一）科學(xué)教育內(nèi)容選擇的指導(dǎo)思想

旨在提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的科學(xué)教育，必須借助于一定的科學(xué)教育內(nèi)容才能完成。在知識(shí)更新周期越來(lái)越短的背景下，中小學(xué)科學(xué)教育究竟選擇什么內(nèi)容和多少內(nèi)容，是我們不得不面對(duì)的問(wèn)題。

科學(xué)教育必須選擇具有普遍適用性的內(nèi)容?？茖W(xué)教育內(nèi)容的普遍適用性指的是所選的內(nèi)容能夠解釋在自然與社會(huì)中較大范圍內(nèi)的物體、現(xiàn)象和事件。這些物體、現(xiàn)象和事件在學(xué)生的人生旅途中可能會(huì)遇見(jiàn)或經(jīng)常出現(xiàn)，甚至可能會(huì)貫穿于人的一生。科學(xué)教育內(nèi)容可以涉及不同的科學(xué)領(lǐng)域，展現(xiàn)出不同維度的側(cè)重，并根據(jù)與物體、現(xiàn)象和事件的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行內(nèi)容組織，幫助學(xué)生理解在校期間或?qū)W業(yè)結(jié)束后生活中遇到的各種現(xiàn)象與問(wèn)題，為學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)和欣賞自然奠定基礎(chǔ)?？傊?，普遍適用的科學(xué)教育內(nèi)容，一方面能夠幫助學(xué)生理解與認(rèn)識(shí)這個(gè)廣闊而復(fù)雜的世界，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀，另一方面為學(xué)生步入社會(huì)做好充分的科學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備。

科學(xué)教育必須選擇具有文化意義的內(nèi)容。科學(xué)是人類文化的重要體現(xiàn)，當(dāng)然也可以說(shuō)科學(xué)實(shí)質(zhì)上也是一種文化。當(dāng)我們從認(rèn)識(shí)論、科學(xué)技術(shù)應(yīng)用及文化層面來(lái)看，科學(xué)還表現(xiàn)出相應(yīng)的人文性特征。然而，如今的科學(xué)教育往往只注重科學(xué)的科學(xué)性，卻忽視其人文性，為做到科學(xué)性與人文性的相對(duì)均衡，能夠?qū)⒄嬲陚涞目茖W(xué)知識(shí)傳授給學(xué)生，科學(xué)教育需要選擇具有一定文化意義的教育內(nèi)容?？茖W(xué)教育內(nèi)容的文化意義具體可以體現(xiàn)為促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解、對(duì)人類自身的認(rèn)識(shí)及促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，例如有科學(xué)內(nèi)容提到關(guān)于對(duì)人類存在所造成影響的看法，通過(guò)回顧人類科學(xué)發(fā)展成就的歷程，了解人類在利用自然、改造自然過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響，以揭示背后所蘊(yùn)含的文化內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。

科學(xué)教育必須選擇有助于學(xué)生決策能力培養(yǎng)的內(nèi)容。培養(yǎng)具有理性的人是科學(xué)教育目標(biāo)的重要體現(xiàn)，面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題能夠做出明智的決策判斷，是衡量學(xué)生是否具有理性的重要標(biāo)志。一般而言，理性是指人在正常思維狀態(tài)下為獲得預(yù)期結(jié)果，能夠冷靜面對(duì)現(xiàn)狀，全面分析各種可行性方案，篩選出最佳方案，并對(duì)其有效執(zhí)行的能力。因此，學(xué)生理性的形成離不開(kāi)科學(xué)教育對(duì)學(xué)生決策能力的培養(yǎng)。為了有效地培養(yǎng)學(xué)生的決策能力，科學(xué)教育的內(nèi)容選擇需要考慮內(nèi)容的廣度、深度與綜合程度。選擇的內(nèi)容涉及領(lǐng)域要廣，解釋的范圍要夠大（但并不意味著內(nèi)容要多）；要有一定的深度，能夠深入地闡釋科學(xué)概念及科學(xué)事實(shí)。除了突出具體學(xué)科科學(xué)專業(yè)知識(shí)外，也要有不同科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的有機(jī)綜合，當(dāng)學(xué)生面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，內(nèi)容的廣度為學(xué)生提供了充分的知識(shí)儲(chǔ)備，知識(shí)深度則讓學(xué)生分析問(wèn)題更加透徹，而內(nèi)容的綜合性能夠培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維，這些都是學(xué)生做出正確決策的重要基石。

科學(xué)教育必須選擇有助于學(xué)生積極情感態(tài)度培養(yǎng)的內(nèi)容。積極情感態(tài)度包括學(xué)生悅納自己、包容他人的人生態(tài)度，接受、熱愛(ài)自然的正確自然觀，樂(lè)觀向上、充滿自信、意志堅(jiān)定、勇于挑戰(zhàn)的積極心態(tài)等。在確?？茖W(xué)性的同時(shí)，科學(xué)教育內(nèi)容還應(yīng)具有深層次的思想文化內(nèi)涵，確保對(duì)學(xué)生正確思想觀念的形成有一定促進(jìn)作用。在科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生的積極情感態(tài)度，不僅是對(duì)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的一種促進(jìn)，更是學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀與價(jià)值觀的重要途徑。此外，科學(xué)教育內(nèi)容還需要密切聯(lián)系生活，能為學(xué)生解決有關(guān)自身、自然與社會(huì)方面的問(wèn)題提供幫助，學(xué)生通過(guò)經(jīng)歷這些問(wèn)題的探索與思考過(guò)程，逐漸增強(qiáng)自信，收獲問(wèn)題解決所帶來(lái)的滿足感和成就感，進(jìn)一步促進(jìn)積極情感態(tài)度的形成。

（二）科學(xué)教育內(nèi)容表達(dá)的理想方式

科學(xué)教育內(nèi)容不僅涉及物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，而且還涉及科學(xué)事實(shí)、科學(xué)概念、科學(xué)大概念、科學(xué)主題等多個(gè)認(rèn)識(shí)層次和水平。其中，科學(xué)大概念包括科學(xué)規(guī)律、定律、法則及原理等具體表述形式。與科學(xué)主題相比，科學(xué)大概念顯得更加具體，同時(shí)，又可以把科學(xué)事實(shí)和科學(xué)概念等內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)的整合，不僅是構(gòu)成科學(xué)教育的核心內(nèi)容主題，而且還是科學(xué)知識(shí)內(nèi)容最為集中也最為理想的表述方式。

倡導(dǎo)科學(xué)大概念的科學(xué)知識(shí)表征方式，首先源于科學(xué)大概念的教學(xué)有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)科學(xué)觀念（前概念）的轉(zhuǎn)變。在科學(xué)知識(shí)體系中，科學(xué)大概念具有最深層次的內(nèi)涵，并對(duì)學(xué)生科學(xué)思想的塑造起到?jīng)Q定性作用。［1］實(shí)施科學(xué)大概念的科學(xué)教育不僅能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化和知識(shí)的系統(tǒng)化，有助于學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)觀念，并以此指導(dǎo)他們健康的生活與工作，而且還能夠充分激發(fā)學(xué)生探索新知的欲望，引起學(xué)生更為強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)從“前概念”向科學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。我們知道，學(xué)生原有的“前概念”也多是以科學(xué)大概念的形態(tài)存在的，只有以科學(xué)大概念來(lái)表述科學(xué)教育內(nèi)容，從科學(xué)教育內(nèi)容中提煉出包括基本的科學(xué)觀念、科學(xué)本質(zhì)觀、科學(xué)世界觀等不同層次的科學(xué)大概念，為學(xué)生構(gòu)建具有不同層次水平的科學(xué)大概念體系，才能幫助學(xué)生全面而深入地認(rèn)識(shí)科學(xué)，促進(jìn)對(duì)科學(xué)知識(shí)的掌握與思維品質(zhì)的提升。

倡導(dǎo)科學(xué)大概念的科學(xué)知識(shí)表征方式，更源于腦神經(jīng)科學(xué)對(duì)科學(xué)大概念促進(jìn)有效學(xué)習(xí)因素的確認(rèn)。［2］（P2）科學(xué)大概念不是零散的、片斷化知識(shí)的簡(jiǎn)單堆積，而是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識(shí)與模型。這一結(jié)構(gòu)化與模型化的科學(xué)知識(shí)有助于學(xué)生應(yīng)用知識(shí)及快速準(zhǔn)確地做出決策。日本科學(xué)家曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，利用功能核磁共振成像研究在下棋過(guò)程中專業(yè)棋手與業(yè)余棋手做決策時(shí)的腦激活區(qū)域，結(jié)果顯示出專業(yè)棋手的激活區(qū)域集中在基底核，該部位所保存的是非陳述性記憶，而業(yè)余棋手的激活區(qū)域表現(xiàn)得十分分散。非陳述性記憶的形成是棋手長(zhǎng)期訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)積累和學(xué)習(xí)模仿的結(jié)果，也就是說(shuō)專業(yè)棋手經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)化和模型化的棋譜知識(shí)的學(xué)習(xí)，能夠幫助它們?cè)谟龅絾?wèn)題時(shí)迅速地運(yùn)用知識(shí)做出恰當(dāng)?shù)臎Q策，而業(yè)余棋手所得到的知識(shí)是零散的、碎片化的，在頭腦中并未形成完整的知識(shí)體系，因此并不能有效地進(jìn)行知識(shí)的運(yùn)用。腦神經(jīng)科學(xué)研究也表明，存在聯(lián)系的概念是概念應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，互相聯(lián)系的概念在遇到新情況時(shí)要比獨(dú)立的概念或知識(shí)點(diǎn)更容易被運(yùn)用。

倡導(dǎo)科學(xué)大概念的科學(xué)知識(shí)表征方式，在根本上還是源于科學(xué)大概念在科學(xué)知識(shí)體系中的獨(dú)特價(jià)值?？茖W(xué)大概念是在事實(shí)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的用以表述概念間關(guān)系的深層次、可遷移的觀念，埃里克森將其稱之為“基本理解”或“抽象概括”。［3］（P93-102）科學(xué)大概念基于科學(xué)事實(shí)，又超越科學(xué)事實(shí)，是將蘊(yùn)含在科學(xué)事實(shí)之中的科學(xué)思想、科學(xué)觀點(diǎn)、科學(xué)方法等抽象概括出來(lái)，并用概括性語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)的觀念性認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)大概念不是單純的科學(xué)概念知識(shí)，也不是科學(xué)概念知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，而是對(duì)科學(xué)概念知識(shí)關(guān)系的精確表述，可以揭示科學(xué)概念知識(shí)以及核心概念知識(shí)的內(nèi)在本質(zhì)。當(dāng)然，為適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知能力與思維水平的發(fā)展，教育內(nèi)容中的科學(xué)大概念表述往往趨向?qū)哟位S著層次逐漸遞進(jìn)，科學(xué)大概念會(huì)變得更加具體，所包含的概念會(huì)越來(lái)越多，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)也更具有挑戰(zhàn)性。

二、國(guó)際科學(xué)教育研究報(bào)告和部分課程與教材中的科學(xué)大概念

科學(xué)大概念的教育價(jià)值已經(jīng)受到國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可，國(guó)際科學(xué)教育會(huì)議報(bào)告、美國(guó)和新加坡等國(guó)家課程文件及教材中均有科學(xué)大概念的身影。因此，學(xué)習(xí)國(guó)際科學(xué)教育會(huì)議報(bào)告的科學(xué)大概念研究成果，分析相關(guān)課程文件中關(guān)于科學(xué)大概念的具體描述，總結(jié)科學(xué)教材編寫(xiě)中科學(xué)大概念表述的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，無(wú)疑對(duì)科學(xué)大概念的內(nèi)容選擇與表達(dá)方式有著重要的借鑒意義。

（一）國(guó)際科學(xué)教育會(huì)議提出的科學(xué)大概念

2009年與2014年，在蘇格蘭相繼召開(kāi)了兩次高水平的科學(xué)教育國(guó)際研討會(huì)，明確提出了14個(gè)科學(xué)大概念，即“宇宙中的物質(zhì)是由非常小的微粒組成的”、“物體在一定距離內(nèi)會(huì)影響其他物體”等10個(gè)關(guān)于科學(xué)知識(shí)的大概念（idea of science）和“科學(xué)認(rèn)為每種結(jié)果的產(chǎn)生都會(huì)有一種或多種原因”、“科學(xué)應(yīng)用經(jīng)常會(huì)對(duì)倫理、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與政治產(chǎn)生影響”等4個(gè)關(guān)于科學(xué)本身的大概念（idea about science）。［4］（P21-23）會(huì)議認(rèn)為，學(xué)生通過(guò)對(duì)大概念的科學(xué)學(xué)習(xí)，除了能解釋自然現(xiàn)象與事件外，還應(yīng)該知道科學(xué)概念是如何產(chǎn)生的，了解科學(xué)與技術(shù)之間的相互聯(lián)系，以及科學(xué)的應(yīng)用也可能會(huì)對(duì)社會(huì)的政治、經(jīng)濟(jì)和倫理產(chǎn)生影響。在大概念的表達(dá)方式上，采用結(jié)合具體科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)本質(zhì)的命題式表達(dá)，便于人們對(duì)于科學(xué)大概念的理解和把握。

與此同時(shí)，會(huì)議對(duì)趨向大概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程有詳細(xì)的說(shuō)明，認(rèn)為從小概念一步一步發(fā)展到大概念是學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、接受科學(xué)概念的過(guò)程。因此，在每個(gè)大概念下，需要根據(jù)學(xué)生的年齡設(shè)置適用不同年齡階段的概念解釋，建立以階段概念為基礎(chǔ)的趨向于大概念的解釋框架。每一階段概念的掌握為下一階段的概念學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)，在各階段概念的緊密銜接下形成了趨向于大概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

（二）美國(guó)《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中的科學(xué)大概念

美國(guó)在2013年頒布了《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards，以下簡(jiǎn)稱NGSS），將科學(xué)教育確定為物質(zhì)科學(xué)（PS）、生命科學(xué)（LS）、地球與宇宙科學(xué)（ESS）及工程、技術(shù)與科學(xué)應(yīng)用（ETS）等四大領(lǐng)域，提出了“物質(zhì)及其相互作用”、“從分子到生物體：結(jié)構(gòu)和過(guò)程”、“地球與人類活動(dòng)”、“工程設(shè)計(jì)”等13個(gè)學(xué)科核心概念（disciplinary core idea）［5］（P25），形成了由學(xué)科領(lǐng)域到學(xué)科核心概念，再到子概念的層層深入、逐漸細(xì)化的概念層次體系。這里所說(shuō)的學(xué)科核心概念主要涉及科學(xué)規(guī)律、法則、原理等層面的內(nèi)容，本質(zhì)上就是科學(xué)大概念，并借助于名詞或短語(yǔ)以概念陳述的方式加以表述。此外，NGSS中的“模式、因果關(guān)系、系統(tǒng)和系統(tǒng)模型、結(jié)構(gòu)和功能、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和變化”等跨科學(xué)概念，本質(zhì)上也是科學(xué)大概念。

在縱向維度上，學(xué)科核心概念體現(xiàn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式，這種方式貫穿于K-12年級(jí)，并以螺旋遞進(jìn)的方式反復(fù)出現(xiàn)在各學(xué)習(xí)階段中。這種基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的趨向大概念的設(shè)計(jì),有助于學(xué)生科學(xué)知識(shí)整體框架的搭建以及思維邏輯性的提升。

（三）新加坡科學(xué)教學(xué)大綱中的科學(xué)大概念

新加坡科學(xué)教學(xué)大綱是新加坡科學(xué)教育的指導(dǎo)性文件，以跨學(xué)科主題形式架構(gòu)科學(xué)內(nèi)容是其明顯特色。在《小學(xué)科學(xué)教學(xué)大綱》（Science Syllabus Primary）中選擇了五個(gè)跨學(xué)科概念，分別是多樣性、循環(huán)、系統(tǒng)、能量與相互作用；在《初中科學(xué)教學(xué)大綱（快捷和普通學(xué)術(shù)課程）》（Science Syllabus Lower Secondary Express/Normal〈Academic〉Course）中則比小學(xué)少一個(gè)跨學(xué)科概念（大概念），分別是多樣性、模型、系統(tǒng)與相互作用。［6］這些跨學(xué)科概念包含了生命科學(xué)領(lǐng)域和物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的許多核心概念，而這些核心概念能夠幫助學(xué)生理解世界或是進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。

依據(jù)學(xué)段（3-4年級(jí)學(xué)段，5-6年級(jí)學(xué)段）的不同，每個(gè)跨學(xué)科概念會(huì)進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)次級(jí)核心概念（大概念），這種螺旋遞進(jìn)、層層深入的概念細(xì)分方式充分考慮到對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的影響，能夠幫助學(xué)生逐漸理解概念并掌握相關(guān)技能。比如，在“相互作用”跨學(xué)科概念下分為3個(gè)次級(jí)核心概念，即“力的相互作用（磁力）”、“力的相互作用（摩擦力、彈力、重力）”與“內(nèi)環(huán)境的相互作用”，體現(xiàn)了概念劃分的邏輯性與全面性。從內(nèi)容上看，次級(jí)核心概念涉及跨學(xué)科維度，比如“能量守恒”、“植物的結(jié)構(gòu)與功能”，是對(duì)大量普通概念的整合，因而對(duì)教學(xué)提出了更高的要求。

與新加坡科學(xué)教學(xué)大綱相一致，新加坡科學(xué)教材（My Pals are Here!Science）也特別關(guān)注科學(xué)大概念。教材選用了系統(tǒng)、多樣性、能量等具有前瞻性的跨領(lǐng)域概念和學(xué)科核心概念為主題，應(yīng)用螺旋型遞進(jìn)的課程架構(gòu)方式，逐漸形成了一個(gè)彼此聯(lián)系、相互連貫、反映科學(xué)本質(zhì)的小學(xué)科學(xué)課程體系。［7］這些內(nèi)容會(huì)延續(xù)到學(xué)習(xí)者以后的學(xué)習(xí)和生活中，并極有可能影響學(xué)習(xí)者對(duì)新知識(shí)的探索和獲取以及未來(lái)的科學(xué)學(xué)習(xí)，也避免了教科書(shū)僅僅是提供大量淺顯的主題,從而為教師和學(xué)生深入探索每一個(gè)概念提供更充裕的時(shí)間。

（四）美國(guó)Science Fusion教材中的科學(xué)大概念

相對(duì)于課程文件而言，科學(xué)教材中的大概念內(nèi)容選擇與表達(dá)方式對(duì)于教學(xué)的影響更為直接。就筆者研究所及，美國(guó)加州公辦小學(xué)正在使用的一套科學(xué)教材Science Fusion（K-5）充分體現(xiàn)了通過(guò)科學(xué)大概念整合課程內(nèi)容的編寫(xiě)特色。Science Fusion（K-5）科學(xué)教材共56單元，每一單元都圍繞一個(gè)大概念展開(kāi)，范圍涉及物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和宇宙科學(xué)以及工程、技術(shù)與科學(xué)的應(yīng)用諸領(lǐng)域。例如，Science Fusion科學(xué)教材G2年級(jí)所涉及的單元大概念有：“科學(xué)家提出關(guān)于自己周邊世界的問(wèn)題，他們使用各種研究方法尋求答案”；“工程師使用某種方法來(lái)創(chuàng)造新技術(shù)以滿足人類需求，技術(shù)影響我們的日常生活以及周邊環(huán)境”；“植物需要某些物質(zhì)幫助它們生長(zhǎng)發(fā)育，植物體中的某些部分能夠幫助它們生長(zhǎng)”；“地球表面會(huì)發(fā)生變化，人們需要巖石、植物和水等地球資源”；“地球是太陽(yáng)系中的一顆行星，地球會(huì)有晝夜變化”；“物質(zhì)會(huì)有不同的性質(zhì)，物質(zhì)可以是固體、液體或是氣體，物質(zhì)的性質(zhì)會(huì)變化”等。［8］（P2）這些大概念非常具體，適合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平。

Science Fusion科學(xué)教材在單元開(kāi)頭呈現(xiàn)科學(xué)大概念，并圍繞科學(xué)大概念提出關(guān)鍵性問(wèn)題，每個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題就是一節(jié)課的標(biāo)題，每節(jié)課內(nèi)容就圍繞關(guān)鍵性問(wèn)題的解答具體展開(kāi)。Science Fusion還將大概念學(xué)習(xí)加以結(jié)構(gòu)化、模式化、進(jìn)階化處理，以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)各單元的層次性學(xué)習(xí)，形成對(duì)大概念更深刻和清晰的認(rèn)識(shí)。這不僅體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的適應(yīng)，也為大概念理念指導(dǎo)下的科學(xué)教材編寫(xiě)或者說(shuō)大概念與教材的融合提供了一種新的思路與經(jīng)驗(yàn)。

三、中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容選擇與表達(dá)方式的改進(jìn)建議

基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，在中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇與表達(dá)方式上，不同國(guó)家的科學(xué)教育文件及科學(xué)教材設(shè)計(jì)具有一些共同的特征，但同時(shí)也表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。綜合這些研究成果并結(jié)合我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育實(shí)際狀況，就內(nèi)容選擇和表達(dá)方式問(wèn)題提出如下建議。

（一）要進(jìn)一步明確科學(xué)大概念的具體內(nèi)涵

應(yīng)不斷豐富和完善以科學(xué)大概念為核心的中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，學(xué)生需要對(duì)科學(xué)有著全面而深入的認(rèn)識(shí)，以幫助他們?cè)谏鐣?huì)上立足和更好地發(fā)展。因此，以科學(xué)大概念為核心的中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇必須秉持“少就是多”、“科學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐（包括工程實(shí)踐）相統(tǒng)一”的基本原則，選擇那些在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛重要性或是一個(gè)學(xué)科的關(guān)鍵性內(nèi)容、理解或研究更復(fù)雜內(nèi)容和解決問(wèn)題的基礎(chǔ)內(nèi)容、與學(xué)生興趣和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)或與社會(huì)生活實(shí)踐有關(guān)的內(nèi)容、在各個(gè)年級(jí)都可以進(jìn)行不同水平教學(xué)并且難度和深度隨年級(jí)增加的內(nèi)容。［9］（P25）中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇不應(yīng)只涉及科學(xué)知識(shí)單一維度，還需要進(jìn)一步豐富和完善科學(xué)大概念的基本內(nèi)涵理解。

中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇必須關(guān)注學(xué)科核心概念（包括科學(xué)本質(zhì)概念及科學(xué)社會(huì)概念）與跨學(xué)科概念。以科學(xué)大概念為核心的中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容應(yīng)該包括兩個(gè)層次：一個(gè)是學(xué)科（物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)等）核心概念——不同科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中與下位具體科學(xué)概念相聯(lián)系的大概念，包括科學(xué)教育國(guó)際研討會(huì)中明確提出的科學(xué)本質(zhì)概念及科學(xué)社會(huì)概念，以及課程標(biāo)準(zhǔn)文件中提到的技術(shù)與工程概念；另一個(gè)是通用概念——與不同科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的核心概念相聯(lián)系的更上位的跨學(xué)科概念，例如自然界或人工領(lǐng)域中的因果關(guān)系，常用于解釋各種變化。如美國(guó)NGSS中提到學(xué)科核心概念以及跨學(xué)科概念，新加坡科學(xué)教學(xué)大綱中也提及跨學(xué)科概念，科學(xué)教育國(guó)際研討會(huì)及相關(guān)課程文件中明確提出科學(xué)本質(zhì)概念及科學(xué)社會(huì)概念等。而我國(guó)的《小學(xué)科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》及高中物理（化學(xué)、生物學(xué)）課程標(biāo)準(zhǔn)中則很少提及跨學(xué)科概念，對(duì)于科學(xué)知識(shí)是如何產(chǎn)生的等科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的關(guān)注也不夠。因此，我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇必須在跨學(xué)科概念、科學(xué)本質(zhì)概念及科學(xué)社會(huì)概念等方面給予更多的重視和實(shí)踐。

中小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)容選擇必須處理好學(xué)科核心概念與跨學(xué)科概念、科學(xué)知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐的關(guān)系。從概念分類的角度看，學(xué)科核心概念與跨學(xué)科概念是既對(duì)立又統(tǒng)一的。所謂對(duì)立是指學(xué)科核心概念與跨學(xué)科概念的側(cè)重不同，所謂統(tǒng)一則是指它們存在著交集，跨學(xué)科概念也可以是學(xué)科核心概念（例如能量概念）。但是，無(wú)論這兩種概念的劃分是否恰當(dāng)，它們都是大概念內(nèi)涵的重要組成。此其一。其二，科學(xué)教育國(guó)際研討會(huì)提到的科學(xué)本質(zhì)概念和科學(xué)社會(huì)概念，涉及當(dāng)今學(xué)生嚴(yán)重缺失的有關(guān)科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)概念產(chǎn)生機(jī)制、科學(xué)與社會(huì)間關(guān)系的知識(shí)內(nèi)容，因此，科學(xué)教育也需要讓學(xué)生知道科學(xué)概念是如何產(chǎn)生的、科學(xué)的本質(zhì)特征是什么、科學(xué)與社會(huì)之間又存在怎樣的聯(lián)系，通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生基本的判斷概念對(duì)錯(cuò)的能力以及建立科學(xué)與社會(huì)的聯(lián)系紐帶，促進(jìn)他們對(duì)周圍世界的理解，這也是時(shí)代發(fā)展步入知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的必然要求。其三，科學(xué)的應(yīng)用產(chǎn)生技術(shù)，應(yīng)用各種技術(shù)對(duì)已有物質(zhì)資料及環(huán)境加以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、加工、制造就產(chǎn)生了工程，因此科學(xué)、技術(shù)與工程三者是緊密聯(lián)系的。通過(guò)技術(shù)與工程概念的學(xué)習(xí)，在理清科學(xué)、技術(shù)與工程三者關(guān)系的同時(shí)，也為學(xué)生提供綜合應(yīng)用各方面知識(shí)（科學(xué)知識(shí)）和動(dòng)手“做科學(xué)”（科學(xué)實(shí)踐）的機(jī)會(huì)，這也是技術(shù)與工程概念教育價(jià)值的重要體現(xiàn)。

（二）要充分考慮科學(xué)大概念的使用情境

要善于根據(jù)使用情境選擇中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的表達(dá)方式。我們知道，作為科學(xué)知識(shí)的一種重要表現(xiàn)形式，科學(xué)觀念因其可以整合科學(xué)事實(shí)與科學(xué)概念等內(nèi)容而成為科學(xué)教育內(nèi)容最為理想的表述方式。但是，這一認(rèn)識(shí)是基于學(xué)生學(xué)習(xí)視角而言的，它能否在所有的情境（例如課標(biāo)、教材、學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容等）下成立，依然是一個(gè)需要進(jìn)一步思考的問(wèn)題。

一是中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的表達(dá)必須根據(jù)具體情境選擇科學(xué)主題或科學(xué)大概念的形式。為了考察各種教育情境下科學(xué)教育內(nèi)容的理想表達(dá)方式，回顧美國(guó)學(xué)者古德萊德提出的理想的課程、正式的課程、領(lǐng)悟的課程、實(shí)行的課程和經(jīng)驗(yàn)的課程等五種不同課程形態(tài)具有一定的啟發(fā)意義。在上述五種不同的課程形態(tài)中，經(jīng)驗(yàn)的課程是學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中實(shí)實(shí)在在體驗(yàn)到的課程，它直接來(lái)源于課堂上實(shí)際實(shí)施的課程（實(shí)行的課程），并與教師所領(lǐng)悟的課程（領(lǐng)悟的課程）直接相關(guān)。在這三種課程形態(tài)中，科學(xué)知識(shí)的表征方式直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)，因而從有利于學(xué)生有效學(xué)習(xí)的角度考慮，科學(xué)知識(shí)的理想表征方式更應(yīng)該是科學(xué)大概念。但是，能否從上述結(jié)論進(jìn)一步推論出，由教育行政部門(mén)規(guī)定的課程計(jì)劃、課程標(biāo)準(zhǔn)和教材（正式的課程），是否也應(yīng)該是用科學(xué)大概念表征科學(xué)內(nèi)容呢？答案似乎沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。一方面，科學(xué)大概念依然是科學(xué)知識(shí)的理想表征方式；但是另一方面，科學(xué)主題（在語(yǔ)言描述上表現(xiàn)為“科學(xué)術(shù)語(yǔ)”）則起著更為上位的指導(dǎo)作用以及組織作用。

事實(shí)上，相對(duì)于某一科學(xué)觀念，科學(xué)主題可以包括更多的科學(xué)教育內(nèi)容。例如，“力與運(yùn)動(dòng)”的科學(xué)主題，比起“力作用于物體，可以改變物體的形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”的科學(xué)觀念，則有更豐富的科學(xué)內(nèi)容。美國(guó)及新加坡等國(guó)在國(guó)家課程文件（NGSS和《教學(xué)大綱》）中，均在某一科學(xué)主題領(lǐng)域（科學(xué)術(shù)語(yǔ)）之下，以科學(xué)大概念的方式表述科學(xué)教育內(nèi)容，而比課程標(biāo)準(zhǔn)等文件更為具體的科學(xué)教材（例如美國(guó)Science Fusion），則可以直接圍繞科學(xué)大概念提出關(guān)鍵性問(wèn)題來(lái)組織和架構(gòu)教材，充分體現(xiàn)了不同情境下中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容在表達(dá)方式上的差異性。例如，我國(guó)《義務(wù)教育小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》沒(méi)有采用科學(xué)主題領(lǐng)域（科學(xué)術(shù)語(yǔ)）之下的科學(xué)大概念表征方式，而是直接以科學(xué)主要概念來(lái)表征科學(xué)教育內(nèi)容（標(biāo)準(zhǔn)），能否在科學(xué)教育內(nèi)容選擇上具有更大的包攝性，能否與高中相關(guān)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)中的“科學(xué)主題”、“科學(xué)概念（觀念）”的形式保持一致性并進(jìn)而體現(xiàn)科學(xué)教育的進(jìn)階性［10］（P5）［11］（P4），這也是一個(gè)需要思考的問(wèn)題。

二是中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的表達(dá)必須注重跨學(xué)科概念與學(xué)科核心概念的關(guān)系。在論及中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的表達(dá)方式問(wèn)題時(shí)，還涉及到如何打通學(xué)科（物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)等）核心概念與通用概念（跨學(xué)科概念）二者的聯(lián)系問(wèn)題。對(duì)此，加拿大安大略省的課程標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)以及新加坡的科學(xué)教材編制，分別從課程標(biāo)準(zhǔn)與教材建設(shè)層面為我們提供了經(jīng)驗(yàn)。安大略省科學(xué)技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（1-8年級(jí)）圍繞通用概念和核心概念整合的知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)核心概念作為內(nèi)容框架的重要紐帶，聯(lián)接通用概念和課程總目標(biāo)，進(jìn)而與總體學(xué)習(xí)期望和具體學(xué)習(xí)期望形成聯(lián)系，構(gòu)成了具有高度整體性的課程標(biāo)準(zhǔn)基本內(nèi)容框架。［12］新加坡現(xiàn)行初中科學(xué)教材精選物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)兩大領(lǐng)域核心內(nèi)容，以通用概念單元（包括多樣性、模型、系統(tǒng)、交互作用等通用概念單元）形式構(gòu)造教材主體并且每單元的內(nèi)容編制緊密圍繞承接通用概念的相關(guān)核心概念展開(kāi)，以達(dá)到跨學(xué)科主題單元內(nèi)容的有效整合，力求讓學(xué)生從宏觀到微觀整體把握教材［13］（P24），進(jìn)而讓學(xué)生真正而全面地理解和把握科學(xué)大概念。

（三）要加強(qiáng)科學(xué)大概念的本土實(shí)證研究

應(yīng)不斷加強(qiáng)中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容選擇和表達(dá)方式的實(shí)證研究。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容究竟該如何選擇，是一個(gè)并非靠過(guò)去經(jīng)驗(yàn)及國(guó)際借鑒就能簡(jiǎn)單解決的問(wèn)題。為了科學(xué)地回答這一問(wèn)題，一種可取的途徑是借助于德?tīng)柗品ㄩ_(kāi)展實(shí)證研究。例如，畢華林等人通過(guò)來(lái)自全國(guó)高等院校和科研院所的33名專家共同體的多輪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基于我國(guó)社會(huì)發(fā)展背景和學(xué)生全面發(fā)展需求，主張中學(xué)理科課程應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的能力等13項(xiàng)科學(xué)能力和價(jià)值觀念。［14］盡管這一研究在調(diào)查對(duì)象的選擇上沒(méi)有拓展到更為寬廣的職業(yè)領(lǐng)域（局限于高等院校和科研院所的教學(xué)研究人員），但這一研究方法和研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于回應(yīng)我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的選擇問(wèn)題無(wú)疑有著重要的示范和引領(lǐng)價(jià)值。

在中小學(xué)科學(xué)教育內(nèi)容的具體表達(dá)方式上，我們也需要根據(jù)使用情境適當(dāng)選擇合理的表達(dá)方式。為了提升科學(xué)教育內(nèi)容的包攝度（涵蓋度），我們也許要

從更上位的科學(xué)主題（科學(xué)術(shù)語(yǔ)）入手，并將其在橫向和縱向兩個(gè)維度上進(jìn)一步加以分解與細(xì)化——在橫向上進(jìn)一步將科學(xué)主題（科學(xué)術(shù)語(yǔ)）分解為多個(gè)科學(xué)大概念，而在縱向上注重處理好每一科學(xué)大概念抽象性與具體性之間的平衡，以適應(yīng)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的真實(shí)水平。為此，我們既需要研究發(fā)達(dá)國(guó)家在圍繞大概念組織知識(shí)內(nèi)容和建構(gòu)統(tǒng)一的概念體系的課程特色，明確我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在課程的整合設(shè)計(jì)、研究基礎(chǔ)等方面存在的差距，更需要借助于屬性層級(jí)關(guān)系模型（一種認(rèn)知診斷模型）、Rasch模型等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法探究以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的科學(xué)主題、科學(xué)大概念、科學(xué)概念之間的邏輯關(guān)系，以及在科學(xué)觀念逐級(jí)分解的基礎(chǔ)上，開(kāi)展本土的科學(xué)觀念（也會(huì)涉及科學(xué)概念內(nèi)容）教學(xué)（學(xué)習(xí)）的進(jìn)階實(shí)證研究。我們已經(jīng)看到了一些學(xué)者關(guān)注了這一問(wèn)題，例如，北師大的劉恩山、王磊、郭玉英等教授團(tuán)隊(duì)，以及華東師大的王祖浩教授團(tuán)隊(duì)均已經(jīng)在學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究領(lǐng)域開(kāi)展了各具特色的研究。［15］［16］［17］但是，從已有的研究成果看，可能還需要更多人并且更系統(tǒng)地關(guān)注這一問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)進(jìn)階，以促進(jìn)課程、教學(xué)和評(píng)價(jià)領(lǐng)域的整體變革以及學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的連貫發(fā)展。