張玉峰 郭玉英

（1.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875；2.北京教育科學(xué)研究院，北京 100036）

科學(xué)概念是對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性的抽象概括，是構(gòu)成科學(xué)知識(shí)體系的核心要素.作為思維形式的科學(xué)概念既是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，也是學(xué)生科學(xué)思維能力發(fā)展的基礎(chǔ)和培養(yǎng)載體.［1］因此，科學(xué)概念教學(xué)在科學(xué)教育中一直占據(jù)重要地位.

自然科學(xué)是具有內(nèi)在邏輯一致性的統(tǒng)一體，大量的科學(xué)概念通過(guò)一定的邏輯相互關(guān)聯(lián)，而呈現(xiàn)出科學(xué)概念體系的層次性.科學(xué)概念層次分析是指在一定知識(shí)范圍內(nèi)選擇特定變量，分析科學(xué)概念間的內(nèi)在邏輯關(guān)系并按照變量水平劃分科學(xué)概念的層次.

1 科學(xué)概念層次分析的價(jià)值

當(dāng)代國(guó)際科學(xué)教育研究和教學(xué)實(shí)踐中普遍關(guān)注核心概念，不僅因?yàn)楹诵母拍钤趯W(xué)科知識(shí)體系中占核心地位，是對(duì)更廣泛的客觀事物和現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括的產(chǎn)物，對(duì)客觀世界具有更強(qiáng)的解釋力；還因?yàn)閷?duì)核心概念的理解水平是影響學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的重要因素之一.［2］

1.1 科學(xué)概念層次分析是科學(xué)教育研究的需要

科學(xué)概念層次分析是科學(xué)教育研究共同體內(nèi)順暢交流的要求.在當(dāng)代科學(xué)教育研究領(lǐng)域，不同研究者為了表征某些科學(xué)概念的重要性，分別采用了“核心概念（core concepts）”、“學(xué)科核心概念（discipline core concepts）”、“關(guān)鍵概念（key concepts）”、“大概念（big ideas）”、“主要概念（major concepts）”、“基 本 概 念 （fundamental concepts）”等名稱.但對(duì)于這些不同名稱概念的確切內(nèi)涵，研究者并沒(méi)有形成共識(shí)，更沒(méi)有對(duì)它們的抽象概括程度做出確切說(shuō)明.美國(guó)康奈爾大學(xué)的諾瓦克（Novak）指出，［3］這些詞的意義幾乎是相近的.在現(xiàn)行的一些課程標(biāo)準(zhǔn)文件中，有時(shí)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)上述的一些詞，但詞義并無(wú)明顯差別.［4］因此，面對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，提出研究者們能普遍接受的、相對(duì)統(tǒng)一的科學(xué)概念名稱，并說(shuō)明其層次關(guān)系，是非常必要的.

分析科學(xué)概念的層次是深化科學(xué)教育研究的要求.《科學(xué)教育的原則和大概念》一書明確提出，從知識(shí)角度看，中等程度大小的概念可以連接到較大概念，而較大的概念可以連接到更大一些的概念.從教學(xué)角度看，學(xué)生對(duì)大概念的理解有不同途徑，和與大概念相關(guān)聯(lián)的大量小概念的學(xué)習(xí)是聯(lián)系在一起的.要使學(xué)生建立科學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，形成對(duì)自然界的完整認(rèn)識(shí)，需要認(rèn)識(shí)科學(xué)概念之間的層次關(guān)系.早在上世紀(jì)60～70年代，奧蘇貝爾就已經(jīng)論述了上位知識(shí)和下位知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上首先提出先行組織者概念，上位知識(shí)可以作為先行組織者.具體到科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，上位知識(shí)和下位知識(shí)之間存在著概念大小和層次高低的問(wèn)題，需要分析科學(xué)概念層次及其邏輯關(guān)系.

學(xué)習(xí)進(jìn)階（learning progressions）研究是當(dāng)前科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)之一，［5］因?yàn)閷W(xué)習(xí)進(jìn)階作為課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)、教師培訓(xùn)的重要工具，越來(lái)越顯示出其重要價(jià)值.從學(xué)習(xí)進(jìn)階的特點(diǎn)看，學(xué)習(xí)進(jìn)階是圍繞核心概念組織的（organized around core ideas）.核心概念內(nèi)包含大量具體科學(xué)概念，它們處于不同的層次.要刻畫學(xué)生的概念發(fā)展模式必然需要基于一定單位大小的概念，［6］研究學(xué)習(xí)進(jìn)階需要對(duì)核心概念進(jìn)行解構(gòu)，科學(xué)概念的層次分析是學(xué)習(xí)進(jìn)階研究的基礎(chǔ)性工作.

一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)建和呈現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階的方法主要有兩類：［7］第一類方法一般從認(rèn)知科學(xué)與教學(xué)論視角出發(fā)，在對(duì)某主題的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)知心理學(xué)分析基礎(chǔ)上，通過(guò)開發(fā)跨學(xué)段的測(cè)評(píng)工具來(lái)探查學(xué)生對(duì)核心概念理解的發(fā)展進(jìn)程.第二類方法一般從課程論和教學(xué)論的角度出發(fā)，基于已有研究以及課程文件、社會(huì)預(yù)期，使用科學(xué)概念呈現(xiàn)出核心概念逐步發(fā)展的進(jìn)程，有研究者將此種方法稱為全景圖法 （landscape approach）.此類方法注重呈現(xiàn)各學(xué)段多學(xué)科領(lǐng)域概念間的相互聯(lián)系.從本質(zhì)上講，第一種方法是認(rèn)知過(guò)程的進(jìn)階；第二種方法是認(rèn)知內(nèi)容的進(jìn)階，也有研究者稱之為概念進(jìn)階.［4］第一類方法開發(fā)圍繞核心概念理解的測(cè)試題，第二類使用科學(xué)概念之間的關(guān)系圖來(lái)呈現(xiàn)核心概念逐步發(fā)展的進(jìn)程.這兩類方法都需要弄清楚支撐核心概念理解的具體科學(xué)概念有哪些；這些具體的科學(xué)概念之間又有怎樣的邏輯關(guān)系，大體分為幾個(gè)層級(jí).這些都是科學(xué)概念分析的重要內(nèi)容.

1.2 科學(xué)概念層次分析是課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和教材編寫的基礎(chǔ)性工作

幫助學(xué)習(xí)者建構(gòu)圍繞核心概念并且層次清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)，是教學(xué)的重要目標(biāo)之一.課程和教材是影響教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的重要變量.因此，要達(dá)到上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和教材編寫首先應(yīng)該分析科學(xué)概念的層次.

美國(guó)“2061計(jì)劃”研究人員總結(jié)出一本優(yōu)秀教材所具有的要素，其中之一就是“明晰各種概念之間的聯(lián)系”.［8］國(guó)內(nèi)學(xué)者劉恩山等人指出，［9］課程及課程資源的研發(fā)需要關(guān)注概念體系的構(gòu)建，在這里概念體系的建構(gòu)包括兩方面：第一個(gè)是不同概念之間的聯(lián)系；第二個(gè)是核心概念隨著年級(jí)段的不斷深入和發(fā)展.基于核心概念來(lái)促進(jìn)課程的連貫性和一致性已成為美國(guó)科學(xué)課程改革的重要呼聲.

因此，不管是從課程設(shè)計(jì)和教材編寫的內(nèi)在要求看，還是從國(guó)際上課程改革的趨勢(shì)看，科學(xué)概念層次分析都是課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和教材編寫所必需的基礎(chǔ)性工作.

1.3 科學(xué)概念層次分析是科學(xué)概念教學(xué)的前提

圍繞“少而精”的核心概念進(jìn)行教學(xué)，并通過(guò)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心概念的深入理解，已是科學(xué)教育界的共識(shí).［10］美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)“2061計(jì)劃”委員會(huì)副主任安德魯·阿爾根在《科學(xué)素養(yǎng)的導(dǎo)航圖》一書的“前言”中就指出，對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的概念來(lái)說(shuō)，不僅單個(gè)概念是重要的，而且概念間的相互支持也很重要，這樣有助于獲得對(duì)概念的綜合理解.

核心概念的學(xué)習(xí)并不是一蹴而就，需要大量具體科學(xué)概念作為支撐，逐步深化理解.［1］從這個(gè)意義上講，教學(xué)設(shè)計(jì)就是逐步促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心概念理解的教學(xué)實(shí)施藍(lán)圖.分析教材中知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的重要前提.而教材中知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)更多體現(xiàn)為科學(xué)概念層次.因此，從總體上看，分析科學(xué)概念層次是教學(xué)設(shè)計(jì)的前提.

從教學(xué)設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)看，分析科學(xué)概念層次是選擇教學(xué)策略和具體的教學(xué)方式的直接依據(jù)之一.例如，速度是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的基本概念，是從大量具體的運(yùn)動(dòng)中抽象概括的產(chǎn)物，教學(xué)中需要給學(xué)生提供足夠的有關(guān)運(yùn)動(dòng)快慢的感性材料，幫助學(xué)生獲得不能單獨(dú)用物體的位移和時(shí)間來(lái)描述運(yùn)動(dòng)快慢的體驗(yàn)；勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與速度關(guān)系則屬于關(guān)系概念，是通過(guò)建立位移、速度、加速度和時(shí)間等基本概念間的關(guān)系，反映客觀事物不同本質(zhì)屬性之間的關(guān)系，進(jìn)一步從整體上把握事物的本質(zhì)屬性，在教學(xué)中不僅需要提供感性材料，還需要為學(xué)生提供“腳手架”，幫助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理.

從我國(guó)的教學(xué)實(shí)際看，教師對(duì)課程理念的理解和課程標(biāo)準(zhǔn)的把握也存在一些誤區(qū).由于應(yīng)試的影響，在教學(xué)中往往更重視“考點(diǎn)”的學(xué)習(xí)，而忽視核心概念對(duì)大量具體概念的統(tǒng)領(lǐng)作用，致使學(xué)生“只見樹木，不見森林”，缺乏對(duì)科學(xué)的整體感知和深入理解.這種教學(xué)扼殺了學(xué)生的想象力，直接制約我國(guó)創(chuàng)新人才的培養(yǎng).

我國(guó)傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)更習(xí)慣按主題組織教學(xué)內(nèi)容，而忽視從核心概念角度組織教學(xué)內(nèi)容.主題的劃分往往是基于現(xiàn)象或者事實(shí)，側(cè)重科學(xué)概念對(duì)客觀世界的描述功能；而圍繞核心概念組織教學(xué)內(nèi)容則更側(cè)重概念之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系以及概念的解釋功能.

因此，不管從教學(xué)設(shè)計(jì)本身的要求看，還是從我國(guó)科學(xué)教育的現(xiàn)狀看，都應(yīng)該在科學(xué)概念層次分析的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化圍繞核心概念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并加以實(shí)施.

1.4 科學(xué)概念層次分析是改進(jìn)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的需要

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)是診斷教師“教”的效果和學(xué)生“學(xué)”的效果，及時(shí)提供反饋信息，并及時(shí)矯正的有效手段.對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程也是學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程.評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)應(yīng)該基于認(rèn)知和學(xué)習(xí)的模型，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)應(yīng)該與課程和教學(xué)具有內(nèi)在一致性.為了驗(yàn)證圍繞核心概念而進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)和教學(xué)的有效性，就應(yīng)該圍繞核心概念設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的內(nèi)容.核心概念的學(xué)習(xí)是通過(guò)大量具體的科學(xué)概念學(xué)習(xí)而逐漸深入的.核心概念與具體概念之間的聯(lián)系反映了學(xué)生對(duì)科學(xué)的整體認(rèn)識(shí)，應(yīng)是學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容.通過(guò)科學(xué)概念層次分析，有助于弄清楚某個(gè)核心概念到底以哪些科學(xué)概念作為支撐，這些科學(xué)概念之間又有怎樣的邏輯關(guān)系及其層次劃分，從而有助于確定針對(duì)某個(gè)核心概念評(píng)價(jià)的具體內(nèi)容，以及這些內(nèi)容的輕重比例.因此，科學(xué)概念層次劃分也是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的需要.

綜上所述，在科學(xué)教育領(lǐng)域，科學(xué)概念層次分析是科學(xué)教育研究、課程設(shè)計(jì)、教材編寫、教學(xué)實(shí)踐和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面的基礎(chǔ)性工作.

2 科學(xué)概念層次分析的依據(jù)

在科學(xué)教育領(lǐng)域，關(guān)于核心概念的研究一直是研究熱點(diǎn).對(duì)于如何劃分科學(xué)概念的層次，由于研究視角、研究路線、研究目的等各不相同，研究者們提出了很多觀點(diǎn)，有研究者提出科學(xué)概念層次理論；也有研究者提出核心概念的選擇標(biāo)準(zhǔn).

諾瓦克等人在1972年提出用來(lái)表征概念之間關(guān)系的可視化工具——概念圖.層次結(jié)構(gòu)是概念圖的一個(gè)重要特征.在概念圖中，按照概念的概括水平從高到低依次為關(guān)鍵概念、一般概念、概念和實(shí)例.同一知識(shí)領(lǐng)域中的概念依據(jù)其概括性水平不同而分層排布，關(guān)鍵概念的概括性最強(qiáng)，處于概念圖的最上層，具體的實(shí)例位于概念圖的最下層.

概念圖可以建構(gòu)出特定知識(shí)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu).強(qiáng)調(diào)從事物的關(guān)系中把握概念本身，關(guān)注事物的整體性和復(fù)雜性.知識(shí)不僅指在概念圖中作為節(jié)點(diǎn)的概念，還應(yīng)包括概念之間的聯(lián)系.特別是，這種聯(lián)系包括上層概念對(duì)下層概念的統(tǒng)攝作用和下層概念對(duì)上層概念的支撐作用.

在概念圖模型中，包含了按照概念自身的概括水平劃分概念層次的思想.對(duì)概念劃分層次，有助于理解不同層次概念的特點(diǎn)，也有助于分析不同層次概念之間的邏輯關(guān)系.但是，概念圖模型并沒(méi)有對(duì)不同層次概念的含義、特點(diǎn)做出明確說(shuō)明，只是描述出不同概念之間相對(duì)概括水平的高低，不同研究者對(duì)于某個(gè)概念處于哪個(gè)層次往往缺乏一致性.

20世紀(jì)70年代，美國(guó)教育專家肖瓦爾特（Showalter）提出了科學(xué)教育中科學(xué)概念的層次理論.［9］該理論提出，科學(xué)概念可分為知覺感受、直接概念、事實(shí)、定律、創(chuàng)設(shè)概念、原理、理論7個(gè)層次.但是，肖瓦爾特的科學(xué)概念層次理論并沒(méi)有明確提出一以貫之的層次劃分標(biāo)準(zhǔn)，存在兩個(gè)變量：概念認(rèn)知復(fù)雜度和概念本體復(fù)雜度.從某種意義上講，肖瓦爾特的科學(xué)概念層次理論中，從知覺概念到創(chuàng)設(shè)概念更多是從科學(xué)概念的認(rèn)知過(guò)程角度建構(gòu)的學(xué)習(xí)層次結(jié)構(gòu)；而從創(chuàng)設(shè)概念到理論概念卻是從概念本體角度描述概念層次結(jié)構(gòu).

選擇哪些科學(xué)概念作為科學(xué)教育中的核心概念，是當(dāng)今科學(xué)教育的一個(gè)重要話題.比較有影響的科學(xué)教育研究團(tuán)體［11］或者研究者，［1］提出了各自的選擇標(biāo)準(zhǔn)，分析發(fā)現(xiàn)這些選擇核心概念的標(biāo)準(zhǔn)具有共性，主要包括：（1）從概念內(nèi)涵的抽象概括程度看，核心概念相對(duì)于一般科學(xué)概念是對(duì)更大范圍內(nèi)的自然現(xiàn)象進(jìn)行的抽象概括，應(yīng)該具有更高的抽象概括程度；（2）從概念的解釋力來(lái)看，核心概念相對(duì)于一般科學(xué)概念可以適用于更大范圍內(nèi)的對(duì)象，應(yīng)該更具有普遍性；（3）從概念在學(xué)科體系中的地位看，核心概念應(yīng)該占據(jù)學(xué)科知識(shí)體系的核心位置，或者更具有文化意義；（4）從學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的角度看，核心概念應(yīng)該在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)與學(xué)生的生活、學(xué)習(xí)緊密聯(lián)系，并能在更大程度上影響學(xué)生的能力發(fā)展.

比較上述4條選擇核心概念的標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)：這4條標(biāo)準(zhǔn)具有較大的內(nèi)在一致性，抽象概括程度較高的概念往往具有強(qiáng)的解釋力，也往往處于學(xué)科知識(shí)體系的核心位置.已有研究表明：這樣的概念更能有效地促進(jìn)學(xué)生思維能力的發(fā)展.［12］

上述核心概念選擇標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在一致性對(duì)劃分科學(xué)概念的層次具有重要的啟發(fā)：科學(xué)概念的抽象概括水平可以作為判斷概念層次高低或者概念大小的變量.

3 科學(xué)概念層次模型

3.1 科學(xué)概念層次模型的內(nèi)容

本文從科學(xué)概念本體角度，以科學(xué)概念的抽象概括水平作為科學(xué)概念層次分析的變量，提出科學(xué)概念層次模型，如表1所示.

從總體上看，科學(xué)概念層次模型的構(gòu)成要素包括4個(gè)層次的科學(xué)概念，以及它們之間的聯(lián)系.按照抽象概括水平從低到高依次為“基礎(chǔ)概念”（fundamental concepts）、“重要 概念”（key concepts）、“主題核心概念”（topic core concepts）和“學(xué)科核心概念”（discipline core concepts），其中重要概念層次分為基本概念（basic concepts）和關(guān)系概念（relation concepts）兩個(gè)亞層次.之所以把重要概念分為兩個(gè)亞層，主要是因?yàn)椋旱谝唬粋€(gè)學(xué)科的重要概念構(gòu)成了這個(gè)學(xué)科的知識(shí)主體，重要概念數(shù)量較多；第二，重要概念本身具有一定的層次結(jié)構(gòu).

表1 科學(xué)概念層次模型

3.2 對(duì)模型中各層次科學(xué)概念的具體說(shuō)明

（1）學(xué)科核心概念在層次模型中處于最高層次，屬于抽象概括水平最高的科學(xué)概念.

從涉及的領(lǐng)域看，學(xué)科核心概念跨越學(xué)科內(nèi)單一主題，幾乎涵蓋學(xué)科內(nèi)各個(gè)主題，如能量概念涉及物理學(xué)科的力學(xué)主題、電磁學(xué)主題、熱學(xué)主題、光學(xué)主題、原子物理等各個(gè)主題.從科學(xué)概念的重要程度看，學(xué)科核心概念是組織整合學(xué)科自身內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念，是當(dāng)代科學(xué)教育研究關(guān)注的熱點(diǎn)，是學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展的核心.這些內(nèi)容能夠展現(xiàn)當(dāng)代學(xué)科圖景，是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分.科學(xué)教育領(lǐng)域中的學(xué)科核心概念，是指4個(gè)具體科學(xué)研究領(lǐng)域（物質(zhì)科學(xué)，生命科學(xué)，地球和空間科學(xué)以及工程、科技與科學(xué)應(yīng)用）中處于核心地位的科學(xué)概念或觀念.學(xué)科核心概念超越了那些孤立而散亂存在的事實(shí)或技能，對(duì)減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)自然界的整體認(rèn)識(shí)具有重要作用，能有效地促進(jìn)學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)、建構(gòu)學(xué)科體系.例如，美國(guó)2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards）最終確立了物質(zhì)科學(xué)的4個(gè)學(xué)科核心概念：物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量、波及其在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用——信息傳遞.

（2）主題核心概念在科學(xué)概念層次模型中介于學(xué)科核心概念與重要概念之間，抽象概括程度也介于兩者之間.

從科學(xué)概念涉及的領(lǐng)域看，主題核心概念是組織整合某個(gè)主題內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念.顯然，相對(duì)于學(xué)科核心概念，主題核心概念涉及的領(lǐng)域較狹小.例如，“運(yùn)動(dòng)與相互作用”作為學(xué)科核心概念涉及物理學(xué)科內(nèi)若干主題，而“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”作為這一學(xué)科核心概念下的主題核心概念僅涉及宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng).從主題核心概念在概念體系中的地位看，主題核心概念具有承上啟下的功能.主題核心概念是對(duì)若干重要概念抽象概括的產(chǎn)物；同時(shí)，主題核心概念又是構(gòu)成學(xué)科核心概念的主要成分，支撐學(xué)科核心概念.

（3）重要概念在科學(xué)概念層次模型中處于主題核心概念和基礎(chǔ)概念之間，抽象概括水平也介于兩者之間.

一般來(lái)說(shuō)，基本概念描述的是直接觀測(cè)到的事物客觀屬性；而關(guān)系概念描述的則是事物客觀屬性之間的關(guān)系.事物客觀屬性之間的關(guān)系一般并不能通過(guò)直接觀測(cè)得出，需要通過(guò)科學(xué)推理得出.因此，一般來(lái)說(shuō)，關(guān)系概念具有比對(duì)應(yīng)的基本概念更高程度的抽象概括水平.

在同一主題核心概念下的若干基本概念之間也可能表現(xiàn)出不同層次，如位移、速度與加速度之間具有較明顯的層次.位移是對(duì)質(zhì)點(diǎn)位置變化的直接描述；速度則是在位移基礎(chǔ)上建立的，目的是描述位置變化快慢；而加速度又是建立在速度基礎(chǔ)之上，目的是描述速度變化快慢.因此，位移、速度、加速度3個(gè)概念的抽象概括水平依次遞進(jìn).

有些基本概念的外延并不一定局限于某個(gè)特定主題，甚至跨越學(xué)科.例如，波長(zhǎng)本來(lái)是機(jī)械波主題下引入的基本概念，同時(shí)也是描述電磁波性質(zhì)的基本概念.

（4）基礎(chǔ)概念處于科學(xué)概念層次模型的最低層，是從學(xué)習(xí)者的知覺感受直接概括出的概念.

基礎(chǔ)概念是人類建構(gòu)科學(xué)概念，并以此認(rèn)識(shí)客觀世界的起點(diǎn)或者工具.基礎(chǔ)概念一般與生活、生產(chǎn)實(shí)踐中的現(xiàn)象、事實(shí)直接對(duì)應(yīng)或者緊密聯(lián)系，有些基礎(chǔ)概念則來(lái)自于數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科.基礎(chǔ)概念是定義基本概念的基礎(chǔ)和前提，抽象概括程度顯然低于基本概念.大部分基礎(chǔ)概念是定性的，并且具有較高的直觀性.例如，運(yùn)動(dòng)學(xué)主題下的基礎(chǔ)概念包括參考系、質(zhì)點(diǎn)、位置等.這些概念與人們?nèi)粘Ｉ畹闹X有密切關(guān)系，是認(rèn)識(shí)位移、速度、加速度等基本概念的基礎(chǔ)和前提，也是認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的最基本起點(diǎn).

3.3 科學(xué)概念層次模型的特點(diǎn)

科學(xué)概念層次模型是從滿足科學(xué)教育研究與實(shí)踐需求的角度建構(gòu)的關(guān)于科學(xué)概念系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，有其自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

3.3.1 開放性

科學(xué)概念是社會(huì)建構(gòu)的結(jié)果，經(jīng)過(guò)人類多個(gè)世紀(jì)的積累，逐步完善，并形成當(dāng)前狀態(tài)的科學(xué)理論體系，并非最終的科學(xué)理論體系，還可以繼續(xù)完善，因此科學(xué)概念層次模型的內(nèi)容是開放的.科學(xué)概念層次模型的開放性還體現(xiàn)在學(xué)習(xí)的階段性上，例如，同樣對(duì)應(yīng)于“運(yùn)動(dòng)與相互作用”這一學(xué)科核心概念，相對(duì)于初中階段的科學(xué)概念層次模型，高中階段的模型在內(nèi)容上更加豐富.這種豐富體現(xiàn)在內(nèi)容的增加和原有內(nèi)容的拓展.

3.3.2 層次性

層次性是科學(xué)概念層次模型的本質(zhì)特征.科學(xué)概念按照抽象概括水平分為4個(gè)層次，不同層次概念具有不同的內(nèi)涵和明顯的特征.

3.3.3 關(guān)聯(lián)性

科學(xué)概念層次模型中，科學(xué)概念間包含豐富的關(guān)聯(lián).既有不同層次科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)；也有同一層次內(nèi)科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián).

3.3.4 可操作性

科學(xué)概念層次模型中，以抽象概括水平作為單一變量，分析科學(xué)概念層次，變量清晰，因而在實(shí)踐中容易操作.

4 科學(xué)概念層次分析（以“運(yùn)動(dòng)與相互作用”學(xué)科核心概念為例）

這里以“運(yùn)動(dòng)與相互作用”為例，在高中階段所要求的范圍內(nèi)應(yīng)用模型分析科學(xué)概念的層次.分析的主要步驟包括以下幾個(gè)方面.

第1步，確定學(xué)科核心概念.“運(yùn)動(dòng)與相互作用”，這是確定各層次概念的起點(diǎn).之所以確定這個(gè)科學(xué)概念為學(xué)科核心概念，是因?yàn)樗菍?duì)非常廣泛領(lǐng)域的客觀事物進(jìn)行抽象概括的產(chǎn)物，在廣泛領(lǐng)域具有解釋力，不僅涉及力學(xué)領(lǐng)域中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量，還涉及電磁學(xué)領(lǐng)域中靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)，原子物理領(lǐng)域的核反應(yīng)等相關(guān)主題.學(xué)科核心概念的確定，往往是科學(xué)共同體多次討論后達(dá)成的共識(shí).［9］

第2步，解構(gòu)學(xué)科核心概念，確定主題核心概念.支撐“運(yùn)動(dòng)與相互作用”這一學(xué)科核心概念的主題核心概念主要包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力與相互作用、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等.

第3步，解構(gòu)主題核心概念，確定重要概念.支撐“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”這一主題核心概念的重要概念主要包括速度與時(shí)間關(guān)系、位移與時(shí)間關(guān)系、角速度與周期關(guān)系、角速度與線速度關(guān)系、加速度、速度、位移、時(shí)間、角速度、周期等.限于本文篇幅，“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”之外的主題核心概念不做進(jìn)一步解構(gòu).

第4步，區(qū)分重要概念中的基本概念和關(guān)系概念.上述重要概念中，加速度、速度、位移、角速度、周期等概念是為了描述物體運(yùn)動(dòng)而定義的，屬于基本概念，都是能夠量化的科學(xué)概念；勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與速度關(guān)系（2as＝－）、角速度與周期關(guān)系（ω＝）、角速度與線速度關(guān)系（v＝ωr）等科學(xué)概念反映了基本概念間的關(guān)系，屬于關(guān)系概念.

第5步，分析影響重要概念建構(gòu)的知識(shí)要素，從中選擇并確定基礎(chǔ)概念.例如，參考系、質(zhì)點(diǎn)、位置、時(shí)間、時(shí)刻、矢量、標(biāo)量等屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的基礎(chǔ)概念.

第6步，呈現(xiàn)科學(xué)概念的層次分析，如表2所示.需要說(shuō)明的是，表2中各層次的概念并不全，只是通過(guò)示例具體說(shuō)明如何確定某個(gè)科學(xué)概念所處的層次.為了使得分析較清晰直觀，各科學(xué)概念的關(guān)系并未列出.

表2 “運(yùn)動(dòng)與相互作用”學(xué)科核心概念層次分析

1 郭玉英，姚建欣，張靜.整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階［J］.課程·教材·教法，2013（2）：44－49.

2 范佳午.科學(xué)探究能力發(fā)展［D］.北京：北京師范大學(xué)，2012：6.

3 J D Novak.Concept in Science［J］.Theory into Practice，1971（10）：129－133.

4 陳佩瀅.中學(xué)物理課程中“運(yùn)動(dòng)和力”主題的核心概念進(jìn)階研究［D］.北京：北京師范大學(xué).2013：4.

5 A C Alonzo，J T Steedle.Developing and assessing a force and motion learning progression ［J］.Science Education，2009（3）：390－421.

6 王磊，黃鳴春.科學(xué)教育的新興研究領(lǐng)域：學(xué)習(xí)進(jìn)階研究［J］.課程·教材·教法，2014（1）：112－118.

7 劉晟，劉恩山.學(xué)習(xí)進(jìn)階：關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和生活經(jīng)驗(yàn)［J］.教育學(xué)報(bào)，2012（2）：81－87.

8 美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì).科學(xué)素養(yǎng)的導(dǎo)航圖［M］.北京：科學(xué)普及出版社，2008：8－9.

9 張穎之，劉恩山.科學(xué)教育中科學(xué)內(nèi)容知識(shí)的結(jié)構(gòu)［J］.課程·教材·教法，2013（10）：47－51.

10 溫·哈倫.科學(xué)教育的原則與大概念［M］.北京：科學(xué)普及出版社，2011：22.

11 約瑟夫·科瑞柴科.革命性的變化：美國(guó)確立新一代科學(xué)教育框架［J］.基礎(chǔ)教育課程，2013（1）：82－85.

12 羅伯特·L·索爾索著.黃希庭譯.認(rèn)知心理學(xué)［M］.北京：教育科學(xué)出版社，1990：245.