劉 晟

好書評述

“大概念”對科學(xué)教育至關(guān)重要
——《科學(xué)教育的原則和大概念》①導(dǎo)讀

劉 晟②

旨在提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的科學(xué)教育，應(yīng)通過各學(xué)段連貫一致的整體課程設(shè)計，從學(xué)生感興趣并與他們生活相關(guān)的課題開始，幫助他們逐步形成一些數(shù)量相對較少的科學(xué)概念和關(guān)于科學(xué)的“大概念”。《科學(xué)教育的原則和大概念》一書言簡意賅地呈現(xiàn)出科學(xué)教育的10項原則和14個科學(xué)概念與關(guān)于科學(xué)的大概念，與當(dāng)代科學(xué)教育發(fā)展趨勢及研究成果相互印證，是適合全體科學(xué)教育從業(yè)者閱讀的重要譯著。

科學(xué)教育；大概念；科學(xué)本質(zhì)；連貫一致

伴隨著科技的飛速發(fā)展和知識的爆炸式增長，試圖在學(xué)校教學(xué)中覆蓋盡可能多的內(nèi)容，即追求知識的廣度(width)而非深度(depth)，往往會使科學(xué)課程內(nèi)容呈現(xiàn)為一系列細(xì)節(jié)與不相關(guān)事實的羅列。在這一做法下，學(xué)習(xí)者在完成學(xué)業(yè)時，往往只會在頭腦中留下一些剝離的知識碎片及毫無意義的學(xué)校教學(xué)成果，缺乏對現(xiàn)實世界中真實事物的深入理解。[1，2]維果斯基曾指出，兒童通過與現(xiàn)實世界的直接接觸，會自發(fā)地形成一套對這個世界如何運轉(zhuǎn)的理解體系，即日常概念(或稱自發(fā)概念)。[3]而兒童從學(xué)校教學(xué)中所獲得的科學(xué)的基本原理，則是“科學(xué)概念”。只有當(dāng)兒童生活過程中原已形成的日常概念與學(xué)校教學(xué)中期待學(xué)生掌握的科學(xué)概念建立起相互聯(lián)系時，才能形成有意義的學(xué)習(xí)。

當(dāng)代科學(xué)教育研究的成果顯示，那些能夠在紙筆測試中取得好成績的學(xué)生，并不一定能很好地理解學(xué)校課堂上所學(xué)的知識并將其用于解決課堂以外的問題。[4]哈佛大學(xué)史密森天體物理學(xué)中心曾做過一項研究，給哈佛大學(xué)的畢業(yè)生展示一粒種子和一段木頭，然后問他們“種子長成參天大樹所需的物質(zhì)主要來源于哪里?”絕大多數(shù)畢業(yè)生都認(rèn)為來源于土壤或水——這是一種典型的兒童直接接觸自然后自發(fā)形成的日常概念。[5]而實際上，學(xué)校科學(xué)教學(xué)所期待學(xué)生掌握的科學(xué)概念是——構(gòu)成參天大樹的物質(zhì)主要是由植物光合作用吸收并轉(zhuǎn)化空氣中的CO2形成的，即其所需的物質(zhì)主要來源于空氣中的CO2。這表明，學(xué)生的日常概念并沒有與學(xué)校教學(xué)中的科學(xué)概念建立起有意義的聯(lián)系。

伴隨著對學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的探討以及當(dāng)代科學(xué)教育研究的不斷深入，越來越多的科學(xué)教育工作者意識到科學(xué)教學(xué)應(yīng)遵循“少而精(less is more)”的理念，從課程、教材、教學(xué)、評價、教師培訓(xùn)等方面對科學(xué)教育的各學(xué)段進(jìn)行連貫一致的整體設(shè)計——聚焦于發(fā)展學(xué)生對科學(xué)“大概念”的深入理解。[6，7，8]什么是“大概念”?中小學(xué)科學(xué)教學(xué)中應(yīng)聚焦于哪些“大概念”?聚焦“大概念”的教學(xué)應(yīng)怎樣開展?怎樣從宏觀上保證中小學(xué)科學(xué)教學(xué)具備良好的一致性和連貫性?——閱讀《科學(xué)教育的原則和大概念》一書將有助于讀者深入思考這些問題。

該書緣自2009年10月一次規(guī)模不大的國際研討會。這個研討會的初衷就是針對中小學(xué)科學(xué)教育中大多缺乏連貫性這一現(xiàn)象，提出科學(xué)教育應(yīng)遵循的基本原則，凝練出學(xué)生應(yīng)接觸的“大概念”，從而在宏觀上考慮科學(xué)教育的連貫性。參與研討會的10位專家中，既有經(jīng)驗豐富的科學(xué)家和工程師，也有長期從事科學(xué)教育的教育家。通過會前文獻(xiàn)資料的收集、會上的研討、會后的持續(xù)通信討論，最終形成了一份報告，即《科學(xué)教育的原則和大概念》。

一、本書內(nèi)容簡介

本書主要圍繞以下五個問題展開論述:

1.為什么需要大概念?

2.科學(xué)教育應(yīng)遵循哪些原則?

3.大概念是怎樣被挑選出來的?

4.應(yīng)以怎樣的路徑幫學(xué)生發(fā)展出這些大概念?

5.從教學(xué)法的角度，應(yīng)怎樣開展聚焦于大概念的科學(xué)教學(xué)?

圍繞這些問題，本書的引言部分先與讀者分享了研討會對學(xué)生與學(xué)?，F(xiàn)狀的看法——學(xué)生普遍對科學(xué)缺乏興趣，而學(xué)校的科學(xué)教育無法幫助許多學(xué)生了解周圍事物乃至成為具備科學(xué)素養(yǎng)的公民，并分析指出這一現(xiàn)狀可能與教師難以構(gòu)思和選擇恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)有關(guān)，進(jìn)而提出本書的核心觀點——科學(xué)教育的目標(biāo)不是去獲得一堆由事實和理論堆砌的知識，而應(yīng)是實現(xiàn)一個趨向于大概念的進(jìn)展過程，這樣做有助于學(xué)生理解與他們生活相關(guān)的事件和現(xiàn)象。隨后，在第一章中呈現(xiàn)出了本次研討會上總結(jié)和歸納出的“科學(xué)教育的10項原則”，旨在表達(dá)研討會成員認(rèn)為在指導(dǎo)科學(xué)教育決策和行動中，應(yīng)考慮怎樣的價值觀和標(biāo)桿以及應(yīng)斟酌哪些決策和行動，包括科學(xué)教育的目的、意圖、目標(biāo)和進(jìn)程，以及與學(xué)習(xí)經(jīng)驗、評價、學(xué)?？茖W(xué)項目有關(guān)的原則。

第二章則通過對四個問題的探討，闡述了本書中的科學(xué)大概念是遵循怎樣的標(biāo)準(zhǔn)選擇出來的。這四個問題是:(1)“科學(xué)的概念和科學(xué)教育的概念是相同的嗎”?(2)“大概念應(yīng)該大到什么程度”?(3)“選擇的標(biāo)準(zhǔn)是什么”?(4)“我們應(yīng)該局限于那些來自科學(xué)研究成果的概念”還是“應(yīng)該包括有關(guān)科學(xué)活動的概念和有關(guān)科學(xué)概念運用方面的概念”?本章對這四個問題的探討，主要是圍繞“學(xué)校的科學(xué)”與“真實的科學(xué)”的關(guān)系、“有關(guān)世界的知識”與“有關(guān)獲得這些知識的過程的知識”的區(qū)別以及概念間的關(guān)聯(lián)程度及其價值展開的。在本章最后，呈現(xiàn)出本次研討會篩選出的10條科學(xué)概念(Ideas of science)和4條關(guān)于科學(xué)的概念(Ideas about science)。

第三章旨在探討并描繪“從兒童早期對他們周圍物體和事件的探索開始，以什么樣的路徑發(fā)展出這些科學(xué)大概念和有關(guān)科學(xué)的大概念?”在這一章中，作者首先結(jié)合已有研究和文獻(xiàn)簡述了兒童對周圍世界早期概念的形成過程和特點，并總結(jié)和分析了關(guān)于兒童早期概念如何進(jìn)展為科學(xué)概念的三種觀點。隨后，針對第二章中列出的14條大概念，逐一描述了每條大概念是怎樣從日常生活中的已有經(jīng)驗逐步發(fā)展出來的。

第四章主要聚集于探討“如何學(xué)習(xí)才能達(dá)到發(fā)展大概念的目的，并同時能符合支撐科學(xué)教育發(fā)展的各項原則”這一問題。在這一章中，作者主要從教學(xué)法的角度展開分析，依次討論了怎樣將第一章中的原則應(yīng)用到科學(xué)教育的學(xué)生活動中、指向大概念的科學(xué)課程有效教學(xué)法具備怎樣的特征以及這種教學(xué)法對教師帶來的挑戰(zhàn)并給出建議。

二、本書的價值與意義

這本譯著短小精悍，從引言到第四章正文結(jié)束總共55頁，言簡意賅地展現(xiàn)出參與研討會的專家們總結(jié)出的關(guān)于科學(xué)教育的10項原則和14條大概念，是科學(xué)教育從業(yè)者快速了解國際科學(xué)教育發(fā)展趨勢、改革動向及研究成果的重要譯著。這本譯著在2011年7月首次出版后，又于2015年3月進(jìn)行了第二次印刷。在這本書的中文版后記中，曾問到“一本薄薄的小冊子，何以能夠吸引眾多教育家和科學(xué)家的關(guān)注呢?”這其中一個可能的原因就是，本書所蘊含的以下三個方面的科學(xué)教育思想，與當(dāng)代科學(xué)教育發(fā)展趨勢及研究成果高度一致、相互印證。

這樣跳了許多次以后，寶寶有把握不摔倒了，再進(jìn)一步練習(xí)從桌子上跳。寶寶在滿足了這項嘗試后，就不再偷偷去跳了。

(一)圍繞“大概念”展開科學(xué)教學(xué)是實現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)、進(jìn)而提高公民科學(xué)素養(yǎng)的必要條件

當(dāng)下我們所居住的世界，已被人類通過多種方式加以探索和改造，如筑壩引水、開墾森林、建造公路和鐵路等。不論是在當(dāng)下還是未來，這種探索和改造仍會持續(xù)不斷地進(jìn)行，以期讓我們賴以生存的世界變得更加美好。這不僅需要大批具備科技創(chuàng)新能力的專業(yè)人才，而且還要求全體公民都具備良好的科學(xué)素養(yǎng)。在這種背景下，中小學(xué)科學(xué)教育不再以培養(yǎng)新一代的科技人才為首要目標(biāo)，而是要以提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為首要目標(biāo)，以培養(yǎng)未來公民應(yīng)對其所處時代的挑戰(zhàn)，通過服務(wù)于工作領(lǐng)域和社會，實現(xiàn)自我價值和負(fù)責(zé)任地生活。[9，10]

這種“面向全體學(xué)生的科學(xué)教育”，意味著必須要在有限的教學(xué)時間內(nèi)，選擇對所有學(xué)習(xí)者都至關(guān)重要的科學(xué)大概念，針對與這些大概念相關(guān)的學(xué)習(xí)者自發(fā)形成的日常概念展開教學(xué)設(shè)計，才有可能實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)，從而提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。這一觀點在本書所論述的科學(xué)教育的10項原則、大概念的篩選標(biāo)準(zhǔn)以及基于大概念的教學(xué)法中都得到了體現(xiàn)。而這一觀點背后所蘊含的認(rèn)知與學(xué)習(xí)科學(xué)的基本原理，則在美國國家研究理事會的《學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的——課堂中的科學(xué)》①National Research Council.(2005).How Students Learn:Science in the Classroom.Washington，D.C.:National Academies Press.中譯本《學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的:課堂中的科學(xué)》由廣西師范大學(xué)出版社2011年3月出版，2012年6月重印。一書中得到了詳細(xì)地闡述和論證。

(二)“科學(xué)概念”與“關(guān)于科學(xué)的概念”都至關(guān)重要

對于一個有良好科學(xué)素養(yǎng)的公民，除了理解關(guān)于自然界的“科學(xué)概念”是什么，也應(yīng)知道這些用于解釋周圍事物的概念是如何得到的——即“關(guān)于科學(xué)的概念”——從而在面對新的、不熟悉的科學(xué)情境時做出明智的個人及社會決策。而關(guān)于科學(xué)的概念，在國際科學(xué)教育領(lǐng)域中是一個專門的研究領(lǐng)域——科學(xué)本質(zhì)(Nature of Science，NOS)。美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會在《面向全體美國人的科學(xué)》②American Association for the Advancement of Science(AAAS).(1989).Science for All Americans[M].New York，NY:Oxford University Press Inc.中譯本《面向全體美國人的科學(xué)》由科學(xué)普及出版社2001年9月出版。和《科學(xué)素養(yǎng)的基準(zhǔn)》③American Association for the Advancement of Science(AAAS).(1993).Benchmarks for Science Literacy[M]. New York，NY:Oxford University Press Inc.中譯本《科學(xué)素養(yǎng)的基準(zhǔn)》由科學(xué)普及出版社2001年6月出版。這兩本書中都從科學(xué)世界觀、科學(xué)探索、科學(xué)事業(yè)三個角度論述了科學(xué)的性質(zhì)。

本書所提出的支撐科學(xué)教育的基本原則中的第三條就提到，科學(xué)教育應(yīng)致力于理解一些科學(xué)上有關(guān)的大概念，包括科學(xué)概念以及關(guān)于科學(xué)本身和科學(xué)在社會中所起作用的關(guān)于科學(xué)的概念(即上面兩本書中論述的科學(xué)的性質(zhì))。同時，還在14條大概念中列出了4條關(guān)于科學(xué)的概念——“科學(xué)認(rèn)為每一種現(xiàn)象都具有一個或多個原因”“科學(xué)上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內(nèi)與事實最為吻合的”“科學(xué)發(fā)現(xiàn)的知識可以用于開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品，為人類服務(wù)”以及“科學(xué)的應(yīng)用經(jīng)常會對倫理、社會、經(jīng)濟(jì)和政治產(chǎn)生影響”。

(三)“大概念”的形成須從兒童早期概念為起點，通過連貫一致的課程得到逐步發(fā)展

關(guān)于學(xué)習(xí)進(jìn)階的相關(guān)研究揭示，要關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和已有生活經(jīng)驗，就必須要設(shè)計出少而精、同一年級內(nèi)以及跨年級之間連貫一致的中小學(xué)課程。美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會在《科學(xué)素養(yǎng)的導(dǎo)航圖》第一輯①American Association for the Advancement of Science(AAAS).(2001).Atlas of Science Literacy，Volumes 1[M] .New York:Oxford University Press Inc.中譯本《科學(xué)素養(yǎng)的導(dǎo)航圖》由科學(xué)普及出版社2008年9月出版。與第二輯②American Association for the Advancement of Science(AAAS).(2007).Atlas of Science Literacy，Volumes 2[M]. New York:Oxford University Press Inc.兩冊書中明確闡釋了科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)等主題之間的內(nèi)在聯(lián)系，并對每一主題相對應(yīng)的幼兒園至十二年級的學(xué)習(xí)目標(biāo)提出了建議，進(jìn)而為學(xué)生創(chuàng)造了一種可能:隨著學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的進(jìn)步，他們可以有更高的水平來理解概念，從而發(fā)展他們對周圍世界的認(rèn)知能力。

本書所提出的支撐科學(xué)教育的基本原則中第4條和第5條就分別提到，“應(yīng)給出為了達(dá)到科學(xué)教育各個方面目標(biāo)的清晰進(jìn)程，指出在不同階段需要掌握的概念”以及“應(yīng)該從學(xué)生感興趣并與他們生活相關(guān)的課題開始，逐步進(jìn)展到掌握大概念”。同時，還在第三章依次描繪出了14條大概念的進(jìn)展路徑。

三、本書對科技博物館科學(xué)教育帶來的啟示

(一)圍繞“科學(xué)概念”與“關(guān)于科學(xué)的概念”進(jìn)行展品及教育活動設(shè)計

美國國家研究理事會(National Research Council，NRC)在《非正式環(huán)境中的科學(xué)學(xué)習(xí):人、場所與活動》③National Research Council.(2009).Learning Science in Informal Environments:People，Places，and Pursuits. Washington D.C.:The National Academies Press.中譯本《非正式環(huán)境中的科學(xué)學(xué)習(xí):人、場所與活動》由科學(xué)普及出版社2015年2月出版。這一報告中指出，在科技博物館等場所中開展科學(xué)學(xué)習(xí)時，應(yīng)聚焦于六個方面的目標(biāo)。這其中就包括了“逐步概括、理解、記憶和運用與科學(xué)有關(guān)的概念、解釋、論點、模型和事實”以及“反思科學(xué)，以此作為認(rèn)識的方式；反思科學(xué)的過程、概念和機(jī)制；以及反思題目通過現(xiàn)象學(xué)習(xí)的過程”。而這兩方面的學(xué)習(xí)目標(biāo)所指向的內(nèi)容，正是本書中所提及的“科學(xué)概念”和“關(guān)于科學(xué)的概念”。在面向公眾設(shè)計和規(guī)劃展品和教育活動時，應(yīng)偏重于發(fā)展參觀者的哪些科學(xué)概念和關(guān)于科學(xué)的概念，才能讓展品及教育活動設(shè)計盡量符合參觀者的認(rèn)知水平、聚集于最具教育價值的內(nèi)容上。閱讀《科學(xué)教育的原則和大概念》一書及上文中介紹的相關(guān)書目將有助于對此問題展開深入的思考和分析。

(二)引發(fā)參觀者對科學(xué)現(xiàn)象的情緒或感官反應(yīng)，觸動其基于直覺的日常概念，形成科學(xué)的理解

在科技博物館等環(huán)境下，科學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)及結(jié)果會受到興趣與動機(jī)、情感反應(yīng)以及在生活中基于直覺形成的日常概念等因素的影響。而在科技博物館這類經(jīng)過設(shè)計的場所展開科學(xué)學(xué)習(xí)時，最重要的挑戰(zhàn)之一就是將參觀者情緒的和感官的反應(yīng)與具體的科學(xué)現(xiàn)象聯(lián)系起來，將科學(xué)思維與具有魅力和令人愉悅的活動以及真實世界的結(jié)果聯(lián)系起來。[11]《科學(xué)教育的原則和大概念》一書中提出的“科學(xué)教育的10項原則”亦可作為博物館產(chǎn)品設(shè)計的參考原則，以深入思考怎樣引發(fā)參觀者對科學(xué)現(xiàn)象的情緒或感官反應(yīng)。此外，學(xué)習(xí)本書第三章中所描繪的科學(xué)概念發(fā)展進(jìn)程，并輔以上文推薦的相關(guān)書目的閱讀，也將有助于產(chǎn)品設(shè)計者理解參觀者在真實世界中基于直覺形成的日常概念如何逐步發(fā)展為科學(xué)的概念。

[1]Lisa Fratt.Less is more:trimming the overstuffed curriculum[EB/OL].[2017－06－09].https:// florida.iat.com/pdf/articles/Less_is_More.pdf.

[2]Committee on Conceptual Framework for the New K－12 Science Education Standards，National Research Council.A Framework for K－12 Science Education:Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas[M].Washington D.C.:The National Academies Press，2012:1－3，25－26.

[3]維果斯基著，余震球譯.維果斯基教育論著選[M].北京:人民教育出版社，2004:11.

[4]Ron Brandt.On Teaching for Understanding:A ConversationwithHowardGardner[J]. Educational Leadership，1993，50(7):4－7.

[5]Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.Private Universe Project in Science，Workshop 2 Biology:Why Are Some Ideas So Difficult?[EB/ OL].1995.[2017－06－09].http://www. learner.org/resources/series29.html?pop＝y(tǒng)es＆pid＝84＃.

[6]張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學(xué)中的地位和作用——從記憶事實向理解概念的轉(zhuǎn)變[J].教育學(xué)報，2010，6(1):57－61.

[7]楊文源，劉恩山.為了理解的教學(xué)設(shè)計:從指向核心概念的問題開始[J].生物學(xué)通報，2014 (01):28－33.

[8]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[J].教育學(xué)報，2012.8(2):81－87.

[9]American Association for the Advancement of Science(AAAS).Science for all Americans[M]. New York:Oxford University Press Inc.1989: 107－117.

[10]Trilling，B.＆Fadel，C.21st century skills: learning forlifeinourtimes[M].San Francisco，US:Jossey-Bass.2009:3－19.

[11]National Research Council.Learning Science in Informal Environments:People，Places，and Pursuits[M].Washington D.C.:The National Academies Press，2009:128.

The Great Significance of Big Ideas to Science Education——Guides for Reading the Book“Principles and Big Ideas of Science Education”

Liu Cheng

To improve scientific literacy for all citizens，it is essential and necessary to help students develop some scientific concept and“big idea”by means of coherent curriculum design，especially focusing on the interesting topic relevant to the real life.The book，“Principles and Big Ideas of Science Education”outlines ten principles of science education and fourteen big ideas of science and about science.The opinions and perspectives shown in this book are consistent with the current development and research findings in science education.This book is an important translation work for all practitioners in science education.

science education，big ideas，nature of science，coherent

①《科學(xué)教育的原則和大概念》一書由英國溫·哈倫編著，韋鈺譯，科學(xué)普及出版社2011年7月出版。

②劉 晟:北京師范大學(xué)講師，博士；研究方向:概念教學(xué)、科學(xué)探究及科學(xué)本質(zhì)；通訊地址:北京市海淀區(qū)新街口外大街19號北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；郵編:100875；Email:liucheng＠bnu.edu.cn。