吳晗清 劉 夢(mèng) 李富強(qiáng)

(1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100037；2.西南大學(xué)教師教育學(xué)院，重慶 400715)

概念是人類(lèi)在認(rèn)識(shí)過(guò)程中把所感覺(jué)到的事物的共同特點(diǎn)提煉出來(lái)，加以概括形成的一種思維形式，它反映著客觀事物一般的、本質(zhì)的特征。相比具象的科學(xué)知識(shí)，抽象的科學(xué)概念更具挑戰(zhàn)性。大概念是更為上位的概念，是學(xué)生在忘記具體的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)之后還能長(zhǎng)久保留的中心概念[1]。大概念是認(rèn)識(shí)世界的思維方式，承擔(dān)著引發(fā)學(xué)生思考、重塑學(xué)生核心素養(yǎng)的功能。本研究結(jié)合義務(wù)教育和普通高中教育階段物理、化學(xué)、生物學(xué)三科的課程標(biāo)準(zhǔn)，以“能量”為例，對(duì)科學(xué)大概念教學(xué)進(jìn)行初步探討。

一、大概念的理性探討

1.概念的界定

最早提及大概念的是教育心理學(xué)家布魯納，他強(qiáng)調(diào)無(wú)論教師教授哪類(lèi)學(xué)科，一定要使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，這有助于學(xué)生解決課堂內(nèi)外所遇到的各類(lèi)問(wèn)題[2]。這里的學(xué)科基本結(jié)構(gòu)就是有機(jī)的概念體系，即大概念。大概念是指居于學(xué)科中心、超越課堂之外，具有持久價(jià)值和遷移價(jià)值的關(guān)鍵性概念、原理和方法。可見(jiàn)，大概念的“大”并不是一個(gè)絕對(duì)的高度，而是根據(jù)相應(yīng)的研究領(lǐng)域來(lái)界定的?？鐚W(xué)科大概念的層次一般比學(xué)科內(nèi)大概念高，可以包含下位的學(xué)科大概念。同一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)部的大概念，也有層級(jí)之分[3]。因此，大概念是一個(gè)相對(duì)的概念，層次越高的大概念越為抽象，可輻射的范圍也就越廣。

本文所指的大概念是某個(gè)概念體系中的最上位概念，表征的是某個(gè)學(xué)科或領(lǐng)域的根本框架，一以貫之于學(xué)科或領(lǐng)域的根本內(nèi)容與本質(zhì)特征，是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分。大概念不僅是架構(gòu)知識(shí)體系的核心紐帶，還充分體現(xiàn)了學(xué)科思想與方法，即大概念既需要相應(yīng)的知識(shí)作為基礎(chǔ)，但是更多地體現(xiàn)了一種學(xué)科獨(dú)特的視野和眼光以及看待問(wèn)題、研究問(wèn)題的思考方式和行為習(xí)慣。比如力之于物理、分子之于化學(xué)、細(xì)胞之于生物，都是具有明顯學(xué)科特色的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的大概念。又如本研究中的“能量”大概念，就是跨物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的科學(xué)大概念，是以“能量”為切入點(diǎn)來(lái)思考物質(zhì)及其變化過(guò)程的思維范式。

2.大概念的結(jié)構(gòu)與特征

大概念之“大”，不僅體現(xiàn)在數(shù)量和內(nèi)容上，還彰顯了概念的時(shí)空背景。數(shù)量上，大概念包含眾多的小概念；內(nèi)容上，大概念所囊括的各級(jí)下位概念并不是簡(jiǎn)單的拼盤(pán)，而是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的有機(jī)體系；時(shí)間上，大概念的形成是一個(gè)歷史的認(rèn)識(shí)過(guò)程，是理論與實(shí)踐交融的結(jié)果；空間上，大概念是立體的結(jié)構(gòu)，是對(duì)復(fù)雜世界的豐滿解釋?zhuān)嵌鄠€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的融合?？梢?jiàn)，“大”包括了數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)精致、過(guò)程漸進(jìn)、視域多維等意蘊(yùn)。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，本研究認(rèn)為教學(xué)中的大概念對(duì)應(yīng)地具有統(tǒng)攝性、結(jié)構(gòu)性、進(jìn)階性及多維性等特征。

(1)統(tǒng)攝性，就是數(shù)量眾多。上位概念是指具有較廣包容面或較高概括水平的概念或命題，也可以理解為“屬概念”；下位概念是指包容范圍或概括水平較低的概念或命題，也可以理解為“種概念”。大概念是一個(gè)上位概念，其中統(tǒng)攝眾多下位概念。例如能量這一大概念涉及“不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化”，而轉(zhuǎn)化又包括“光合作用可以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能”“燃燒可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能”等。不同級(jí)別的眾多下位概念，類(lèi)似于來(lái)自大概念的指數(shù)級(jí)的分解與裂變，但是大概念本身是源頭，統(tǒng)攝一切，可以促進(jìn)概念的深度學(xué)習(xí)[4]。

(2)結(jié)構(gòu)性，就是內(nèi)容精致。大概念是復(fù)雜的，但是其內(nèi)部橫向和縱向都具有高度精致的結(jié)構(gòu)性。橫向聯(lián)結(jié)方面，是同位概念的有序結(jié)構(gòu)。如能量存在著多種形式，同一形式的能量在不同物質(zhì)間進(jìn)行轉(zhuǎn)移就是能量的轉(zhuǎn)移過(guò)程；當(dāng)一種形式的能量通過(guò)某種機(jī)制轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量時(shí)，能量轉(zhuǎn)化也就完成了；而在一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)中，無(wú)論各種形式的能量之間如何轉(zhuǎn)化或是某種形式的能量在不同物質(zhì)間如何轉(zhuǎn)移，能量總和是不變的，即能量守恒?？v向構(gòu)化方面，是上下位概念的序列。如重力勢(shì)能是勢(shì)能的一種，勢(shì)能歸屬于機(jī)械能，機(jī)械能是能量的一種形式。可見(jiàn)，這些小概念并不是毫無(wú)章法地聚集在“能量形式”這個(gè)大概念之下，而是呈現(xiàn)出層層遞進(jìn)的嚴(yán)密結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性直接表征了學(xué)生的認(rèn)知水平[5]。

(3)進(jìn)階性，就是循序漸進(jìn)。學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題的概念時(shí)所遵循的一系列由簡(jiǎn)單到復(fù)雜相互關(guān)聯(lián)的概念序列描述。九層之臺(tái)起于壘土，千里之行始于足下，很明顯大概念是通過(guò)日積月累的小概念進(jìn)階架構(gòu)而成的。如初中課程只要求學(xué)生從生活實(shí)例和現(xiàn)象中了解能量轉(zhuǎn)移，高中必修則要求學(xué)生從反應(yīng)原理角度理解能量轉(zhuǎn)移歷程，高中選修要求學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行定量計(jì)算。隨著時(shí)間的推移，學(xué)生對(duì)該內(nèi)容的理解和思考將日趨成熟、不斷深入，最終獲得對(duì)概念的理解。因此，大概念的獲得是一個(gè)循序漸進(jìn)的建構(gòu)過(guò)程，不可越俎代庖，不能一蹴而就。

(4)多維性，就是視域多元。大概念并不局限在某個(gè)學(xué)科之內(nèi)，它可以涵蓋多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，具有跨學(xué)科的屬性。一種理論能夠解釋的問(wèn)題越多，表明它的普適性越強(qiáng)。同樣一個(gè)概念，它涉及的領(lǐng)域越多，表明它越“大”?！澳芰俊边@一科學(xué)大概念覆蓋了物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)。如在物理學(xué)科中，小車(chē)從坡底爬到坡頂，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；在化學(xué)學(xué)科中，電解池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；在生物學(xué)科中，光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能?？梢?jiàn)，同一概念可以從多學(xué)科的角度來(lái)進(jìn)行多維度的認(rèn)知。大概念的教學(xué)，要圍繞概念的啟發(fā)性、聯(lián)系的豐富性、學(xué)生的可及性等促進(jìn)大概念的多維建構(gòu)[6]。

二、大概念“能量”在科學(xué)課程中的分布及重要價(jià)值

1.作為科學(xué)大概念的“能量”

能量貫穿于中學(xué)物理、化學(xué)、生物學(xué)課程的始終，其中有很多下位概念(如反應(yīng)熱、機(jī)械能等)，十分繁雜，學(xué)生若機(jī)械記憶這些概念，會(huì)事倍功半。建構(gòu)一個(gè)相互聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)化的概念框架，將會(huì)極大地促進(jìn)學(xué)生掌握這些看似零散的概念知識(shí)點(diǎn)，深入理解以至融會(huì)貫通。能量大概念在各國(guó)課程中均已有所體現(xiàn)，如日本小學(xué)科學(xué)課程中的“物質(zhì)·能量”領(lǐng)域以能量大概念與粒子大概念組織課程內(nèi)容。美國(guó)下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱(chēng)NGSS)主張將科學(xué)本質(zhì)融入科學(xué)課程內(nèi)容，通過(guò)整合科學(xué)工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念、學(xué)科核心概念來(lái)實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育的目標(biāo)。其中，能量大概念包括學(xué)科核心概念和跨學(xué)科共通概念，涵蓋物理、化學(xué)和生物學(xué)三門(mén)學(xué)科的內(nèi)容，對(duì)能量大概念在各階段的學(xué)習(xí)要求進(jìn)行了詳盡的闡述。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)研究主要集中在對(duì)能量觀念的探討上，如有人認(rèn)為，能量觀念是人們從能量的角度對(duì)宇宙及事物的運(yùn)動(dòng)和變化進(jìn)行本源性思考而形成的認(rèn)識(shí)方式和思維方式[7]。能量觀是一個(gè)復(fù)雜的認(rèn)識(shí)體系，由能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)換觀、能量耗散觀和能量守恒觀等構(gòu)成，但是缺乏對(duì)能量大概念本身體系的深度探討。在科學(xué)日趨融合的今天，本研究以能量這一大概念統(tǒng)領(lǐng)中學(xué)科學(xué)課程中的相關(guān)內(nèi)容，具有很強(qiáng)的時(shí)代性、理論性和實(shí)踐性。

2.中學(xué)物理課程中的“能量”概念

在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”)中，能量相關(guān)概念可分為四大類(lèi)：能量形式、能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移、能量守恒、能源與可持續(xù)發(fā)展。首先，“能量形式”相關(guān)概念有機(jī)械能、內(nèi)能和電磁能，其中機(jī)械能包含動(dòng)能和勢(shì)能兩種形式，內(nèi)能包含熱值、熱量、比熱容等概念，電磁能未包含下位概念。課標(biāo)僅要求學(xué)生通過(guò)實(shí)例去認(rèn)識(shí)能量存在的不同形式，進(jìn)而能簡(jiǎn)單說(shuō)明能量與生活的關(guān)系，如水的比熱容大，所以海洋的溫度隨季節(jié)變化得不明顯，給海洋生物提供了一個(gè)穩(wěn)定的生存環(huán)境。其次，“能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”相關(guān)概念有功和功率、六種物態(tài)變化(熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華)，其中功和功率包含機(jī)械功、電功的概念，電功又包含電功率和電流的熱效應(yīng)兩個(gè)下位概念。課標(biāo)要求學(xué)生通過(guò)實(shí)例了解能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)做功的實(shí)質(zhì)就是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，例如電流流過(guò)電爐絲時(shí)，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為物體內(nèi)能。再次，“能量守恒”相關(guān)概念只含機(jī)械能守恒，課標(biāo)要求學(xué)生初步樹(shù)立守恒意識(shí)并了解身邊的機(jī)械能守恒實(shí)例。最后，“能源與可持續(xù)發(fā)展”中區(qū)分了不可再生能源和可再生能源，并列舉了幾種新型能源，學(xué)生只需初步認(rèn)識(shí)能源與生產(chǎn)生活的聯(lián)系。綜上所述，課標(biāo)涉及的能量概念很多，但并沒(méi)有要求對(duì)概念進(jìn)行深度挖掘，只需聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)例形成初步認(rèn)識(shí)即可。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在初中的基礎(chǔ)上提出了更高的要求。在必修階段，將勢(shì)能分為重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能，要求學(xué)生理解和掌握相關(guān)計(jì)算，知道重力勢(shì)能與重力做功的關(guān)系，定性了解彈性勢(shì)能；在電磁能部分，新增“電勢(shì)能”的概念；在“能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”部分，要求學(xué)生運(yùn)用動(dòng)能定理解釋生產(chǎn)、生活中的現(xiàn)象；電功部分要求學(xué)生用焦耳定律解釋電熱現(xiàn)象。在選擇性必修階段，熱力學(xué)第一、第二定律的出現(xiàn)使“能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移”和“能量守恒”有了交集，它們是熱力學(xué)中最基礎(chǔ)的定律，學(xué)生需要了解其發(fā)現(xiàn)過(guò)程，并且體會(huì)科學(xué)發(fā)展的艱難歷程和教育意義。總之，在高中階段，學(xué)生需要在掌握概念的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用概念和定理進(jìn)行計(jì)算，培養(yǎng)積極的科學(xué)觀念和科學(xué)探究意識(shí)。中學(xué)物理課程中有關(guān)能量的概念結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中學(xué)物理課程中有關(guān)能量的概念體系

由圖1可知，學(xué)生在初中已經(jīng)較全面地接觸能量的方方面面，諸如形式、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、守恒以及能源的可持續(xù)發(fā)展等，頭腦中應(yīng)然存在能量概念的初步框架，在生活中遇到某些相關(guān)現(xiàn)象時(shí)，可以運(yùn)用概念體系中相應(yīng)的知識(shí)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。比如其他條件相同時(shí)，加熱等量的油和水，油比水先沸騰，這是由于油的比熱容比水小。通常情況下，初中要求學(xué)生能夠?qū)ΜF(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性描述和解釋?zhuān)M(jìn)入高中后在理性思考及定量方面的要求顯著提高，需要掌握一些能量相關(guān)的定律和計(jì)算。這些定律建立在已有知識(shí)基礎(chǔ)之上，是對(duì)基礎(chǔ)概念的升華和綜合運(yùn)用。高中階段，不僅要深度理解和掌握學(xué)科知識(shí)，更要通過(guò)科學(xué)探究來(lái)培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，樹(shù)立正確的科學(xué)觀和價(jià)值觀，實(shí)現(xiàn)從感性到理性、定性到定量、關(guān)聯(lián)到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)升華。

3.中學(xué)化學(xué)課程中的“能量”概念

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在能量部分只要求學(xué)生了解化學(xué)變化伴隨著能量變化，并認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的吸、放熱現(xiàn)象，如生石灰與水反應(yīng)放熱，并不涉及抽象概念的構(gòu)建。高中化學(xué)課程開(kāi)始要求由對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向?qū)Ω拍畹慕?gòu)。在必修模塊，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》從“化學(xué)反應(yīng)與熱能”“化學(xué)反應(yīng)與電能”兩個(gè)方面對(duì)學(xué)業(yè)作出要求。首先，在“化學(xué)反應(yīng)與熱能”方面，學(xué)生需認(rèn)識(shí)吸放熱反應(yīng)，了解化學(xué)反應(yīng)體系中能量改變與化學(xué)鍵的斷裂和形成之間的關(guān)系。認(rèn)識(shí)化學(xué)能與熱能之間的轉(zhuǎn)化可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，如燃料燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。其次，在“化學(xué)反應(yīng)與電能”方面，要求學(xué)生以原電池為例，認(rèn)識(shí)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，掌握轉(zhuǎn)化的原理和過(guò)程。必修階段包含的概念有化學(xué)能、熱能、電能、吸放熱反應(yīng)、原電池等。在選擇性必修中，仍從“化學(xué)反應(yīng)與熱能”“化學(xué)反應(yīng)與電能”兩個(gè)方面對(duì)能量相關(guān)概念提出要求。在“化學(xué)反應(yīng)與熱能”部分，學(xué)生需進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，認(rèn)識(shí)能量守恒定律，知道焓變的概念，了解蓋斯定律及其簡(jiǎn)單應(yīng)用；在“化學(xué)反應(yīng)與電能”部分，學(xué)生需了解原電池及常見(jiàn)化學(xué)電源的工作原理，了解電解池工作原理，認(rèn)識(shí)電解在實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存能量中的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。學(xué)生不僅要理解概念本身，更要理解與概念相關(guān)的原理和定律，且了解它們?cè)谏a(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用。中學(xué)化學(xué)課程中有關(guān)能量的概念結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中學(xué)化學(xué)課程中有關(guān)能量的概念體系

由圖2可知，初中化學(xué)的能量相關(guān)知識(shí)只基于現(xiàn)象描述，而高中化學(xué)課程體系化地呈現(xiàn)了與能量有關(guān)的概念、原理和模型。從化學(xué)能與熱能、化學(xué)能與電能兩個(gè)角度出發(fā)，明確提出吸放熱反應(yīng)、反應(yīng)熱等概念，并從宏觀、微觀和符號(hào)三個(gè)層次對(duì)概念進(jìn)行表征，關(guān)注能量之間相互轉(zhuǎn)化的原理和機(jī)制，因此從初中到高中，能量的學(xué)習(xí)更加強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究、證據(jù)推理、模型認(rèn)知等認(rèn)識(shí)方式，并通過(guò)這些過(guò)程培養(yǎng)宏微結(jié)合、變化觀念、平衡思想等認(rèn)識(shí)觀念，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神、社會(huì)責(zé)任等方面素養(yǎng)的達(dá)成。與物理學(xué)科類(lèi)似，經(jīng)歷了感性理性、質(zhì)變量變、理論實(shí)踐等方面的綜合提升。

4.中學(xué)生物學(xué)課程中的“能量”概念

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生掌握綠色植物光合作用原理，理解光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，知道綠色植物呼吸作用的原理?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生知道酶及其作用，通過(guò)實(shí)例認(rèn)識(shí)酶的高效催化作用；了解細(xì)胞呼吸作用產(chǎn)生的ATP水解可以釋放能量以供給生命活動(dòng)；了解能量在生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程，分析能量在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的累積和消耗，并知道能量流動(dòng)過(guò)程遵守能量守恒定律。中學(xué)生物學(xué)課程中有關(guān)能量的概念結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，中學(xué)生物學(xué)主要從生物的生命活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)層面對(duì)能量進(jìn)行闡述，涉及的能量相關(guān)概念相對(duì)較少，主要是基于生命活動(dòng)構(gòu)建能量轉(zhuǎn)化觀念，基于生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建能量轉(zhuǎn)移觀念，學(xué)生可以從整個(gè)生物圈的角度了解能量對(duì)生命的重要意義。相對(duì)物理和化學(xué)來(lái)說(shuō)，生物學(xué)中的能量概念具有更為宏大的生態(tài)“視野”，但在量化分析方面的要求較低。

圖3 中學(xué)生物學(xué)課程中有關(guān)能量的概念體系

三、科學(xué)大概念學(xué)習(xí)策略與教學(xué)建議

能量相關(guān)概念廣泛分布于中學(xué)物理、化學(xué)、生物學(xué)課程，這些內(nèi)容共同支撐起能量大概念的豐富內(nèi)涵，其中，物理和化學(xué)側(cè)重能量的具體概念、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化過(guò)程、守恒和相關(guān)計(jì)算，生物學(xué)課程則更側(cè)重能量的產(chǎn)生、流動(dòng)與消耗過(guò)程。但無(wú)論這些概念和定律在各科中如何體現(xiàn)，它們都?xì)w屬于能量的三個(gè)維度，即能源與能量形式(靜態(tài))、能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化(動(dòng)態(tài))、能量定律(理論)。具體來(lái)說(shuō)，能源與能量形式涉及物理上的機(jī)械能、內(nèi)能、電磁能等，化學(xué)上的熱能、電能和化學(xué)能，生物學(xué)上的光能、化學(xué)能與熱能等；能量轉(zhuǎn)化則體現(xiàn)于諸如物理上的動(dòng)能和勢(shì)能、化學(xué)上的化學(xué)能與熱能、生物學(xué)上的光能和化學(xué)能之間；能量定律主要體現(xiàn)在能量的轉(zhuǎn)化與守恒，比如物理上機(jī)械能守恒、化學(xué)上的蓋斯定律、生物學(xué)上生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)等?？梢?jiàn)，內(nèi)涵復(fù)雜的“能量”這一大概念，需要關(guān)注學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)和思維方式，融合物理、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的探究活動(dòng)，需循序漸進(jìn)地系統(tǒng)構(gòu)建[8]。

1.以大科學(xué)的視角來(lái)理解科學(xué)概念

當(dāng)前教學(xué)實(shí)踐中，各科教師各司其職，對(duì)學(xué)生相關(guān)科目的學(xué)習(xí)進(jìn)程和知識(shí)基礎(chǔ)缺乏了解。以“能量”為例，物理研究做功，化學(xué)研究化學(xué)能與電能和熱能之間的轉(zhuǎn)化，生物學(xué)研究呼吸作用和光合作用過(guò)程中的能量變化，看起來(lái)互不相干，但本質(zhì)上都可以歸結(jié)為不同能量形式之間的相互轉(zhuǎn)化。教師需站在科學(xué)課程的高度，仔細(xì)考慮物理、化學(xué)、生物學(xué)三門(mén)課程的橫向聯(lián)結(jié)和縱向發(fā)展，充分利用學(xué)生已有知識(shí)基礎(chǔ)，提供一定的情境，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)的認(rèn)知體系。

例如，煤和石油是常見(jiàn)的化石燃料，經(jīng)加工后作為汽車(chē)燃料，為汽車(chē)行駛提供動(dòng)能，同時(shí)放出一定量的熱，該過(guò)程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和熱能。汽車(chē)尾氣中的CO2進(jìn)入大氣后被綠色植物吸收，然后通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)藏起來(lái)，同時(shí)釋放O2到大氣中。一些動(dòng)物又以植物為食，植物中的化學(xué)能進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)。動(dòng)植物呼吸將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他多種形式的能量，呼出的CO2進(jìn)入大氣又可作為植物光合作用的原料，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。動(dòng)植物死亡億萬(wàn)年后，在一定條件下可形成煤和石油等。在這個(gè)過(guò)程中，涉及動(dòng)能、熱能、化學(xué)能等多種形式能量之間的轉(zhuǎn)化，覆蓋三門(mén)課程中的能量概念，使學(xué)生切實(shí)體會(huì)到學(xué)科的交融以及科學(xué)與人類(lèi)社會(huì)生活的息息相關(guān)[9]。

2.以進(jìn)階的視角來(lái)提升對(duì)概念內(nèi)涵的理解

概念教學(xué)并不是從語(yǔ)義的角度讓學(xué)生理解和記憶概念的言語(yǔ)表述，而是通過(guò)主體的實(shí)踐探索來(lái)完成對(duì)事物的抽象建構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)入初中后首先在生物學(xué)中接觸到能量，學(xué)習(xí)“光合作用儲(chǔ)存能量、呼吸作用釋放能量”，初步了解能量的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化。八年級(jí)物理簡(jiǎn)單陳述了汽化、液化、升華等過(guò)程中的吸放熱現(xiàn)象，并介紹了動(dòng)能、勢(shì)能等幾種常見(jiàn)的能量形式，能量概念開(kāi)始細(xì)化；同時(shí)，簡(jiǎn)單了解機(jī)械能守恒定律，開(kāi)始形成能量守恒意識(shí)。九年級(jí)開(kāi)始接觸化學(xué)課程，認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)過(guò)程伴隨能量變化，能量覆蓋的范圍從物理空間跨入化學(xué)世界。初中課程主要停留在宏觀層面，學(xué)生只需了解相關(guān)現(xiàn)象和實(shí)例中看得見(jiàn)或感受得到的能量。

在高中必修階段，學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)了有關(guān)能量的知識(shí)，開(kāi)始從細(xì)胞層面學(xué)習(xí)呼吸作用和光合作用中能量的轉(zhuǎn)化機(jī)制。概念和定理得到進(jìn)一步細(xì)化，如勢(shì)能被細(xì)化為重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能，學(xué)生開(kāi)始透過(guò)吸、放熱現(xiàn)象分析其本質(zhì)，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)化，理解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的原理、模型和微觀歷程，實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀、符號(hào)的進(jìn)階[10]。在選擇性必修階段，從反應(yīng)熱到焓變、中和熱，從原電池到電解池，概念的廣度和深度均有發(fā)展[11]；同時(shí)，知識(shí)由分化走向交融，熱力學(xué)第一、第二定律的出現(xiàn)使能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、守恒出現(xiàn)交集，與必修相比，更加側(cè)重概念、原理、模型的應(yīng)用?？傊?，從初中到高中，從必修到選修，能量概念的學(xué)習(xí)是逐步進(jìn)階的。從宏觀到微觀、從定性到定量、從現(xiàn)象到本質(zhì)、從理論到應(yīng)用，學(xué)生的認(rèn)識(shí)逐漸加深，思維逐漸體系化、結(jié)構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大概念的豐滿建構(gòu)。

3.以實(shí)驗(yàn)探究為概念形成的重要媒介

很多科學(xué)概念與社會(huì)生活是密切相關(guān)的，然而教學(xué)實(shí)踐中往往沒(méi)有關(guān)注到這一點(diǎn)，容易陷入機(jī)械記憶、題海戰(zhàn)術(shù)的怪圈，以致“老師一點(diǎn)就會(huì)，自己做題就懵”，因此，要充分挖掘社會(huì)生活中的教學(xué)資源，學(xué)以致用。以燃燒熱教學(xué)為例，燃燒熱是指“在25℃、101 kPa時(shí)，1 mol純物質(zhì)完全燃燒生成指定產(chǎn)物時(shí)所放出的熱量”。教師往往直接給出燃燒熱的定義，特別強(qiáng)調(diào)需要注意的條件：25℃、101 kPa、1 mol、純物質(zhì)、完全燃燒、指定產(chǎn)物，然后進(jìn)行大量練習(xí)對(duì)概念加以鞏固?？此七壿嬊逦瑧?yīng)該效率很高，然而實(shí)際的課堂死板沉寂，收效甚微，其原因就是概念規(guī)訓(xùn)忽略了學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。

如何讓學(xué)生“看得見(jiàn)”“摸得著”這些抽象的概念呢？那就是在教師的引導(dǎo)下學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐探索。首先，利用量熱計(jì)或其他手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，測(cè)定一定量的石墨在氧氣充足和不足的情況下所釋放出來(lái)的熱量，分別記錄反應(yīng)完畢時(shí)的數(shù)據(jù)；其次，等反應(yīng)結(jié)束后恢復(fù)到“25℃、101 kPa時(shí)”再分別記錄數(shù)據(jù)；再次，引領(lǐng)學(xué)生回顧密度、比熱容、摩爾質(zhì)量等概念，從不同的角度來(lái)探討如何衡量不同物質(zhì)燃燒釋放能量的多少，鼓勵(lì)學(xué)生提出多種方案，以便綜合權(quán)衡；最后，給出石墨燃燒熱的數(shù)值，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，科學(xué)合理地建構(gòu)“燃燒熱”這一概念，從而水到渠成、入木三分地掌握“燃燒熱”這一概念的要點(diǎn)，即物質(zhì)的量、溫度、壓強(qiáng)、完全燃燒、指定產(chǎn)物等，有效融合了物理、化學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，并沒(méi)有刻意地要求所謂的跨學(xué)科，自然而然不留痕跡地形成大概念。換句話說(shuō)，科學(xué)素養(yǎng)不是外在輸入的，而是學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中主體建構(gòu)的[12]。聽(tīng)說(shuō)的始終是別人的，只有親身經(jīng)歷過(guò)的才是自己的。