張玉峰 秦曉文

摘 要：經(jīng)過科學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，幫助學(xué)生建立良好的科學(xué)概念體系一直是科學(xué)教育的重要目標(biāo)之一。幫助學(xué)生建立科學(xué)概念體系的角度主要包括：理清科學(xué)概念層次，促進(jìn)概念體系的結(jié)構(gòu)化；圍繞學(xué)科核心概念，突出概念體系的統(tǒng)一性；豐富科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)，完善概念體系內(nèi)容；體現(xiàn)學(xué)習(xí)的階段性，逐步發(fā)展學(xué)習(xí)者的科學(xué)概念體系。

關(guān)鍵詞：科學(xué)概念；科學(xué)概念體系；建構(gòu)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）7-0041-4

科學(xué)內(nèi)容知識絕不是科學(xué)結(jié)論雜亂無章的堆積，而是通過一定的邏輯相互關(guān)聯(lián)，具有一定結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。因此，經(jīng)過科學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，幫助學(xué)生建立良好的科學(xué)概念體系是非常重要的。整合與發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)代基礎(chǔ)教育階段科學(xué)課程改革的核心理念。整合首先是科學(xué)課程概念體系的建構(gòu)，即通過圍繞“大概念”（big ideas）組織知識內(nèi)容，達(dá)成以往科學(xué)課程中零散概念的整合[2]。

在我國，課程標(biāo)準(zhǔn)是政府頒布的中小學(xué)課程與教學(xué)的主要文件。其中，具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是對學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)課程內(nèi)容結(jié)果的描述，一般以“行為動詞+名詞短語”的方式表述。這樣的表達(dá)方式依舊限于知識要點(diǎn)的羅列，較少呈現(xiàn)知識之間的關(guān)系和整個概念體系框架[8]。專家與新手的比較發(fā)現(xiàn)：通過知識學(xué)習(xí)，專家具有比新手更良好的知識結(jié)構(gòu)[1]。而我國長期以來只重視各學(xué)科領(lǐng)域的基本概念，忽視核心概念和共通概念，影響學(xué)生形成對科學(xué)的整體認(rèn)識[3]。因此，幫助學(xué)生建構(gòu)良好的學(xué)科概念體系不僅是科學(xué)教育的重要目標(biāo)之一，也是我國科學(xué)教育現(xiàn)狀的必然要求。

奧蘇貝爾認(rèn)為，所謂認(rèn)知結(jié)構(gòu)就是學(xué)生頭腦中的知識結(jié)構(gòu)[5]。認(rèn)知結(jié)構(gòu)就是個人可運(yùn)用的知識的實(shí)質(zhì)和組織內(nèi)容，在涉及某一學(xué)科時，則是指學(xué)生對于該學(xué)科所知道的知識內(nèi)容及其組織。

那么，從哪些角度豐富科學(xué)概念體系的內(nèi)容？為什么要從這些角度豐富科學(xué)概念體系？如何從這些角度豐富科學(xué)概念體系？回答這些問題對科學(xué)教育研究的最新成果如何向教育教學(xué)實(shí)踐轉(zhuǎn)化，提升教育實(shí)踐的有效性與品味，無疑是非常必要的。

1 理清科學(xué)概念層次，促進(jìn)概念體系的結(jié)構(gòu)化

理清科學(xué)概念的層次是建構(gòu)科學(xué)概念體系的前提。只有理清科學(xué)概念的層次，才能確定哪些概念是學(xué)科核心概念，從而進(jìn)一步圍繞學(xué)科核心概念整合學(xué)科概念體系；才能建立科學(xué)概念之間豐富而合理的聯(lián)系。只有理清科學(xué)概念層次，才能建構(gòu)層次清晰、聯(lián)系豐富、結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)概念體系。結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)概念體系，不僅是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，也是學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。

不同科學(xué)概念具有不同的包攝性水平。按包攝性水平由高到低，可以按如下步驟確定科學(xué)概念的層次。

第一步，確定學(xué)科核心概念，這是理清科學(xué)概念層次的起點(diǎn)。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[7]。比如，美國2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》[8]中確定“運(yùn)動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”作為學(xué)科核心概念，這是若干物理學(xué)科專家和物理學(xué)科教育專家共同商議的結(jié)果。

第二步，按照學(xué)科核心概念統(tǒng)領(lǐng)的領(lǐng)域或者主題，解構(gòu)學(xué)科核心概念，確定若干主題核心概念。比如，“運(yùn)動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”學(xué)科核心概念下的主題核心概念包括：“機(jī)械運(yùn)動”“相互作用”“運(yùn)動與相互作用的關(guān)系”等。

第三步，在特定知識領(lǐng)域或者主題范圍內(nèi)，分別解構(gòu)主題核心概念，確定支撐主題核心概念下的重要概念。重要概念具體包括：基本概念和關(guān)系概念。比如，加速度、速度、位移、時間、角速度、周期等科學(xué)概念是為了描述機(jī)械運(yùn)動而定義的，屬于基本概念，都是能夠量化的科學(xué)概念；速度時間關(guān)系、位移時間關(guān)系、角速度與周期關(guān)系、角速度與線速度關(guān)系等科學(xué)概念反映了基本概念間的關(guān)系，屬于關(guān)系概念。

第四步，分析影響重要概念建構(gòu)的知識要素，從中選擇并確定基礎(chǔ)概念。比如，“位置”“參考系”等屬于基礎(chǔ)概念。

需要說明的是，科學(xué)概念體系各層次內(nèi)的具體內(nèi)容是逐漸豐富和發(fā)展的。具體表現(xiàn)在兩個方面：一是人類的科學(xué)知識是隨著人類文明不斷積累、完善的，作為人類文明成果的科學(xué)概念體系不斷豐富和發(fā)展；二是隨著個體的不斷學(xué)習(xí)，作為個體知識的科學(xué)概念體系不斷得到豐富和發(fā)展。

2 圍繞學(xué)科核心概念，突出概念體系的統(tǒng)一性

面對科學(xué)教育的現(xiàn)狀和對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的追求，在科學(xué)教育領(lǐng)域，應(yīng)該圍繞“少而精”的學(xué)科核心概念進(jìn)行課程設(shè)計、教學(xué)和評價。這已是不爭的事實(shí)。某一主題的科學(xué)概念體系包括這一主題下的具體知識，以及這些具體知識間的聯(lián)系；并且這些知識及其聯(lián)系還應(yīng)該是圍繞學(xué)科核心概念而組織起來的，具有其內(nèi)在的統(tǒng)一性。只有圍繞學(xué)科核心概念建立的，具有統(tǒng)一性的科學(xué)概念體系，才能更有效地幫助學(xué)生建立良好的思維框架，提升學(xué)生的探究能力。北師大郭玉英等研究者經(jīng)過廣泛的課程標(biāo)準(zhǔn)的國際比較后，認(rèn)為當(dāng)代的科學(xué)課程設(shè)計正在嘗試圍繞大概念組織課程內(nèi)容，建立整體一致的概念體系，幫助學(xué)生形成良好的知識結(jié)構(gòu)[3]。并進(jìn)一步指出，科學(xué)教育的內(nèi)容豐富、多元且相互關(guān)聯(lián)，向?qū)W生不加組織地零散呈現(xiàn)或籠統(tǒng)編織框架強(qiáng)行灌輸都是不可取的，科學(xué)教育應(yīng)該還原科學(xué)的本來面貌。以大概念為核心進(jìn)行多維整合，為科學(xué)教育各方面內(nèi)容構(gòu)建有意義的聯(lián)系，是新世紀(jì)科學(xué)教育的發(fā)展方向[3]。

圍繞哪些學(xué)科核心概念建構(gòu)科學(xué)概念體系是首先應(yīng)該回答的問題。經(jīng)過美國科學(xué)教育界多年研究、討論，美國的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》最終確立了物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)等科學(xué)教育領(lǐng)域的若干學(xué)科核心概念。如，物質(zhì)科學(xué)的4個學(xué)科核心概念。包括：“物質(zhì)及其相互作用”“運(yùn)動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”“能量”“波及其在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用——信息傳遞”。這些學(xué)科核心概念的確立是集大批科學(xué)家、科學(xué)教育專家、一線實(shí)踐專家集體智慧的結(jié)晶；是吸收了近十年來關(guān)于核心概念、學(xué)習(xí)進(jìn)階等大量的科學(xué)教育研究成果基礎(chǔ)上提出來的。因此，在目前科學(xué)教育研究現(xiàn)狀下，圍繞美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》所確立的學(xué)科核心概念建構(gòu)科學(xué)概念體系是相對可行的選擇。

圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)科學(xué)概念體系，應(yīng)該重點(diǎn)從兩個方面著手：

一方面，要確立某一學(xué)科核心概念中包括哪些具體的科學(xué)概念。由于每個具體的科學(xué)概念都是從某個方面描述客觀事物的本質(zhì)屬性，因此，首先應(yīng)該弄清楚這些具體的學(xué)科核心概念分別從哪些方面豐富學(xué)科概念的內(nèi)涵；其次，還應(yīng)該弄清楚圍繞某一學(xué)科核心概念的若干具體概念之間具有怎樣的邏輯關(guān)系，這些具體科學(xué)概念是如何共同支撐學(xué)科核心概念的。例如，“運(yùn)動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”這一學(xué)科核心概念下的具體科學(xué)概念包括位移、速度、加速度等等。位移、速度、加速度在描述具體的機(jī)械運(yùn)動方面是逐步遞進(jìn)的，對運(yùn)動的描述越來越精細(xì)，具有依次遞進(jìn)的邏輯關(guān)系。

另一方面，應(yīng)圍繞學(xué)科核心概念分析具體科學(xué)概念的內(nèi)涵與外延。例如，重力加速度，如果只理解為物體在重力作用下產(chǎn)生的加速度，這是不夠的；還應(yīng)該從“場”這一學(xué)科核心概念的角度加深理解，從場的角度看，重力加速度可以看作重力場強(qiáng)度。這樣不僅建立了重力場與電場、磁場間的聯(lián)系，有助于建構(gòu)“場”這一學(xué)科核心概念的體系，還搭建了重力加速度、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等具體科學(xué)概念之間的聯(lián)系。

3 豐富科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)，完善概念體系內(nèi)容

科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)無疑是科學(xué)概念體系的重要內(nèi)容。在諾瓦克的概念圖理論中，節(jié)點(diǎn)、連線、連接詞和實(shí)例是概念的4個基本構(gòu)成要素。其中，連線表示兩個概念間的意義聯(lián)系。在概念圖中，既有不同層次科學(xué)概念間的縱向關(guān)聯(lián)；也有同一層次內(nèi)科學(xué)概念間的橫向關(guān)聯(lián)。在科學(xué)概念學(xué)習(xí)研究領(lǐng)域內(nèi)，專家與新手的比較研究表明：專家的學(xué)科知識往往包含豐富的聯(lián)系，具有一定的結(jié)構(gòu)；而新手的學(xué)科知識往往是零散而孤立的，缺乏整體性。

從我國的科學(xué)教學(xué)實(shí)踐看，有普遍重視“知識點(diǎn)”教學(xué)，而忽視概念間聯(lián)系的傾向。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因可能包括：一是我國的學(xué)科教學(xué)一直有重視知識深度，而忽視知識廣度的傳統(tǒng)；二是中高考對物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)仍然具有強(qiáng)大的導(dǎo)向作用，各科考試說明中的考試內(nèi)容仍然采用“列舉知識點(diǎn)”的方式呈現(xiàn)，而沒有呈現(xiàn)這些“知識點(diǎn)”之間的聯(lián)系，這無疑會對學(xué)科教學(xué)產(chǎn)生重要影響。

根據(jù)概念圖理論，建構(gòu)科學(xué)概念之間的關(guān)聯(lián)重點(diǎn)可從以下幾個方面著手：

第一、分析不同層次科學(xué)概念間的邏輯關(guān)系，建構(gòu)科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)。上層概念不僅具有比下層概念更高的抽象概括水平，而且上層概念需要通過若干下層概念聯(lián)合起來共同支撐。例如，“運(yùn)動與相互作用關(guān)系”這一主題核心概念需要力、速度、加速度等重要概念支撐，它們之間顯然有緊密關(guān)聯(lián)。

第二、分析同一層次科學(xué)概念間的邏輯關(guān)系，建構(gòu)科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)。分析同一層次基本概念間的邏輯關(guān)系，可以建構(gòu)關(guān)系概念。例如，分析時間、位移、速度與加速度關(guān)系，可以得出“速度-時間關(guān)系”概念和“位移-時間關(guān)系”概念。分析同一層次內(nèi)科學(xué)概念間的關(guān)系，有利于理清科學(xué)概念的外延。例如，應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，進(jìn)行演繹推理可以得出導(dǎo)體棒切割產(chǎn)生的動生電動勢和磁場變化產(chǎn)生的感生電動勢等概念，顯然，法拉第電磁感應(yīng)定律的外延是后兩種情況外延之和。

第三、在不同主題下，分析重要概念，建構(gòu)科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)。有些重要概念是跨主題的，如加速度。因此，通過分析重要概念，可以建構(gòu)不同主題下科學(xué)概念之間的關(guān)聯(lián)。例如，加速度是“機(jī)械運(yùn)動”這一主題核心概念之下的重要概念，用來描述速度變化的快慢；同時，加速度又是“相互作用力”這一主題核心概念之下的重要概念，用來描述力的作用效果。因此，分析加速度這一跨主題的科學(xué)概念，可以建立“機(jī)械運(yùn)動”與“相互作用”兩個主題間的關(guān)聯(lián)。

第四、以共通概念（crosscutting concepts）為紐帶，建構(gòu)不同主題下科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)。共通概念是涉及科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)等各個領(lǐng)域的最基本的概念，這些概念超越了學(xué)科界限，反映出不同學(xué)科的內(nèi)在統(tǒng)一性，并且相對穩(wěn)定，對于各種文化觀念都普遍適用[2]。共通概念側(cè)重跨學(xué)科內(nèi)容的組織。事實(shí)上，不僅跨學(xué)科內(nèi)容的組織需要共通概念，在同一學(xué)科內(nèi)不同主題的組織也需要共通概念。例如，重力加速度、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等描述不同場強(qiáng)弱的物理概念可以通過“規(guī)模、比例和數(shù)量”這一共通概念組織起來。密度、速度等不同主題下的概念可以通過“變化率”組織起來。

4 體現(xiàn)學(xué)習(xí)的階段性，逐步發(fā)展學(xué)習(xí)者的科學(xué)概念體系

學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程是分階段的；學(xué)習(xí)者的知識積累是逐步完成的；學(xué)習(xí)者的科學(xué)素養(yǎng)在知識的理解與應(yīng)用中循序漸進(jìn)地得到提升。因此，作為個體學(xué)習(xí)結(jié)果的科學(xué)概念體系，也不是一蹴而就的，需要分階段逐步豐富、完善。

應(yīng)該主要從以下幾個方面發(fā)展學(xué)習(xí)者的科學(xué)概念體系：

第一、引入較高層次概念，促進(jìn)不同科學(xué)概念體系的整合。大量不同的科學(xué)概念需要圍繞學(xué)科核心概念整合，形成科學(xué)概念體系。同樣，不同的科學(xué)概念體系也需要整合，形成更大的科學(xué)概念體系，從而促進(jìn)科學(xué)概念體系的發(fā)展。例如，在分別圍繞“機(jī)械運(yùn)動”和“相互作用”這兩個主題核心概念建構(gòu)科學(xué)概念體系的基礎(chǔ)上，再引入“運(yùn)動及其穩(wěn)定性：力與相互作用”這一學(xué)科核心概念，可以促進(jìn)這兩個科學(xué)概念體系的整合，從而建構(gòu)圍繞學(xué)科核心概念的科學(xué)概念體系。

第二、不斷豐富各層次內(nèi)科學(xué)概念。較低層次的若干科學(xué)概念共同支撐較高層次的科學(xué)概念，不斷豐富較低層次的科學(xué)概念，可以促進(jìn)更高層次科學(xué)概念的發(fā)展。例如，在初中階段，時間、路程、速度、勻速直線運(yùn)動的速度與時間的關(guān)系等屬于重要概念，這些概念共同支撐“機(jī)械運(yùn)動”這一主題核心概念。而高中階段，在初中原概念的基礎(chǔ)上，又增加了加速度這一基本概念。加速度概念的引入，不僅豐富了關(guān)系概念，如勻變速直線運(yùn)動的速度與時間關(guān)系、位移與時間關(guān)系等，而且從運(yùn)動的類型、對運(yùn)動描述的精細(xì)程度等方面豐富了“機(jī)械運(yùn)動”這一主題核心概念。

第三、不斷擴(kuò)展原有概念的內(nèi)涵與外延?？茖W(xué)概念是科學(xué)概念體系的重要構(gòu)成要素，而科學(xué)概念的內(nèi)涵與外延是可以擴(kuò)展的。因此，科學(xué)概念體系也可以隨著科學(xué)概念內(nèi)涵與外延的擴(kuò)展而得到豐富和發(fā)展。例如，加速度的內(nèi)涵從“運(yùn)動速度變化快慢的描述”擴(kuò)展到“力對運(yùn)動狀態(tài)的改變效果的描述”，由此體現(xiàn)出加速度概念作為聯(lián)接機(jī)械運(yùn)動和相互作用關(guān)系橋梁的重要意義。外延從加速度概念引入時的“勻加速直線運(yùn)動”到“勻減速直線運(yùn)動”，再到“勻變速曲線運(yùn)動”，直到“圓周運(yùn)動”，由此擴(kuò)展了對機(jī)械運(yùn)動類型及其運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識。這些都是對科學(xué)概念體系的進(jìn)一步豐富和發(fā)展。

第四、不斷豐富科學(xué)概念間的關(guān)聯(lián)?？茖W(xué)概念間的關(guān)聯(lián)是科學(xué)概念體系的要素之一。例如，在初中，并不能建立物體的質(zhì)量與運(yùn)動速度之間的關(guān)系。在高中學(xué)習(xí)相對論的知識后，便建立了物體質(zhì)量和運(yùn)動速度之間的關(guān)聯(lián)。

科學(xué)概念體系不僅本身是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，而且在建構(gòu)科學(xué)概念及其體系的過程中必然帶來學(xué)生科學(xué)能力的進(jìn)一步發(fā)展。因此，在科學(xué)教育中應(yīng)該進(jìn)一步探索幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念體系的策略與方式。

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（欄目編輯 羅琬華）