◇沈 舒 柏 毅（東南大學兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室東南大學兒童發(fā)展與教育研究所）

科學教育作為科學發(fā)展的基石，在數(shù)百年間經(jīng)歷了多次變革，為人類社會培養(yǎng)了科技人才、普及了科學知識，極大地推動了科學技術的進步與創(chuàng)新。當前，為了滿足新時代對高新科技人才的需求、順應學生科學能力的發(fā)展規(guī)律，從事科學教育的工作者需要在政策指引下，不斷探索更為公平、更有質(zhì)量的科學教育，推進科學教育改革的全面落地。本文通過明確科學概念與科學大概念的基本內(nèi)涵，進一步探討了科學概念形成的神經(jīng)機制與科學大概念教學的關系，并結合我國科學教育的現(xiàn)狀，提出基于科學大概念教學的相關建議。

一、科學概念與科學大概念

（一）科學概念

前人從教育學、哲學和教育心理學等多個角度對科學概念做出闡述，本文主要從科學教學的角度，把握科學概念?！犊茖W概念教學中思維能力的培養(yǎng)》一文指出，科學概念是人們通過觀察、實驗和思考,在大腦中形成的對客觀科學事物的抽象反映，主要體現(xiàn)在事物的共同屬性和本質(zhì)特征上，是形成科學學科結構的基礎。韋鈺院士基于兒童學習發(fā)展的研究指出，學習者在進入科學課堂時，往往會帶有自身形成的概念，科學教育以此為教學起點，幫助學習者建立起的科學概念應當是有組織的、系統(tǒng)的和有層次的科學知識。在表述上，科學概念可以是日常習慣使用的自然語言，也可以是科學家運用其特定的語言規(guī)則形成的較為復雜的表達。此外，韋鈺院士還強調(diào)，科學概念并不是一成不變的，而是隨著時代的發(fā)展而不斷變動和調(diào)整的。

（二）大概念

大概念又稱大觀念。在教育領域，這一概念最早可追溯到布魯納的研究。該研究表明，教師在教育過程中能夠幫助學生理解所學學科的基本結構，讓學生學會關聯(lián)學過的知識，從而解決課堂內(nèi)外遇到的各類問題，進而促進學習的遷移。后繼的學者從不同角度對大概念的內(nèi)涵進行挖掘。從課程內(nèi)容的角度，格蘭特·格雷迪(Grart&Gradvell)認為，大概念是一個問題或概括，用來幫助教師思考和決定教的具體內(nèi)容；埃里克森(HL Ericlson)基于同樣的角度，認為大概念是學科中的核心概念，是人們在事實基礎上，抽象出來的可遷移的深層次概念。目前，哈倫(Harlen)從科學教育角度出發(fā)，提出的14 項科學教育的大概念為目前科學教育領域普遍認可并不斷推廣應用。就目前研究成果而言，大概念以學科的結構和方法作為理論和實踐基礎，以客觀事物為現(xiàn)實基礎，通過解釋和預測較大范圍內(nèi)事物和現(xiàn)象，幫助學習者認識和理解世界少數(shù)的、可遷移的核心概念，涵蓋基本知識與基本技能。

（三）科學大概念

目前，國內(nèi)對于科學大概念的研究論述往往圍繞對科學觀念的認識而展開，通常認為，科學大概念的學習有利于培養(yǎng)學生的科學觀念。韋鈺院士指出，科學大概念是科學領域中有一定組織結構、相互聯(lián)系的科學核心概念和模型。有關科學大概念內(nèi)容的研究更多集中在國外，《科學教育的原則和大概念》較為翔實全面地闡述了科學大概念，指出科學教育的目標是幫助學生不斷趨向掌握核心概念的過程，這些核心概念即科學大概念。其有大有小，不同程度的概念可以進行連接，較小的概念可以連接成中等或較大的概念，進而連接成更大的概念?；趪鴥?nèi)外科學教育對大概念的解讀，科學大概念是科學領域中有組織、有結構的幫助學習者認識世界和理解世界的核心概念，是科學教育各個階段的指南。

（四）科學概念與科學大概念的區(qū)別與聯(lián)系

科學大概念與科學概念既有區(qū)別又有聯(lián)系?？茖W概念一般由科學共同體實證研究后進行界定，便于記錄科學成果、傳播科學概念與交流分享，一般包括科學現(xiàn)象、科學定律和科學理論成果。而科學大概念是建立在具體科學概念基礎上的，是高度抽象和概括的，是對領域內(nèi)一般性科學概念的概括性認識，屬于上位概念。相較于科學概念，科學大概念帶有一定的模糊性，是概念之間聯(lián)通的背景?？茖W概念連接起來的過程可以一直發(fā)展成跨學科的科學大概念。

二、科學概念形成的機制

目前，科學概念形成和發(fā)展機制的研究，對科學教育的發(fā)展具有引領作用。其中鄧巴博士（Dunbar）圍繞物理領域的核心概念自由落體運動問題，使用功能核磁共振腦成像儀，進行了一項腦科學研究。假設不存在摩擦力，要求被試判斷電腦上呈現(xiàn)的不同物體自由下落的速度情況。A 為兩個同樣的小球，B 為兩個大小不同的球,在有限時間內(nèi)判斷小球下落的速度是否一樣。選擇的兩組被試分別是物理系大學生和未接受過大學物理教育的成年人，在被試做出判斷的同時，對其腦部進行實時成像。從該實驗可以了解到：當學習者原本持有的概念與現(xiàn)實情況一致時，學習發(fā)生；不一致時，大腦會抑制信息的接受，學習無法有效發(fā)生，這便是學習困難的原因。在實驗過程中，研究者發(fā)現(xiàn)被試內(nèi)側前額皮層被激活，表示被試已有的概念被表現(xiàn)。其中物理系的學生看到錯誤圖像，該皮層也是被激活的，只是會抑制原有的概念。該實驗表明，學習者在學習新的科學概念的過程中，腦中會經(jīng)歷相應的生物過程。其中存在的抑制機制會造成其接受正確的新概念困難。學習者原先具有的錯誤的前概念不會消失，而是被抑制了。

從科學概念的形成以及前概念的影響來看，在學習者形成或鞏固錯誤概念之前，應盡早開展正確高效的科學概念教育，以幫助他們建立正確的科學概念。

三、科學大概念教學

（一）背景

隨著信息化技術的高速發(fā)展，信息量迅猛增長，學生不能再靠學習無窮無盡的知識來獲得具體的學科知識。為了讓科學教育適應時代的發(fā)展和需要，哈倫等人提出了大概念教育理念。這一教育理念從教學方法、課程內(nèi)容以及課程評測三個維度展開，希望通過科學大概念的教學，幫助學習者了解和認識周圍的世界，并對問題建立聯(lián)系和框架模型，使其在面對新的問題時，有能力找到解決的方案。

（二）科學大概念教學的必要性

科學大概念的教學是圍繞科學領域中的科學概念、知識和模型進行的，現(xiàn)代化的科學教育不僅僅要為學習者提供具體的學科知識，更需要利用科學大概念的獨特性幫助學習者探究問題的根源、現(xiàn)象的本質(zhì)以及事物發(fā)展的規(guī)律，從而培養(yǎng)其探究科學本質(zhì)的精神和科學核心素養(yǎng)。神經(jīng)科學對認知的研究發(fā)現(xiàn)，相互聯(lián)系的概念，較之沒有聯(lián)系的概念，在遇到新情況時更容易被運用。因此，科學大概念的教學可以在學習者形成錯誤概念之前，幫助其建立正確的科學概念，培養(yǎng)其學習遷移能力，并且，科學大概念與日常的生活密切相關，不僅是學生探究內(nèi)容的來源，更是教師進行教學設計的線索，可以有效幫助學生搭建概念與現(xiàn)實的橋梁。因此，基于科學大概念教學開展科學教育，對于教育改革和學生日后的發(fā)展都是大有裨益的。

（三）科學大概念教學的可能性

通過調(diào)研了解到：首先，教師由于既定的教學目標和工作量，傾向于按照傳統(tǒng)的教學方式展開教學；其次，在面對新的教學理念和模式的時候，往往會有抗拒的心理，如不愿意跳出舒適區(qū)，不愿意承擔風險等；最后，由于所在學校和課題組對于新科學課程標準的解讀能力有限，教師對于教學改革的宏觀把握與微觀實踐能力更是式微。因此，外部推動力不足加上內(nèi)部主觀能動性弱，極大地限制了教學改革的推進力度，這也使得開展科學大概念教學的可能性降低。

但是，專家培訓以及研究人員參與到一線課堂，協(xié)助教師開發(fā)科學大概念教學活動后，得到的反饋是教師開始慢慢意識到這一新型教學理念的價值。在外界的幫助下，教師在自身不斷學習和反思后，原本的抵觸和質(zhì)疑心理在看到一定教學成果后有所消解，并且能夠在實踐教學后，自主把握這一教學的核心思想，對教學設計有了創(chuàng)新意識，能夠基于科學大概念開發(fā)設計教學內(nèi)容?？梢?，基于科學大概念教學開展科學教育是有現(xiàn)實可能性的，可以通過外部的培訓以及解讀政策方法，幫助教育工作者更有效地接納、理解，并應用到教學實踐中。

四、建議

當前我國科學教育正處在國際科學教育改革的大浪潮中，基于前文對科學大概念教學必要性和可能性的分析，這一教學理念能有效推動我國科學教育改革的穩(wěn)健發(fā)展，滿足高素質(zhì)復合型人才的需求。而在實際科學大概念教學的開展過程中，從理念到課程轉化到教學落實都可能會出現(xiàn)問題。在此，圍繞科學大概念教學開展的前期準備和教學落實，有以下建議供教育工作者參考。

（一）提高教育工作者開展科學大概念教學的能力

目前，科學大概念教學的發(fā)展尚處于起步階段，科學大概念的抽象程度遠超過義務教育階段學生所能掌握的水平，教育工作者若是將大概念直接教給學生，可能會造成死記硬背的現(xiàn)象，無法實踐科學大概念教學的全新理念。這就需要教育工作者擺脫“教師教，學生學”的固化思維，在教學中深入把握科學知識的本質(zhì)，并能把握生活情境與科學問題、方法等之間的關聯(lián)，實現(xiàn)跨學科跨領域的教學。在此，建議從哈倫提出的學生學習的教材內(nèi)容、教學法和評測三個關鍵要素入手，發(fā)展教學能力。

首先，建議教師結合教材和現(xiàn)實世界選取某真實場景的簡化版本作為科學教學內(nèi)容，便于在課堂或者實驗室里控制或測量變量；其次，教師要知道課程的目的和活動如何與大概念相聯(lián)系，知道發(fā)展大概念的相繼步驟；最后，在教學過程中幫助學習者建立起不同事件或現(xiàn)象與概念之間的關聯(lián)。建議教師根據(jù)學習者不同階段的特征，應用不同的教學法，引入適當水平的科學概念，作為學生使用的腳手架，開展探究式的科學教育。此外，學校在科學教育工作者開展科學大概念教學過程中，應當合理配置人力和物力資源，為工作者提供社會資源支持、學科專業(yè)培訓和專家指導的機會。

（二）圍繞科學大概念教學進行教學設計

目前，科學教育工作者對于大概念在核心素養(yǎng)以及學科核心素養(yǎng)目標、作用、機制的理解，往往停留在落實核心素養(yǎng)或者學科核心素養(yǎng)的目標研讀層面，對如何在教學目標中進行大概念的轉化仍處于迷茫狀態(tài)。教師的教學目標轉化能力需要進一步提升。此外，教師一般會先從教學目標著手教學設計，而這一環(huán)節(jié)的設計往往由于教學慣性，只關注到科學大概念中提到的某些條目性要求，如學生的表述是否合理、是否符合自己的預期等，缺乏系統(tǒng)全面的教學策略整合。這可能會造成科學大概念的意圖扭曲，不利于后續(xù)教學環(huán)節(jié)的設計與安排。

在新課程標準已頒布的背景下，科學教育工作者需要參與到大概念的學習與構建進程中去，圍繞教學目標進行課程的設計與改編，通過教材與教參，把握科學大概念教學的理念，在深入理解科學大概念的內(nèi)涵和外延后，將自身的思考以及與同仁的合作交流成果融入教學設計，不斷加深對大概念教學的理解，從而提高自身教學能力。

（三）落實科學大概念教學的課程轉化

當前，我國基于科學大概念的教學尚在起步階段，但是科學大概念教學為科學教育提供了全新的思路和方法，這是對傳統(tǒng)科學教育的全面發(fā)展和超越。未來隨著神經(jīng)科學的發(fā)展，會有更多的神經(jīng)機制與科學教育相結合，這必將為我國科學教育帶來更大的推動和發(fā)展。