例说基于大概念的小学科学教学

万嵩海

一、科学大概念及其三个层次

科学大概念，就诸如“一片完整的叶具有共同的构造，包括叶片和叶柄两部分”等反映自然界特定事件和事实的具体科学概念而言，是在具体科学概念的基础上形成的对科学事实和科学事业更为宏观而概括性的认识和观念。

2009年10月，来自欧亚拉美七国的学者齐聚苏格兰罗蒙湖畔，共商国际科学教育的改革大计，他们对科学大概念做了如此解释—将能够用于解释和预测较大范围自然界现象的概念定义为大概念，并认为大概念不但包括生物、物理、化学等不同科学学科领域中具有核心意义的学科专属的核心概念，还包括数量较少的更为抽象的、跨学科的上位概念。这些上位概念可以分为两类：一类是关于我们周围世界的，例如尺度、对称性、因果关系、结构与功能;另一类是关于方法的，即科学概念如何通过人类活动而产生 [1]。

2013年4月，《美国新一代科学教育标准》正式颁布，其一大亮点是提出了通过围绕科学大概念来组织科学教育内容、实现中小学科学教育的横向整合，并将科学大概念分为以下三个层次：第一层次是在物质科学、生命科学、地球与空间科学、工程设计等领域中具有统领各自学科的核心概念。学科核心概念，至少要满足以下

4个条件中的两条，最好是都满足：（1）在科学学科中各自具有统领性的明显重要的概念，或是在具体学科知识中起到组织作用的关键概念;（2）帮助理解和研究更复杂概念和解决问题的关键知识;（3）与学生的兴趣和生活经验相关，或与需要科学和技术知识的社会或个人问题相关;（4）通过增加深度和复杂性，能在多个年级中进行持续的教和学。

第二层次是在科学各大学科中更通用、更上位的通用概念。通用概念，就像科学学科之间的纽带，帮助学生将不同科学领域中相互关联的知识组织成连贯而条理清晰的基于科学的对客观世界的认识，涉及形式，因果关系，尺度、比例和数量，系统和系统模型，能量和物质，结构和功能，稳定与变化七大方面。

第三层次是对科学本质的基本理解，期望学生能在以下方面得到深化：科学探究利用多种方法，科学知识基于实证证据，科学知识随着新证据出现而不断修正，科学模型、定律、原理和理论用以解释自然现象，科学是认识的一种方式，科学知识通常假设自然系统具有秩序性和稳定性，科学是一种人类活动，科学致力于解决关于自然和物质世界的问题。

由三个层次共同构成的科学大概念，借助于适当的科学内容，通过有目的的科学探究活动，可以帮助学生获取科学知识并加以理解，将单独的科学知识用具有普遍意义的科学大概念加以联系。

二、基于大概念的小学科学教学

1.设定一种表现期待

基于大概念的小学科学教学，要求教师在分析教材逻辑结构和活动内涵以及学生学习水平和需要的基础上，对学生的课堂学习表现设定一个合适的期待。比如，“地球的运动”单元期待学生“能借助模型来分析地球运动中产生的昼夜交替现象和四季交替现象，以解释这些自然现象的产生原因”。

为了实现单元学习的表现期待，教师应为每节课的教学提出相应的课时学习表现期待，如“昼夜交替现象”一课期待学生“能从不同的视角开发一些可以表现‘地球与太阳的位置和运动关系的模型，来初步解释昼夜交替现象的成因”“‘证明地球在自转一课期待学生能从不同的视角来分析傅科摆模型（即单摆模拟实验）的运动现象，以解释‘傅科摆偏转现象可能是由于地球自转造成的……”

学生学习表现期待，通常采用包含“为什么学”“学什么”“怎样学”等简明的陈述性语言来描述。它实际上是教师对课堂教学的价值判断，是对学生在有限的课堂学习时间中从事怎样的学习活动所进行的深度思考，是包括学习目标及其达成过程在内的教学设计的高度浓缩。

因此，学习表现期待有助于教师从宏观上理解教材内涵，把握教学深度，从而使教师明确“在有限的时间中，哪个才是最重要的”，避免产生舍本逐末式的教学。同时，学习表现期待也有助于执教者或观课者评判学生的学习是否达成了预期要求。可见，在学习目标和过程设计之前，给出学生的学习表现期待是重要的。

2.制订一个目标框架

基于大概念的小学科学教学，要求教师关注学生对科学各领域中的核心概念以及横跨学科界限的通用概念的理解，并在此基础上加深对科学本质的理解，从而对学习目标及其达成过程进行顶层设计、宏观调控。

教师应围绕所设定的学生学习表现期待，设计一个基于大概念的学习目标框架。与惯常的学习目标设计相比，基于大概念的学习目标设计主要是将科学概念目标中的具体概念、核心概念、通用概念以及对科学本质的理解加以区分，保持诸层次概念间的一致性。值得一提的是，对科学本质的理解是一种结构化知识，是一种内在的科学价值观，因此，也可将“对科学本质的理解”纳入“情感态度价值观”目标中。

例如，“地球的运动”单元中的“证明地球在自转”一课，教师可以基于通用概念中的“尺度、比例与数量”对学习目标框架加以设计。其科学概念维度分为具体概念（知道摆具有保持摆动方向不变的特点，知道傅科摆偏转现象可以用地球自转来解释）、核心概念（不同的角度看地球的运动变化，会产生不同的观察结果;对地球运动时所呈现的各种现象的解释，随着新证据的出现而不断修正）、通用概念（同一种现象或结果，往往有不同的解释，并受到观察角度或尺度、人类认识的影响）及科学本质（人类对世界的解释随着新证据的出现而不断修正）。将过程方法维度设计为：通过不同视角观察火车前行获得“不同视角观察同一种运动会产生不同的观察结果”的概念，用模型（单摆模拟实验）及上述概念解释傅科摆偏转现象的成因。并将激发研究地球运动及其现象的兴趣、体会证据对科学解释的影响作为情感态度价值观维度的教学目标。

基于科学大概念的学习目标框架设计中，具体概念通常会明确无误地出现在教材或教学用书中，而学科的核心概念则隐含在单元的整体结构中，成为单元教学的主要线索和隐性目标。通用概念以及对科学本质的理解，容易受到教师对教材内涵的理解以及对教学的价值取向的影响。如“运动和力”单元中的“测量力的大小”一课，有的教师比较注重引导学生“通过研发测力工具来测量力的大小，从而认识测量工具的演变过程”，有的教师则注重引导学生“通过正确使用测力计来初步测量不同力的大小”。前一种教学抉择所要达成的目标是对科学本质的理解─“人类发明和改进测量工具以精确地获取数据”，后一种教学抉择所要达成的目标是“结构与功能”方面的通用概念─“为了实现某种工具的既定功能，需要正确地使用该工具的各种结构”。

3.实施一种更佳流程

将科学大概念运用于学生课堂学习中，可以帮助他们获得对自然科学与工程的更科学、更基础、更一致的认识，帮助他们掌握学习科学、应用科学的方法与途径，从而提升他们的科学素养。因此，基于大概念的小学科学教学，要求教师根据不同的学习主题和内容，结合学生的学习基础和发展需要，选取并围绕适当的科学大概念展开教学。同时，在教学过程中适时地通过活动环节的小结和整体教学的总结，帮助学生发展科学大概念。

“证明地球在自转”一课旨在引导学生运用关键证据来证明地球在自转，教师围绕“尺度、比例与数量”的大概念可以进行如下的教学设计。

◆从不同视角观察火车行进等现象，并加以分析。

◆通过交流，得到“汽车前进，车厢视角─车不动，树后移;路边视

角─车前进，树不动”的事实，形成“同一种运动可以从不同的视角来观察，并根据不同的观察结果提出不同的解释”的一致认识。

◆观看“傅科摆”视频资料及阅读“傅科摆”史实资料，交流傅科摆的摆动特点。

◆以地面为视角来分析傅科摆的偏转，通过交流，得到“傅科摆，地面视角─物不动，摆偏转”的事实。

◆傅科摆的模拟实验，通过改变单摆底座的方向来观察单摆在摆动方向上的特点，知道“摆具有保持摆动方向不变的特点”。

◆从单摆的外部视角交流结果，得出“单摆，外部视角─盘转动，摆不转”的事实。

◆借助手机摄像功能来获取底座视角的摆动方向偏转的事实，引导学生从单摆底座视角交流观察结果，得出“单摆，底座视角─盘不动，摆转动”的事实。

◆将傅科摆实验中的摆、地面及其观察结果与模拟实验中的摆、底盘及其观察结果建立联系，得到“傅科摆，外部视角─地不动，摆转动”的解释。

◆用地球自转来解释傅科摆偏转现象的成因，知道“傅科摆偏转现象可以用地球自转来解释”，深化“同一种运动可以从不同的视角来观察，并做出不同的解释”的一致认识。

◆交流其他能够证明地球自转的实证案例。

若以学生视角来分析他们的学习过程，那么这一活动始终围绕着“同一种运动可以从不同的视角来观察，并做出不同的解释”这一科学大概念而不断前进。借助火车前行的事实得到的科学大概念容易被学生接受，然后在这一科学大概念的支持下，尝试解释傅科摆偏转现象的产生原因。再由单摆保持摆动方向不变的模拟实验进一步检验他们的解释，最终知道“傅科摆偏转现象可以用地球自转来解释”。这一在科学大概念引领下通过实证证据来支持解释的探究活动，远比先前的学习更接近科学的本质。

又如，“认识几种常见的岩石”一课旨在引导学生通过观察来获取几种常见岩石的特征，教师可以围绕“形式”这一大概念展开教学，让学生观察记录岩石的五条特征，辨别哪条特征能将其从其他更多的岩石中区别出来，并将不同岩石的主要特征汇总，利用岩石资料表辨别岩石的种类和名称，继而通过讨论“为什么我们所做的观察不能将有些岩石辨别出来”，形成“获取岩石主要特征对识别岩石的重要性”的初步认识……

若以学生视角来分析他们的学习过程，那么这一活动始终围绕“特征有助于将一种事物从其他事物中区别出来”这一科学大概念不断前进。与惯常教学中的活动任务由学习单驱动、记录内容源自教材、知识指向具体事实的状况相比，学生的探究活动是由“这到底是一块什么岩石”这一问题驱动的，循着“获取特征→利用资料→辨别岩石→获取特征→利用资料→辨别岩石”的过程不断螺旋递进。这种在科学大概念引领下通过识别事物关键特征来了解事物存在方式的探究活动，远比先前的学习更具有开放性、指向性和内驱力。

科学大概念是对科学事实和科学探究更为宏观而概括性的认识，正确理解科学大概念，掌握学科核心概念、通用概念，理解科学本质，对科学教师进行有效教学提供较大帮助，也能有效地指导教师进行合理教学设计。

参考文献：

[1]温·哈伦编著. 韦钰译. 科学教育的原则和大概念[M]. 北京： 科学普及出版社， 2011：18-19.

（作者单位：浙江省杭州市拱墅区教育局教研室）

（责任编辑：孙建辉）